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,真正懂門道的內行人更關注的問題是:A11 Bionic芯片背后的蘋果IC設計團隊,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

　　蘋果每一款產品內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 ) ,在蘋果公司內部的硬件技術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 等產品的中央處理器,都是在 Srouji 的帶領下完成設計的。 如果說喬納森(蘋果軟硬件產品的首席設計師)為眾多蘋果產品帶來了精致的外形設計,那么Srouji和他的團隊就是控制這些產品的“大腦”。

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

　　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和機器學習任務的議題,然當時,蘋果在架構芯片開發(fā)之際,已經押寶手機SoC內嵌Neural Engine(神經引擎)了。

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

　　要知道,包括AI在內的這些先進演算法,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絡連結。然而,iPhone X將AI技術導入手機里,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,因此設計了A11 Bionic處理器上的一對核心。

　“芯片設計的煩惱”

　　在芯片設計上,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,然后再決定到底是要據此改善、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芯片的效能表現以及部分技術上。蘋果全球行銷資深副總裁Phil Schiller形容A11 Bionic芯片可說是集設計、架構與技術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。在處理重量級任務時,使用性能核心;處理輕量級任務時,關閉性能核心,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,這意味著可以立刻運行1、2、3、4、5或6核心。

　　結構調整,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%。

　“神經引擎”的秘密

　　除了這些在A10 Fusion 核心數、性能升級之外,A11 Bionic 還重新設計了兩個全新的殺手锏:神經引擎(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?

　　Srouji表示,Neural Engine(神經引擎) 的開發(fā)可說是蘋果IC設計團隊對于優(yōu)化系統效率、永無止境追求的體現。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。

　　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)相關的物體偵測。

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

　　對于這種類神經網絡的程序模型來說,如果實現了通過針對該應用設計的專屬定制芯片,那在執(zhí)行完全相同的任務時,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,是其特殊運算任務中的幾項。

　　除此之外,蘋果不愿多做闡述了, 對這個神經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,自行為產品設計處理器,是它與競爭對手的最大區(qū)別之一。

　　由自家的工程師來設計處理器,蘋果可以完美的將硬件和軟件進行優(yōu)化和結合,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(通常叫系統芯片,即 soc)內部的元件里,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計師進行合作,一起為一些領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,“蘋果的芯片架構師是藝術家,工程師則是巫師。如果一位設計師說‘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,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果

　　根據Geekbench測試結果, A11 Bionic與 iOS、Android、PC平臺橫向對比

　　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

　　橫向對比來看,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