性能大幅提升！iPad 2雙核處理器A5探秘

　　蘋(píng)果公司在上周正式在美國(guó)推出了第二款平板電腦「iPad 2」。首先就是CPU和GPU的核心數(shù)量均提升了2倍，同時(shí)產(chǎn)品重量下降，厚度減少了3成，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的輕薄化以及性能的提升。蘋(píng)果公司在圣弗蘭西斯科市召開(kāi)的游戲者開(kāi)發(fā)大會(huì)「GDC(Game Developers Conference)」的主題演講上宣布了產(chǎn)品的推出日期。
　　
　　從 iPad升級(jí)至iPad 2，首先就是CPU由單核心ARM Cortex-A8變成了雙核心ARM Cortex-A9。除了CPU核心數(shù)量提升了2倍以外，每個(gè)核心的容許量也2倍以上的性能提升。根據(jù)ARM公司的介紹，Cortex-A8頻率性能為2 DMIPS (Dhrystone MIPS)/MHz，而Cortex-A9為2.5 DMIPS/MHz。
　　
　　至于CPU 架構(gòu)也發(fā)生變化的原因只有一個(gè)，這就是Cortex-A8只支持單核心設(shè)計(jì)，因此如果不想開(kāi)發(fā)特殊的總線，同時(shí)又想獲得相同的性能，因此可以選擇的方案也只有Cortex-A9。Cortex-A9最大可支持四核心設(shè)計(jì)，并且同樣支持AMBA 3 AXI協(xié)議。
　　

　　 Cortex-A系列架構(gòu)

　　●核心數(shù)量與性能的提升
　　
　　蘋(píng)果公司將第一代iPad的A4處理器交由三星公司代工，而A5則變成了TSMC。這聽(tīng)說(shuō)主要是由于三星公司已經(jīng)成為蘋(píng)果公司智能手機(jī)和平板電腦最強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
　　
　　至于生產(chǎn)工藝，由于A4使用的是三星公司的45nm工藝，因此普便認(rèn)為A5同樣也基于的是45nm工藝。如果基于相同的工藝情況下，核心數(shù)量提升2倍，那么會(huì)由于電路的增加導(dǎo)致核心面積的提升，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提升。而根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司iSuppli于3月13日發(fā)布的報(bào)道「iPad 2 Carries Bill of Materials of $326.60, IHS iSuppli Teardown Analysis Shows」，蘋(píng)果A5芯片的成本相對(duì)于A4提升了約75％。如果核心面積提升2倍的話，那么這種程序的成本提升也是與猜測(cè)相對(duì)應(yīng)的。因此A4升級(jí)至 A5，核心尺寸的增加也是可以理解的。
　　
　　不過(guò)iSuppli估計(jì)A5芯片的成本大約為14美元。因此雖然核心面積的增加(A4 53平方毫米)，導(dǎo)致了成本的增加，但是其帶來(lái)的影響并不大，其影響甚至還不如功耗變化的影響大。
　　
　　按照邏輯來(lái)說(shuō)，A5峰值功耗應(yīng)該會(huì)增加，因此在進(jìn)行高負(fù)荷處理如游戲應(yīng)用時(shí)會(huì)對(duì)電池續(xù)航時(shí)間產(chǎn)生影響。不過(guò)蘋(píng)果同樣考慮到了這點(diǎn)，也對(duì)此進(jìn)行了平衡。
　　
　　●進(jìn)化的CPU架構(gòu)
　　
　　除了核心數(shù)量提升了2倍，A5 Cortex-A9 CPU架構(gòu)也出現(xiàn)了變化。Cortex-A8采用的是雙指令解碼管線，程序指令采用的是順序In-Order執(zhí)行。如果以Intel CPU對(duì)比，差不多相當(dāng)于其Pentium時(shí)代產(chǎn)品。而Cortex-A9雖然同樣采用的是雙指令解碼，但是其指令執(zhí)行順序?yàn)镺ut-of-Order。容許量方面相差25％。
　　

