蘋果芯片為什么這么強？芯片背后的男人

　　在iPhone X發(fā)布不久,華為就在Facebook上分享一段廣告視頻,diss蘋果Face ID毫無用處。

　　在廣告視頻中,華為使用小丑emoji形象,并以動畫的表現(xiàn)形式,模擬人臉識別解鎖手機的過程,最終解鎖失敗,暗示并不是所有人都適合面部識別。

　　沒過幾天,華為移動又通過其官方Twitter分享了另一個Gif圖片,圖片中一只蘋果被啃食殆盡。

　　小動作不斷的華為,接連“嗆聲”蘋果。此舉無疑是為內(nèi)置AI芯片的麒麟970處理器加戲碼。事實上,華為將在10月16日發(fā)布“真正的AI手機”Mate10。

　　當然,以十周年紀念版為噱頭的 iPhone X并不脆弱。有了強力“大腦”A11 Bionic 坐鎮(zhèn),它飆起來,恐怕連 iPad Pro 上的 A10X 都要退避三舍。

　　在長達2小時的蘋果發(fā)布會里最令人印象深刻的就是這款十周年紀念版iPhone X了。但如果離開了A11 Bionic CPU芯片,iPhone X剩下的恐怕徒具外型。如果A11 Bionic背后沒有一支瘋狂、專注的芯片開發(fā)團隊,它也將是一塊不足掛齒的芯片。

　　所以,真正懂門道的內(nèi)行人更關(guān)注的問題是:A11 Bionic芯片背后的蘋果IC設(shè)計團隊,究竟是如何打造出這顆帶動iPhone X手機的動力引擎出來的?

　　今天我們就來聊一聊蘋果新一代移動處理器, A11 Bionic 芯片開發(fā)背后的故事。

　　從3年前的一場賭注說起

　　蘋果每一款產(chǎn)品內(nèi)部都裝著一顆主宰一切的“大腦”,你所使用的任何應用都要經(jīng)過它的處理。事實上,這枚小小的芯片,是一門在指尖打造出一座城市的手藝。

　　▲ 蘋果IC設(shè)計團隊總監(jiān)、硬件科技資深副總裁Johny Srouji

　　在蘋果芯片世界,有一位幕后操刀手,或許你從未聽說過,但他的重要性卻不容置疑,甚至不遜色于任何一位蘋果高管。

　　他的名字叫約翰尼斯洛基( Johny Srouji ) ,在蘋果公司內(nèi)部的硬件技術(shù)部門擔任高級副總裁,掌管蘋果的處理芯片團隊。

　　也就是說,iPhone、iPad、Apple TV、Apple Watch 等產(chǎn)品的中央處理器,都是在 Srouji 的帶領(lǐng)下完成設(shè)計的。 如果說喬納森(蘋果軟硬件產(chǎn)品的首席設(shè)計師)為眾多蘋果產(chǎn)品帶來了精致的外形設(shè)計,那么Srouji和他的團隊就是控制這些產(chǎn)品的“大腦”。

　　自從在 2008 年加入蘋果公司之后,Srouji 一直都保持著低調(diào)。但隨著蘋果芯片的信息逐漸為外人所知,這位技術(shù)天才也開始出現(xiàn)在聚光燈之下了。

　　美國知名科技博客 Mashable在蘋果發(fā)布會后24小時邀請到蘋果IC設(shè)計團隊總監(jiān)、硬件科技資深副總裁Johny Srouji一揭A11 Bionic芯片的開發(fā)背后的秘密。

　　▲ 蘋果 A11 Bionic 芯片

　　在被問到 A11Bionic 芯片是何時開始著手開發(fā)的?Srouji給出的答案令人咋舌。他表示,蘋果著手架構(gòu)芯片,一般從3年前就開始。這意味著A11 Bionic芯片早在2014年間就進行開發(fā)工作了,而當時蘋果還忙著出貨內(nèi)建A8芯片的iPhone 6。

　　值得注意的是,2014年時,少有在手機層次上討論AI和機器學習任務(wù)的議題,然當時,蘋果在架構(gòu)芯片開發(fā)之際,已經(jīng)押寶手機SoC內(nèi)嵌Neural Engine(神經(jīng)引擎)了。

　　為什么說蘋果早在3年前就押寶iPhone手機SoC內(nèi)嵌神經(jīng)引擎、用來執(zhí)行AI運算任務(wù),這件事讓人另眼相看?

