寫於iPhone 13發貨前:A15晶片性能分析

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

iPhone 13將於9月24日發貨,意味著會有一批消費者將拿到第一批新機。本文將談談A15晶片比A14到底有多大的提升?競爭對手目前的現狀又是如何?

明天iPhone 13系列最早一批貨就要到消費用戶手中了,趁此機會來聊聊iPhone 13手機內所用的蘋果(Apple) A15晶片——雖然目前已知的資訊也的確不多。似乎首批拿到評測機的媒體前天已經相繼提供了視訊,有的媒體甚至已經發佈A15晶片性能測試。本文將基於已有資訊聊聊A15晶片相比A14到底有多大的提升,以及競爭對手目前的現狀。

 

 

缺芯大環境下的A15 Bionic

首先簡單談談A15一些紙面上的數字:A15晶片的CPU部分,是2個大核心+4個小核心的組合。大核心代號為Avalanche,小核心代號Blizzard——現在的晶片廠商好像很喜歡為處理器核心代號取名為某種很冷的東西(如Icestorm、Ice Lake…)。

GPU部分,則有4核心與5核心之分;NPU為16核心(15.8 TOPS,相比上代提升約44%)——核心數字其實沒什麼參考價值,因為並不清楚蘋果是怎麼定義「核心」的。此外A15晶片採用台積電N5P製程。

尤為值得一提的是,雖然都叫A15,但在不同裝置上的A15存在著配置上的差異——在其他晶片廠商那裡,不同的配置恐怕是要稱不同的名字、或者是不同SKU (比如華為就把閹割版的麒麟9000稱作麒麟9000E)。iPhone 13 Pro上的A15才是真正的滿血版A15,包括CPU核心頻率最高3.23GHz;GPU是5核心。

而普通iPhone 13/13 mini上的那顆A15的GPU部分去掉了一顆核心,和之前M1晶片在MacBook Air/Pro 13″裝置上不同GPU核心數量的操作類似。另外這次蘋果發佈的iPad mini 6 (2021)雖然也用A15,但CPU核心頻率小幅降至2.99GHz (頻率差異與滿血版在8%左右,外媒報導中也有說是2.93GHz)。

 

 

這波同名卻不同SKU的操作,過去在手機平台上並不多見。類似Intel、AMD這類PC平台倒是常用,即像Core i7、i5、i3這些不同產品線,在很多時候只是因為晶片製造時的體質、良率差異,後期再做規格處理後包裝成不同SKU賣出去。

像A15這樣GPU既有4核心、也有5核心,以及CPU既有3.23GHz主頻、也有2.99GH主頻的方案,實際情況應該也是這些晶片在製造時是同一批產品,只不過造出來的某些晶片個體體質不佳(如電壓、功耗更高)或者某部分存在製造缺陷,透過遮罩掉一個GPU核心,或者降低CPU頻率的方式,這些晶片也能用,也就有了現在看到不同規格的A15。

這類操作在晶片產業不少見,只不過以前在手機SoC上不多見罷了。或許在缺芯的大環境下,即便是最不缺芯的蘋果,也不得不採用這樣的方案來減少浪費。也就是說iPhone 13 Pro上的A15是最好的一批貨,而iPhone 13/iPad mini 6上的A15則是其次。但需要注意的是,不同版本的A15製造成本是一樣的,只不過略差體質的A15入市,的確能夠進一步攤薄總成本。

 

 

CPU性能有提升…嗎?

這次發佈會上,蘋果其實沒有提到A15比A14性能的提升幅度——雖然以前蘋果也有過這樣的歷史,但這出也算罕見。蘋果只是在發佈會上說,相比市面上的主流競爭對手,A15 CPU性能高出50%,GPU性能高出30%/50% (基於是4核心版還是5核心版本),也不知道相比的對象是誰。

唯一可作為參照的是在發佈iPad mini 6時,蘋果說比上一代產品的CPU性能強40% (GPU性能強80%)。上一代iPad mini用的是A12處理器,總算是有個參考基準了,這麼模糊的說法,可能說明蘋果對A15在CPU性能方面的提升比較不自信。

其實去年蘋果發佈iPad Air 4 (A14晶片)的時候,也說比上一代提升40%。而所謂的上一代iPad Air (iPad Air 3),用的恰好也是A12晶片。這麼算起來,其實A15相比A14是沒什麼提升嗎?當然這裡還是需要考慮到iPad mini 6所用的A15,在CPU核心頻率上是低於iPhone 13所用的A15。