Cortex-A9 block diagram

　　這個(gè)所帶來(lái)的影響程序，可以通過(guò)Cortex-A9所占據(jù)的核心區(qū)域來(lái)了解。通過(guò)ARM公司在去年(2010年)的「CMP Conference」所進(jìn)行的演示，在使用TSMC 40nm工藝的雙核心Cortex-A9的核心面積約在6.7平方毫米，其頻率目標(biāo)為2GHz,1.9W，這里還包括了L1緩存和總線接口。
　　
　　順便介紹一下的是X86架構(gòu)雙指令Out-of-OrderBobcat核心基于40nm工藝時(shí)，單核心面積在5平方毫米以上，因此Cortex-A9核心的大小與X86核心相比的話就可以很明了了。
　　
　　因此可以估計(jì)如果采用三星45nm工藝的話，其面積會(huì)比TSMC 40nm要大，同時(shí)以1GHz頻率為目標(biāo)的A5 Cortex-A9核心可以推定已接近TSMC的電力設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。
　　

　　 Cortex-A9的特性

　　●GPU核心數(shù)量同樣翻倍
　　
　　iPad 2上GPU核心數(shù)量也由以前的1個(gè)變成了2個(gè)。GPU核心架構(gòu)為Imagination Technologies的PowerVR SGX5,不過(guò)根據(jù)介紹其性能同樣也提升了2倍以上。PowerVR SGX的晶體管數(shù)量提升是肯定的，因此其雙核心華對(duì)于A5的核心面積以及功耗影響也是很大的。
　　
　　PowerVR SGX架構(gòu)并不是SIMD(Single Instruction, Multiple Data)架構(gòu)，應(yīng)該說(shuō)其設(shè)計(jì)與NVIDIA架構(gòu)設(shè)計(jì)很相似，與AMD的VLIW(Very Long Instruction Word)架構(gòu)設(shè)計(jì)存在差異。
　　
　　當(dāng)前的PowerVR SGX架構(gòu)單個(gè)核心最多可擁有16個(gè)scalar處理器。一般認(rèn)為iPad的PowerVR Core最多核心數(shù)量同樣為16個(gè)，由于iPad 2 核心數(shù)量成為了2個(gè)，因此處理器數(shù)量也提升至32個(gè)。這個(gè)構(gòu)成其處理器數(shù)大大超過(guò)了Tegra 2(G70架構(gòu)1Vertex Shader+1Pixel Shader的構(gòu)成)。
　　
　　另外就是scalar處理器共計(jì)32個(gè)，這個(gè)數(shù)字與NVIDIA GF100系列Fermi建架構(gòu)的單個(gè)SM(Streaming Multiprocessor)相等。當(dāng)然實(shí)際的性能影響因素是多種多樣的。而且我們可以看到顯存帶來(lái)與核心頻率也有很大差異。在iPad 2發(fā)布的時(shí)候，蘋(píng)果CEO的Steve Jobs先生曾提到圖形性能將提升9倍的言論，這個(gè)數(shù)字的來(lái)源根據(jù)目前仍然不清楚。
　　
　　●因iPad/iPhone開(kāi)始繁榮的3D游戲
　　
　　iPad 2性能的提升，受益最大的當(dāng)然就是游戲。Apple的電腦產(chǎn)品每年都會(huì)進(jìn)行硬件的升級(jí)，對(duì)于電腦而言同樣也需要3D圖形性能的提升。去年在推出iPad 后，Epic Games和id Software的2大FPS(First Person Shooter)游戲廠商均為其量身定制了FPS游戲，包括有Epic Games旗下Chair Entertainment推出的「Infinity Blade」以及id Software的「RAGE HD」。
　　
　　總之，讓iPad/iPhone游戲發(fā)展就是要實(shí)現(xiàn)與PC游戲一樣的世代迭替，當(dāng)然其相關(guān)游戲的目標(biāo)并不僅僅只包括蘋(píng)果平臺(tái)，而是面向的更為廣泛的移動(dòng)平臺(tái)，支持撐其發(fā)展的就是每年移動(dòng)產(chǎn)品日益提升的性能。
　　
　　●NGP與iPad 2的對(duì)比
　　
　　從游戲的角度來(lái)審視iPad 2Apple A5構(gòu)成的話，以處理器數(shù)量來(lái)說(shuō)，其數(shù)量為索尼電腦娛樂(lè)(SCE)下代掌機(jī)「NGP(Next Generation Portable)」的一半。NGP將會(huì)基于四核心ARM Cortex-A9處理器核心，PowerVR SGX5核心。PowerVR核心將會(huì)由每個(gè)擁有16個(gè)scalar處理器核心組成，這樣總數(shù)量則達(dá)到了64個(gè)。
　　
　　根據(jù)推測(cè)，NGP最初配備的芯片將會(huì)基于45～40nm工藝，其目標(biāo)最終會(huì)提升至32～28nm。總之工藝的提升伴隨而來(lái)的就是成本的下降。NGP（PSP2）在設(shè)計(jì)的中途提升了核心數(shù)量，這應(yīng)該是由于工藝提升的原因。
　　
　　而這也意味著在進(jìn)入32～28nm時(shí)代之后，其它高性能便攜產(chǎn)品也將會(huì)配備四核GPU，而四核心GPU也將會(huì)帶來(lái)更高的圖形性能。實(shí)際上NVIDIA公司是計(jì)劃28nm工藝在第三代Tegra「Kal-El」上應(yīng)用，將ARM Cortex-A9提升至四核心設(shè)計(jì)，同時(shí)流處理器數(shù)量也會(huì)大幅提升。
　　
　　因此在這種多核心發(fā)展的背景下，除了生產(chǎn)工藝以外，多核心化也會(huì)成為CPU廠商的發(fā)展戰(zhàn)略。比如ARM的發(fā)展計(jì)劃為Cortex-A8→Cortex-A9→Cortex-A15，將會(huì)著重提升單線程和矢量處理性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多核心。
　　
　　

