苹果芯片为什么这么强？芯片背后的男人

　　在iPhone X发布不久,华为就在Facebook上分享一段广告视频,diss苹果Face ID毫无用处。

　　在广告视频中,华为使用小丑emoji形象,并以动画的表现形式,模拟人脸识别解锁手机的过程,最终解锁失败,暗示并不是所有人都适合面部识别。

　　没过几天,华为移动又通过其官方Twitter分享了另一个Gif图片,图片中一只苹果被啃食殆尽。

　　小动作不断的华为,接连“呛声”苹果。此举无疑是为内置AI芯片的麒麟970处理器加戏码。事实上,华为将在10月16日发布“真正的AI手机”Mate10。

　　当然,以十周年纪念版为噱头的 iPhone X并不脆弱。有了强力“大脑”A11 Bionic 坐镇,它飙起来,恐怕连 iPad Pro 上的 A10X 都要退避三舍。

　　在长达2小时的苹果发布会里最令人印象深刻的就是这款十周年纪念版iPhone X了。但如果离开了A11 Bionic CPU芯片,iPhone X剩下的恐怕徒具外型。如果A11 Bionic背后没有一支疯狂、专注的芯片开发团队,它也将是一块不足挂齿的芯片。

　　所以,真正懂门道的内行人更关注的问题是:A11 Bionic芯片背后的苹果IC设计团队,究竟是如何打造出这颗带动iPhone X手机的动力引擎出来的?

　　今天我们就来聊一聊苹果新一代移动处理器, A11 Bionic 芯片开发背后的故事。

　　从3年前的一场赌注说起

　　苹果每一款产品内部都装着一颗主宰一切的“大脑”,你所使用的任何应用都要经过它的处理。事实上,这枚小小的芯片,是一门在指尖打造出一座城市的手艺。

　　▲ 苹果IC设计团队总监、硬件科技资深副总裁Johny Srouji

　　在苹果芯片世界,有一位幕后操刀手,或许你从未听说过,但他的重要性却不容置疑,甚至不逊色于任何一位苹果高管。

　　他的名字叫约翰尼斯洛基( Johny Srouji ) ,在苹果公司内部的硬件技术部门担任高级副总裁,掌管苹果的处理芯片团队。

　　也就是说,iPhone、iPad、Apple TV、Apple Watch 等产品的中央处理器,都是在 Srouji 的带领下完成设计的。 如果说乔纳森(苹果软硬件产品的首席设计师)为众多苹果产品带来了精致的外形设计,那么Srouji和他的团队就是控制这些产品的“大脑”。

　　自从在 2008 年加入苹果公司之后,Srouji 一直都保持着低调。但随着苹果芯片的信息逐渐为外人所知,这位技术天才也开始出现在聚光灯之下了。

　　美国知名科技博客 Mashable在苹果发布会后24小时邀请到苹果IC设计团队总监、硬件科技资深副总裁Johny Srouji一揭A11 Bionic芯片的开发背后的秘密。

　　▲ 苹果 A11 Bionic 芯片

　　在被问到 A11Bionic 芯片是何时开始着手开发的?Srouji给出的答案令人咋舌。他表示,苹果着手架构芯片,一般从3年前就开始。这意味着A11 Bionic芯片早在2014年间就进行开发工作了,而当时苹果还忙着出货内建A8芯片的iPhone 6。

　　值得注意的是,2014年时,少有在手机层次上讨论AI和机器学习任务的议题,然当时,苹果在架构芯片开发之际,已经押宝手机SoC内嵌Neural Engine(神经引擎)了。

　　为什么说苹果早在3年前就押宝iPhone手机SoC内嵌神经引擎、用来执行AI运算任务,这件事让人另眼相看?

　　要知道,包括AI在内的这些先进演算法,例如Siri,通常系在云端上执行高阶演算,因此,在用户端便需要有网络连结。然而,iPhone X将AI技术导入手机里,显然是想避免把用户个人资料送出手机、送到云端,但iPhone X的AI应用如果想要在手机层次、而非云端层次上执行的话,这也可以解释对于强大运算芯片的需求,因此设计了A11 Bionic处理器上的一对核心。

　“芯片设计的烦恼”

　　在芯片设计上,苹果一直有它独有的思路。

　　陪同受访的苹果全球行销资深副总裁Phil Schiller一语道破了苹果对于iPhone手机开发过程中对于芯片的重视:对苹果来说,芯片开发可说是iPhone打造过程中必经之路的一部分,绝不是像乐高积木似的可以随便外购,然后堆叠而成。

　　那么,苹果芯片更新迭代规律又是怎样的呢?

　　关于芯片研究,苹果从A4到A11的开发过程中,其实并非每一次都是从零开始的。苹果在开发每一代的芯片时,都会先检视前一代的架构,然后再决定到底是要据此改善、还是重新开始。

　　▲ A11 Bionic 芯片 两个更新的性能核心

　　以A11 Bionic为例,可说是基于A10 Fusion芯片的效能表现以及部分技术上。苹果全球行销资深副总裁Phil Schiller形容A11 Bionic芯片可说是集设计、架构与技术改变于一身的混合体,有些地方是全新的,有些地方则是对于既有处理器设计的更新。

　　A10 Fusion,是一个四核处理器,两颗性能核心,两颗能效核心。在处理重量级任务时,使用性能核心;处理轻量级任务时,关闭性能核心,使用能效核心,减少电池消耗。