　　要知道,包括AI在內(nèi)的這些先進演算法,例如Siri,通常系在云端上執(zhí)行高階演算,因此,在用戶端便需要有網(wǎng)絡(luò)連結(jié)。然而,iPhone X將AI技術(shù)導入手機里,顯然是想避免把用戶個人資料送出手機、送到云端,但iPhone X的AI應用如果想要在手機層次、而非云端層次上執(zhí)行的話,這也可以解釋對于強大運算芯片的需求,因此設(shè)計了A11 Bionic處理器上的一對核心。

　“芯片設(shè)計的煩惱”

　　在芯片設(shè)計上,蘋果一直有它獨有的思路。

　　陪同受訪的蘋果全球行銷資深副總裁Phil Schiller一語道破了蘋果對于iPhone手機開發(fā)過程中對于芯片的重視:對蘋果來說,芯片開發(fā)可說是iPhone打造過程中必經(jīng)之路的一部分,絕不是像樂高積木似的可以隨便外購,然后堆疊而成。

　　那么,蘋果芯片更新迭代規(guī)律又是怎樣的呢?

　　關(guān)于芯片研究,蘋果從A4到A11的開發(fā)過程中,其實并非每一次都是從零開始的。蘋果在開發(fā)每一代的芯片時,都會先檢視前一代的架構(gòu),然后再決定到底是要據(jù)此改善、還是重新開始。

　　▲ A11 Bionic 芯片 兩個更新的性能核心

　　以A11 Bionic為例,可說是基于A10 Fusion芯片的效能表現(xiàn)以及部分技術(shù)上。蘋果全球行銷資深副總裁Phil Schiller形容A11 Bionic芯片可說是集設(shè)計、架構(gòu)與技術(shù)改變于一身的混合體,有些地方是全新的,有些地方則是對于既有處理器設(shè)計的更新。

　　A10 Fusion,是一個四核處理器,兩顆性能核心,兩顆能效核心。在處理重量級任務(wù)時,使用性能核心;處理輕量級任務(wù)時,關(guān)閉性能核心,使用能效核心,減少電池消耗。

　　A11 Bionic 繼續(xù)沿用這個思路。不同的是,iPhone X處理器第一次采用了六核心,其中兩顆為高性能核心,四顆高效能核心。

　　如此來看,先前導入到A10 Fusion芯片的高功能與高效能核心,也獲得了換代更新,包括多了2個核心,以及可以進行非對稱多重處理(asymmetric multi-processing)任務(wù),這意味著可以立刻運行1、2、3、4、5或6核心。

　　結(jié)構(gòu)調(diào)整,帶來的效益是:A11 Bionic 高性能核心比上一代速度提升 25%,高效能核心速度提升 70%,而多核同時工作性能提升高達 70%。

　“神經(jīng)引擎”的秘密

　　除了這些在A10 Fusion 核心數(shù)、性能升級之外,A11 Bionic 還重新設(shè)計了兩個全新的殺手锏:神經(jīng)引擎(Neural Engine)和圖形引擎(Graphics Engine)。

　　▲ Srouji (左二)和庫克在以色列與蘋果員工在一起

　　以前,蘋果一直在用第三方GPU。本次在A11 Bionic上,蘋果做了首款自己設(shè)計完成的GPU。至于,蘋果為何選擇自主研發(fā)芯片來執(zhí)行AI任務(wù)?

　　Srouji表示,Neural Engine(神經(jīng)引擎) 的開發(fā)可說是蘋果IC設(shè)計團隊對于優(yōu)化系統(tǒng)效率、永無止境追求的體現(xiàn)。這對雙核引擎能認出人、地點、物體,還能以每秒6000億次的速度處理機器學習任務(wù)。

　　但對于部分應用程序或軟件而言,有些算法可以更好利用函數(shù)程式模型(functional programming model)。這其中也包括了iPhone X最新的臉部追蹤和Face ID,以及擴增實境(AR)相關(guān)的物體偵測。

　　這些功能都要用到神經(jīng)網(wǎng)路、機器學習或是深度學習等。這種類神經(jīng)處理可以 在CPU上運行,若能在GPU上處理則更佳。

　　對于這種類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的程序模型來說,如果實現(xiàn)了通過針對該應用設(shè)計的專屬定制芯片,那在執(zhí)行完全相同的任務(wù)時,將比普通圖形引擎更節(jié)能。而蘋果是如何做到呢?

