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公司 2010-6-22 13:21

苹果 A4 的剖析与猜测

By Paul Boldt, Don Scansen, Tim Whibley from EETimes | Echokou 译, Logout 校,转载请注明 ifanr.com 译文链接

苹果 A4 处理器的讨论始于 1 月 27 日,也就是乔布斯发布 iPad 的时候。当时乔布斯介绍说 iPad 采用了主频达 1GHz 的 A4 处理器。

关于 A4 的第一个问题是,是不是苹果在 2008 年 4 月收购的 PA Semi 所设计?然而对于全新的设计来说,似乎时间不够。Ars 的 Jon Stokes 写过一篇文章深入分析 A4 的 CPU-GPU 架构和 PA Semi 在其中扮演的角色(参考 ifanr 译文:A4 和 A8 —— iPad 大脑的秘密)。

3月底 iPad 发布,拆解和反向工程公司也随之展开了一些工作。一开始发现 CPU 是单核 ARM Cortex-A8,后来信息日趋详细,说是使用了 Intrinsity 的“蜂鸟(Hummingbird)”实现方法,采用“蜂鸟”的第一款芯片的相关报道出现在 2009 年 7 月,一个月后正式发布。(译注:这种设计可以将 Cotrex-A8 的主频提升到 1GHz。Intrinsity 与三星在这方面进行了合作)。

2010 年 4 月,苹果并购 Intrinsity 的消息确定后,Intrinsity 的名字在 A4 相关的讨论中就更常出现了,Mark Anderson 回顾了 Intrinsity 之前的一些情况。

目前的观点和分析能说明哪些问题?A4 究竟是完全不同的硬件,还是说只是早先芯片设计的进化版?

最近关于 A4 设计的讨论集中在这款 SoC 到底什么来头、CPU 处理能力如何,以及它是否吸取了 PA Semi 和 Intrinsity 的一些设计。简单的回答——A4 深受苹果之前合作伙伴三星的影响,在电路设计方面是进化而非革命。为验证这一说法,需要看看和 A4 密切相关的两款处理器的硬件设计——三星 S5PC110 和 iPhone 3GS 的应用处理器。

UBM TechInsights 发布的三星 S5PC110 和 A4 裸片逐一对比图中, 二者的 CPU 内核没有明显区别。TechInsights 随后引用了三星的新闻稿,指出芯片用了 ARM Cortex-A8 CPU 内核。根据这一发现,可以说两个 SoC 采用的 CPU 内核是一模一样的。换句话说,两款芯片所用的 Cortex-A8 CPU 的内核电路尺寸和排布由同一班人马所设计。

有些博客指出了三星 S5PC110 及其在三星 Galaxy Phone 和平板产品里所扮演的角色。三星新闻稿并没特别指出是“蜂鸟”设计,但所发布规格保守地指出了这种可能性。然而除时钟频率外,是否有物理上的证据表示这款 芯片是 Intrinsity 设计的?为了找到这问题的答案,我们来仔细看一下 A4。

A4 的 SoC 架构红外照片,图片来自 MuAnalysis

除之前已经公开发布的信息外,我们还对 A4 架构进行了显微拍照,通过对整个裸片的背面进行红外成像,拍摄了高分辨率的照片。通过照片我们看到 A4 里 Cortex 内核的标准单元排列成行,高度是 SoC 里其他逻辑电路构件的一半。由于 45nm 布局规则必然涵盖整块芯片,因此可以看出,芯片 CPU 内核部分和其他逻辑电路部分的设计思想明显不同。也就暗示着,除了裸片上随处可见的三星的标准单元库,A4 还增加了其他设计。是 Intrinsity 的痕迹吗?如果是,那 S5PC110 应该也包含了 Intrisity 的 IP。

前面提到的 UBM TechInsights 对比图片应该是迄今为止 A4 采用 ARM Cortex CPU 的最可靠证据,并指出这是三星 S5PC110 所用的 Cortex-A8。但 A4 毕竟是款 SoC,尽管 CPU 是设计的核心,但它也只是整个 SoC 上的一部分电路。逐个部分对比 A4 和 S5PC110,可以发现他们很相似,但有明显的区别。 数字电路部分的设计构件的数量一样,至少在 TechInsight 的裸片照片上来看是如此。模拟电路部分,两个裸片上有一些构件是完全一样的,但有一部分,三星用了两个电路设计而 A4 上只有一个,这说明确实有一些定制设计。