　　A11 Bionic 继续沿用这个思路。不同的是,iPhone X处理器第一次采用了六核心,其中两颗为高性能核心,四颗高效能核心。

　　如此来看,先前导入到A10 Fusion芯片的高功能与高效能核心,也获得了换代更新,包括多了2个核心,以及可以进行非对称多重处理(asymmetric multi-processing)任务,这意味着可以立刻运行1、2、3、4、5或6核心。

　　结构调整,带来的效益是: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%,而多核同时工作性能提升高达 70%。

　“神经引擎”的秘密

　　除了这些在A10 Fusion 核心数、性能升级之外,A11 Bionic 还重新设计了两个全新的杀手锏:神经引擎(Neural Engine)和图形引擎(Graphics Engine)。

　　▲ Srouji (左二)和库克在以色列与苹果员工在一起

　　以前,苹果一直在用第三方GPU。本次在A11 Bionic上,苹果做了首款自己设计完成的GPU。至于,苹果为何选择自主研发芯片来执行AI任务?

　　Srouji表示,Neural Engine(神经引擎) 的开发可说是苹果IC设计团队对于优化系统效率、永无止境追求的体现。这对双核引擎能认出人、地点、物体,还能以每秒6000亿次的速度处理机器学习任务。

　　但对于部分应用程序或软件而言,有些算法可以更好利用函数程式模型(functional programming model)。这其中也包括了iPhone X最新的脸部追踪和Face ID,以及扩增实境(AR)相关的物体侦测。

　　这些功能都要用到神经网路、机器学习或是深度学习等。这种类神经处理可以 在CPU上运行,若能在GPU上处理则更佳。

　　对于这种类神经网络的程序模型来说,如果实现了通过针对该应用设计的专属定制芯片,那在执行完全相同的任务时,将比普通图形引擎更节能。而苹果是如何做到呢?

　　Srouji进一步指出,Neural Engine的秘密在于其能够进行矩阵乘法(matrix multiplications)以及浮点处理(floating-point processing)。

　　A11 Bionic 里的Neural Engine只进行专门的一些任务处理而已,并不进行通用化用途。Schiller在旁补充道,脸部识别、AR物件侦测以及在即时状态下进行生动表情符号(Animoji)脸部追踪等,是其特殊运算任务中的几项。

　　除此之外,苹果不愿多做阐述了, 对这个神经引擎不愿透露更多细节。

　　▲ 在苹果的一个秘密实验室中展开的对芯片耐久性的测试

　　毕竟,一贯嗅觉敏感的苹果,自行为产品设计处理器,是它与竞争对手的最大区别之一。

　　由自家的工程师来设计处理器,苹果可以完美的将硬件和软件进行优化和结合,同时还可以对处理速度以及电池续航能力进行掌控。比如,在芯片(通常叫系统芯片,即 soc)内部的元件里,包含有一种图像信号处理器以及储存控制器,可以让苹果为拍照以及储存照片设计功能,就像 iphone 5s 带有的连拍模式(burst mode)。

　　自主芯片研发还为苹果带来一项收益, 苹果的工程师可以与设计师进行合作,一起为一些领先几年的新功能进行保密,而不必提前去通知芯片厂商尤其是三星,因为他们是苹果最主要的芯片代工厂商。

　　毫无疑问,芯片对苹果的重要性,而 Srouji 却是在这家全球最能赚钱的公司里掌握着可能是最重要的部门。

　　▲ A11 Bionic 芯片上自主研发GPU

　　自主设计半导体是相当冒险的决定。这种大约仅有邮票大小的微处理器是所有计算机设备中最重要的部件,但 Srouji 却说这项研究很有趣,“苹果的芯片架构师是艺术家,工程师则是巫师。如果一位设计师说‘这很难’,我就会首先想到,只要存在理论上的可能性,就算是很难也是可以实现的。”

　　Srouji 是以色列人,加入苹果之前曾为英特尔和 ibm 工作,他体格强壮,为人热情,会说一口流利的阿拉伯语、希伯来语和法语,他的英语带有一点口音。如果有哪个项目与苹果相关,Srouji 的态度一向都是“困难才是正确的,因为简单代表着浪费时间”。

　　-END-

　　结束了吗?

　　对待苹果一定要有 One more thing

　　苹果A11 Bionic 到底有多强?附上暴力跑分测试结果

　　根据Geekbench测试结果, A11 Bionic与 iOS、Android、PC平台横向对比

　　iOS 跑分排行榜

　　从成绩来看,A11 Bionic 处理器的单核成绩最高达到了 4195 分,多核心成绩超过 10000 分。不仅超越 A10 Fusion,连 iPad Pro 上的 A10 X Fusion 也给秒了。

　　Android集体跪了

　　横向对比来看,Android 阵营最强的三星 Galaxy S8、Note 8 上搭载的 Exynos 8895,单核心成绩只有 1965 分,而多核心成绩不过 6494 分。显然,苹果 A11 Bionic 再一次吊打 Android 阵营,而且在多核心的成绩上实现了大幅度的超越。

　　▲ Android 多核心成绩排名

　　与PC平台对比

　　PC 平台来看,Intel Core i3-7350K 单核跑分最高(4.2GHz),达到 6022 分;多核心性能,Intel Core i9-7900X 目前最高(3.3GHz,10 核心),达到 33622 分。按分值片面计算,A11 的多核性能相当于 Core i9-7900X 的三分之一。单核性能相当于 Core i3-7350K 的 70%。

　　▲ PC 平台单核心成绩排名