所以衝著頻率提升,iPhone 13的CPU性能應該也還是有提升,起碼得有8%吧——因為頻率提了8%。A14的CPU大核心主頻為2.99GHz,和iPad mini 6所用A15 CPU大核心主頻一致。所以蘋果的這兩次「40%提升」資訊應該是基本準確的,即iPad mini 6上的A15,和A14在CPU性能上應該是幾乎沒有變化。

 

(來源:SemiAnalysis)

 

SemiAnalysis前幾天已經提供一輪Geekbench 5的跑分,顯示iPhone 13的A15 CPU單執行緒性能提升在7.7%左右。這其實也基本印證A15大核心性能提升應該就是靠提頻率達成。所以A15的大核心相比A14的大核心,應該在架構上不會有什麼大改。

要說蘋果這次擠了牙膏,可能不假。不過無論是單執行緒還是多執行緒性能,蘋果都比別家高出不止一個身位。比如從極客灣公佈的測試結果來看,A15在省電模式下CPU性能和Snapdragon 888滿載時差不多,功耗還低了將近60%。

 

(來源:極客灣)

 

值得一提的是,SemiAnalysis的資訊提到,A15晶片的system cache (SLC)容量做到了32MB,相比上代是多一倍的。Geekbench 5的某些測試子項可能會受惠於SLC提升,但SLC並非CPU部分的LLC,它對需要GPU、NPU參與的工作理論上當會有更大的提升。

關於台積電N5P製程

其實從現有資料來看,在滿負荷狀態下跑Geekbench 5這類測試,3.23GHz的A15功耗同樣有飆升迅速的跡象。大家都滿載的情況下,A15在能耗比(跑分÷功率)方面會不及2.99GHz的A14。這還是可以說明,A15的CPU大核心架構變化不大,即便採用台積電升級過後的N5P製程,也架不住頻率提升造成功耗指數級躥升的局面。

不過據說在日常更輕度的負載下,A15是比A14更省電的——這一點也是應該的,畢竟製程有小改進。若同頻功耗還不變,那N5P又怎麼會多加個字母「P」呢?基於上面這份資料,兩者都在省電模式下時,A14單核心能耗比相比A14差了大約15%左右。和其他競爭對手比能耗比,iPhone的省電模式還是一如既往的逆天。

目前掌握有關N5P的資訊其實也不多,台積電先前說N5P是N5的性能加強版,原計劃相比N5晚一年實現量產——從早前台積電的計畫表來看,蘋果對於N5P的採用真的算是相當早期。N5P和N5的設計規則相同,與N5實現了完全的IP相容性——考慮到A15 CPU相比A14應該也沒什麼大改,A15 CPU的設計成本應該能省得比較到位…

2019年台積電發佈的資訊是,基於FEOL和MOL的最佳化,N5P能夠在同功耗的情況下實現7%的性能提升,或者在相同性能下實現至多15%的功耗下降。這其中的紅利其實就同代製程演進來說,已經不錯了。

GPU放大招

高通在Snapdragon 865的Adreno 640 GPU身上小小發揮了一下,雖然絕對性能還無法和蘋果相提並論,但效率表現已經和那時的A13 GPU表現相近。這在高通的歷史上也算比較難得,與此同時,去年的麒麟9000其實也在GPU絕對性能上,首次接近了A13的水準,雖然效率還是有差距。

蘋果過去在這個部分可是遙遙領先,如今雖然也還是領先,但「遙遙」已經談不上了。所以今年蘋果在A15身上,似乎就GPU部分放了個大招,立馬把競爭對手拋到九霄雲外。所以其實今年A15的電晶體數量躍升到150億個,相比A14是有較大提升。考慮到CPU的變化不大,那麼主要的電晶體增量應該都分配給了GPU、NPU。

 

(來源:GSMARENA)

 

從Geekbench 5 Metal圖形測試分來看,5顆GPU核心滿血版的A15,圖形性能總體提升大約是50%,不過某些子項的提升幅度超過了150%。這種程度的提升,顯示A15的GPU相比前代不只是增加了一個核心,核心內部應該也有規模上的擴大——雖然蘋果GPU的內部構成一直是個謎。