电路构件层的对比是理解 A4 功能的重要一步,但它揭示了苹果对 SoC 所做的哪些定制设计?苹果自行设计而非简单地采用标准芯片的最好理由是,它能借此舍去芯片厂商为满足大量产品制造商不同需求的那部分电路。如果可以采用复 杂度、尺寸和成本更低的定制芯片,干嘛还要用通用芯片?再说的明白点儿,这里谈论的并不是整体定制化的电路设计,而是从相同的独立 IP 设计构件中选择,挑更少的构件。苹果和三星芯片中 Cortex-A8 的 SoC 对比让我们更确信,苹果进行了定制设计,然后命名为 A4。

iPad 早期发布的时候,A4 相关讨论的围绕 iPad 进行。不算酒吧里发现的原型机,iPhone 4 上的 A4 是在 6 月 7 号的 WWDC 主题演讲上正式发布的。现在可以对 iPhone 4 和 3GS 的处理器做个对比。芯片层面的对比可以参考之前的一些信息,如 TechInsight 曾发布过经过去层处理到注入层或有源区的 3GS 裸片图,并将图片和 Chipworks 的裸片显微图做了比较,Chipworks 的图片最初也提供了 A4 结构平面布局的有用细节。

最简单也是最令人震惊的发现是,电路组成部分,从数量和类型上来说,差异几乎是难以分辨的。两款芯片的 ARM CPU 内核都占据了相当裸片面积相当高的比例,内核里包括一个面积较大的二级 SRAM 缓存和另外 10 个数字逻辑构件。A4 芯片尺寸更小一些,是51.8 mm2,而 Chipworks 的则是 72.2 mm2,但尺寸说明不 了设计上的问题,因为 A4 是 45nm 工艺下制造的。

虽然芯片架构非常相似,A4 和 3GS 处理器里,电路的面积分布则有明显的变化。

  • 主要电路构件之间未用的部分(由胶合逻辑电路和空白组成)面积几乎翻倍了(从 12% 到 21%)
  • 模拟电路增加了50%(而 工艺节点降低到 45nm 会少量降低逻辑电路所占面积)
  • ARM CPU 内核所占空间有一点点减少,但整个数字电路构件所占的裸片面积减少了 10%,内核 SRAM 的面积占到了内核部分面积的 60%
  • CPU 内核的 L2 缓存占据着 50% 的 macro area,而 3GS 上是 40%
  • CPU 内核整个 SRAM macro area 的尺寸更加显著,占了整个 CPU 电路面积的 60% 以上

A4 的 ARM Cortex-A8 内核 细节,图片来自 MuAnalysis

从芯片设计的角度来说,电路各部分所占芯片面积的变化并不算大。过渡到 45nm 以后本来就会有很大变动,从构件的角度来总结上述对比,可以说在结构布局方面没有整体改变。没错,A4 不一样,但也就是一两个构件有变化。然而和三星以 Cortex-A8 为内核的 SoC 像比,就算在一两个电路构件上有所不同,也可以确定地说 A4 是定制化设计的结果。同时还可以说这是一种进化而不是革命。

乔布斯介绍在发布会的 27 分 30 秒提到 A4 的时候,实际上暗示了这并不是苹果第一款定制化设计的芯片。“我们有一个很棒的团队进行芯片的定制化设计(We have an incredible group that does custom silicon at Apple)。” 他接着说 A4 是“我们所做过的最先进的芯片(our most advanced chip we’ve ever done)。”这也是对定制化芯片的暗示。

说回苹果的收购,更有说服力的证据是 Intrinsity 设计的基于 ARM Cortex-A8 的内核,这和目前三星与 Intrinsity 的关系紧密相关——看看收购时间就知道。在 Intrinsity 被收购后,Intrinsity 重新设计的 Cortex-A9 就再未出现过,只有苹果能用 Intrinsity 的多核产品。

PA Semi 呢?A4 看上去受 PA Semi 的影响不大,起码从芯片的设计构件来看是如此。PA Semi 的部分芯片设计工程师肯定参与了 A4 的工作,但肯定不是整个 CPU 设计的工作。PA Semi 团队在芯片其他部分由参与,只是利用了复杂 SoC 设计方面的专长。乔布斯说 PA Semi 收购是苹果产品差异化策略的一部分,但如果要推出一款真正有差异的 CPU 内核,前路还很漫长。AnandTech 在一篇关于苹果历史策略和产品差异化的文章中也提到了这点。为了说清楚点儿,可以再仔细看看 Ars 那篇关于 A4 的文章,提到了好几个可能的设计方向。

除了提供标准 CPU 的优化版本,A4 现在对苹果的策略而言越来越重要,它不仅出现在 iPhone 上,9 月即将发布的 iPod Touch 肯定也会用 A4,更别说未来 iOS 的其他产品了。所有关于 CPU 的讨论中,很容易忽视的一点是,A4 既不是集成芯片生产设计公司的产物也不是无晶圆厂设计公司的产物。它是 OEM 厂商的产物。苹果的 A4 只满足自有产品的需要,而最终的 OEM 也通过生产苹果的产品有利可图。完整分析的话,就要站在芯片以外整个产品的角度考虑,包括高效的操作系统、苹果扩张到芯片设计的策略在商业方面和 IP 方面的影响、推出一款不是完全重新设计而是进行定制化改进的芯片的原因。苹果不是第一个这样做的公司。

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