　　 Cortex-A9家族和目標(biāo)市場(chǎng)

　　●32nm～28nm時(shí)代四核心發(fā)展
　　
　　多核心化的發(fā)展由于同樣適合移動(dòng)產(chǎn)品，因此已經(jīng)成為業(yè)界的發(fā)展趨勢(shì)。而關(guān)于蘋(píng)果公司四核化的發(fā)展也在計(jì)劃中。如果通過(guò)45nm工藝實(shí)現(xiàn)雙ARM核心以及雙 PowerVR，這樣在實(shí)現(xiàn)的成本上會(huì)更加經(jīng)濟(jì)。而這也與之后32～28nm工藝下的四核心CPU和四核心GPU在經(jīng)濟(jì)線上實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)。從45nm升級(jí)至 32nm，相同的核心面積情況下晶體管數(shù)量將可提升約2倍。如果蘋(píng)果以A5相同的核心面積來(lái)設(shè)計(jì)A6，那么明年蘋(píng)果iPad將可能實(shí)現(xiàn)四核化。
　　
　　這里對(duì)于蘋(píng)果公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問(wèn)，這就是如何持續(xù)使用，iPad和iPhone目前都是使用的相同的處理器，將來(lái)是否還會(huì)如此呢？比如將來(lái)是否有可能iPad使用四核心處理器，而iPone使用雙核心處理器。這里將核心數(shù)量發(fā)展區(qū)分開(kāi)來(lái)是很有必要的，四核心處理器帶來(lái)的就是峰值功耗的提升。
　　
　　從實(shí)際情況而言，在運(yùn)行游戲的時(shí)候，功耗必然會(huì)提升。因此在核心數(shù)量翻倍的情況下，很有可能會(huì)出現(xiàn)峰值功耗提升的情況。在這個(gè)時(shí)候工作電壓與工藝沒(méi)有提升，而同時(shí)平板電腦的電池設(shè)計(jì)存在空間，而智能手機(jī)則沒(méi)有，因此兩種產(chǎn)品的核心提升采用不同的策略的可能性還是存在的。
　　
　　實(shí)際上CPU廠商也有采用不同發(fā)展策略的打算。比如ARM的Cortex-A15戰(zhàn)略中，智能手機(jī)產(chǎn)品就是1～2個(gè)核心，而平板電腦則采用2～4核心的建議。
　　

Cortex-A15的可擴(kuò)展性

　　如果這種想法得以實(shí)現(xiàn)，那么2012到2013年，平板電腦會(huì)使用四核心配置，而智能手機(jī)則主要使用雙核心設(shè)計(jì)。當(dāng)然產(chǎn)品低價(jià)化的趨勢(shì)將會(huì)越來(lái)越明顯，比如低價(jià)平板電腦和智能手機(jī)會(huì)分別采用雙核心和單核心處理器。當(dāng)然當(dāng)工藝進(jìn)一步提升至22～20nm時(shí)，四核心平板電腦和雙核心智能手機(jī)將會(huì)成為流行，而 iPad/iPhone發(fā)展也應(yīng)該也會(huì)跟隨這個(gè)趨勢(shì)。