　　Srouji進一步指出,Neural Engine的秘密在于其能夠進行矩陣乘法(matrix multiplications)以及浮點處理(floating-point processing)。

　　A11 Bionic 里的Neural Engine只進行專門的一些任務(wù)處理而已,并不進行通用化用途。Schiller在旁補充道,臉部識別、AR物件偵測以及在即時狀態(tài)下進行生動表情符號(Animoji)臉部追蹤等,是其特殊運算任務(wù)中的幾項。

　　除此之外,蘋果不愿多做闡述了, 對這個神經(jīng)引擎不愿透露更多細節(jié)。

　　▲ 在蘋果的一個秘密實驗室中展開的對芯片耐久性的測試

　　畢竟,一貫嗅覺敏感的蘋果,自行為產(chǎn)品設(shè)計處理器,是它與競爭對手的最大區(qū)別之一。

　　由自家的工程師來設(shè)計處理器,蘋果可以完美的將硬件和軟件進行優(yōu)化和結(jié)合,同時還可以對處理速度以及電池續(xù)航能力進行掌控。比如,在芯片(通常叫系統(tǒng)芯片,即 soc)內(nèi)部的元件里,包含有一種圖像信號處理器以及儲存控制器,可以讓蘋果為拍照以及儲存照片設(shè)計功能,就像 iphone 5s 帶有的連拍模式(burst mode)。

　　自主芯片研發(fā)還為蘋果帶來一項收益, 蘋果的工程師可以與設(shè)計師進行合作,一起為一些領(lǐng)先幾年的新功能進行保密,而不必提前去通知芯片廠商尤其是三星,因為他們是蘋果最主要的芯片代工廠商。

　　毫無疑問,芯片對蘋果的重要性,而 Srouji 卻是在這家全球最能賺錢的公司里掌握著可能是最重要的部門。

　　▲ A11 Bionic 芯片上自主研發(fā)GPU

　　自主設(shè)計半導體是相當冒險的決定。這種大約僅有郵票大小的微處理器是所有計算機設(shè)備中最重要的部件,但 Srouji 卻說這項研究很有趣,“蘋果的芯片架構(gòu)師是藝術(shù)家,工程師則是巫師。如果一位設(shè)計師說‘這很難’,我就會首先想到,只要存在理論上的可能性,就算是很難也是可以實現(xiàn)的?！?/p>

　　Srouji 是以色列人,加入蘋果之前曾為英特爾和 ibm 工作,他體格強壯,為人熱情,會說一口流利的阿拉伯語、希伯來語和法語,他的英語帶有一點口音。如果有哪個項目與蘋果相關(guān),Srouji 的態(tài)度一向都是“困難才是正確的,因為簡單代表著浪費時間”。

　　-END-

　　結(jié)束了嗎?

　　對待蘋果一定要有 One more thing

　　蘋果A11 Bionic 到底有多強?附上暴力跑分測試結(jié)果

　　根據(jù)Geekbench測試結(jié)果, A11 Bionic與 iOS、Android、PC平臺橫向?qū)Ρ?/p>

　　iOS 跑分排行榜

　　從成績來看,A11 Bionic 處理器的單核成績最高達到了 4195 分,多核心成績超過 10000 分。不僅超越 A10 Fusion,連 iPad Pro 上的 A10 X Fusion 也給秒了。

　　Android集體跪了

　　橫向?qū)Ρ葋砜?Android 陣營最強的三星 Galaxy S8、Note 8 上搭載的 Exynos 8895,單核心成績只有 1965 分,而多核心成績不過 6494 分。顯然,蘋果 A11 Bionic 再一次吊打 Android 陣營,而且在多核心的成績上實現(xiàn)了大幅度的超越。

　　▲ Android 多核心成績排名

　　與PC平臺對比

　　PC 平臺來看,Intel Core i3-7350K 單核跑分最高(4.2GHz),達到 6022 分;多核心性能,Intel Core i9-7900X 目前最高(3.3GHz,10 核心),達到 33622 分。按分值片面計算,A11 的多核性能相當于 Core i9-7900X 的三分之一。單核性能相當于 Core i3-7350K 的 70%。

　　▲ PC 平臺單核心成績排名