不過Geekbench Metal測試的參考價值可能並沒有那麼大。目前針對A15圖形運算力相關的測試,尚無特別系統的結果。極客灣測了GFXBench Aztec Ruin這一個項目——在Normal和High畫質下,滿血版A15 (5核心GPU)都比A14領先大約35%左右;而閹割版A15 (4核心GPU)則比A14領先大約13~17%。Aztec Ruin這個測試相比曼哈頓和T-Rex,都明顯更偏shader負載,在當代遊戲中也算具有代表性。

 

(來源:極客灣)

 

至於相比麒麟9000和Snapdragon 888,A15在Aztec Ruin測試中的領先幅度有54%和86%。A15只需要用省電模式,就能和競爭對手全速狀態下PK性能,關鍵功耗還低得可怕。只需要競爭對手1/3都不到的功耗,就達成了相同的性能水準,讓高通 Adreno和Arm Mali情何以堪。不過再次強調,這個資料來自極客灣,僅是一個項目的測試,更系統性的對比,可以等等接下來幾天更多的測試結果(請注意,這個對比在Android這邊的API是OpenGL ES 3.1)。

不過無論如何,GPU這種程度的提升也算得上是個大招了,A15理應是手機遊戲玩家的必然選擇了——至於GPU持續性能,這次的A15也稱得上十分彪悍,大型3D遊戲持續遊戲體驗就現有測試來看,也遠超一眾競爭對手。

本月初,國外出現A15的搶跑成績[4],顯示在曼哈頓3.1圖形測試中,A15首輪測試成績可達198fps,第二輪會掉落至140fps~150fps之間。iPhone的超高圖形突發性能,也算是蘋果的傳統,然持續性能打折扣會多一些。不過即便如此,還是比其他行動競品GPU超出不止一籌。這個數字也僅作參考,因為持續性能與晶片本身之外的系統設計也具有很大的相關性。

競爭對手虎視眈眈

有關A15的其餘組成部分實際表現,目前尚不明確。在系統層面,iPhone 13全系列這次的續航是有提升的,但很難說續航提升是得益於A15的效率提升。筆者認為更大的電池,以及螢幕採用LTPO技術(iPhone 13 Pro)才是續航提升的主因。

不過就A15的表現來看,雖說CPU屬於原地踏步,GPU卻有比較顯著的提升。與其他競爭對手仍然拉開了比較大的差距。但現如今的情況很難說蘋果就晶片技術方面是高枕無憂的,一方面在於PC市場,AMD和Intel競爭在逐步加劇。從Intel Architecture Day來看,Intel正在CPU、GPU產品上快速踱步——這是這麼多年來都很難見到的局面。

另一方面,筆者則非常期待高通明年將推的手機晶片,因為高通今年才完成了對Nuvia的收購。Nuvia在處理器IP上的潛力,包括這家公司的三位創始人有著非常令人驚歎的背景,其中Gerard Williams之前乃是蘋果首席架構師。而Nuvia早期規劃的Phoenix核心是準備在能效上輾壓蘋果的,高通在收購這家公司以後,最早的成果預計會在明年下半年看到。

最近這兩天,外媒普遍在唱衰蘋果晶片業務人才流失,其中也提到了Gerard Williams。據說Gerard Williams離開公司的時候順便帶走了一大批工程師;與此同時如今一家比較夯的高性能RISC-V新創公司Rivos也駐紮著大量原本是蘋果的高階工程師。

所以市場接下來的變數可能還會非常多。這樣熱鬧的市場環境,有競爭對手很快就能和蘋果一較高下,即便目前看來,A15仍然很強。

參考資料:

[1] Apple CPU Gains Grind To A Halt And The Future Looks Dim As The Impact From The CPU Engineer Exodus To Nuvia And Rivos Starts To Bleed In – SemiAnalysis

https://semianalysis.substack.com/p/apple-cpu-gains-grind-to-a-halt-and

[2] 蘋果A15性能分析:它幾乎征服了原神!- 極客灣

https://www.bilibili.com/video/BV1ih411n7BR

[3] Early Apple iPad mini (2021) benchmarks reveal downclocked CPU and GPU – GSMArena

https://www.gsmarena.com/early_apple_ipad_mini_2021_benchmarks_reveal_downclocked_cpu_and_gpu-news-50996.php

[4] 찌라시)애플의 A15 GPU벤치마크 관련 – CLIEN

https://www.clien.net/service/board/park/16474970

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

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