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从A6X架构进化看未来苹果处理器发展

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移动设备的进化及发展障碍

通过自入秋之后推出的智能手机和平板电脑来看，明年移动设备将会获得更大的进步。而智能手机以及平板电脑市场上的竞争也将会变得更加激烈起来。不过这样的发展也还是会碰到障碍，比如处理器核心以及SoC(System on a Chip)的生产工艺问题，以及SoC芯片的内存数据带宽等。可以说这两个要素左右了智能手机和平板电脑的发展。同时处理器核心以及GPU核心的架构同样也是未来发展的关键。

今年秋季，智能手机与平板电脑一大看点就是苹果公司对产品的更新。苹果公司所用的移动SoC芯片之前一直都是交由三星公司负责代工，目前三星的生产工艺已经由45nm升级至32nm。在升至32nm之后，相同面积的核心将可以集成入更多的晶体管。

苹果公司第四代iPad所使用的A6X处理器的性能相当强大。这是一款双核心处理器，并集成了4个GPU核心。虽然似乎与第三代iPad所用的A5X相同，但是却有了很大的提升。首先就是A6X的CPU核心由之前的Cortex-A9 Core变成了新开发的Swift核心，这个核心是苹果公司收购了CPU设计公司P.A Semi之后新开发的核心。而GPU则由PowerVR SGX 543MP4升级为PowerVR SGX 554M。因此CPU单线程性能获得了长足提升，同时GPU性能也获得了倍增。

另外由工艺的提升，使得SoC的核心面积也变小了。根据Chipworks上公布的信息，A6X的核心面积约123平方毫米，与A5X 160平方毫米相比约为其3/4。这个核心面积与iPad 2 A5基本相当。

Mobile SoC核心尺寸发展图

苹果公司在推出第三代iPad仅半年后就立马推出第四代产品，其主要原因就是为了将已经变大的A5X处理器的核心面积尺寸重新变小。因此我们可以推测，苹果公司认为平板电脑使用的SoC芯片面积应该控制在120平方毫米左右。

A6X发展上的变化

可以说苹果公司每次工艺上的提升均会带来性能上的提升。不过如果仔细了解一下苹果SoC的发展历史的话，可以看到此次A6X的发展略有不同。如果拿iPad举例可以看到，苹果公司芯片性能的提升与内存带宽的提升基本上是联动的。

比如2010年推出的第一代iPad，使用的是A4 SoC，基于的是单核心Cortex-A8，GPU为PowerVR SGX535。内存接口为x64LPDDR。而2011年的iPad 2，使用的A5则变成了双核Cortex-A9和双核心的PowerVR 543MP2。这样CPU核心提升至双核心后，性能获得了提升。而GPU性能同样也获得了提升。同时内存也升级为x64LPDDR2，内存带宽同样也获得了倍增。

Apple Ax路线图

而在推出第3代iPad时，A5X CPU 内核则保持不变，GPU核心则升级为SGX 543MP4，同时内存接口也变成了LPDDR2x128。这样才使得2,048×1,536分辨率支持得以实现。而此次第四代iPad则通过A6X对处理器核心进行了性能提升，同时GPU提升为GX 554MP4，不过内存接口仍然保持128-bit。

第4代iPad使用的DRAM封装为尔必达「B4064B3MA-1D-F」。从尔必达命名规则可以了解到，开头字母「B」表示为DDR2移动RAM，下面的「40」封装使用的是4G-bit芯片。下面的「64」可以理解为X64封装，一般是2层芯片，也就是2个x32标准LPDDR2芯片x64封装。而「-1D」通常表示速度。比如第3代iPad上这个部分以「8D」表示内存传输带宽为800Mtps。因此可以了解到，第四代iPad的1D表示其内存带宽为1,066Mtps。这个参数与同样使用A6的iPhone 5一样。由于DRAM厂商在今年上半年就开始批量出货LPDDR2 1,066Mtps内存芯片，因此使得苹果公司能够获得足量的供货。

明年内存带宽继续发展

这样来看的话，第4代iPad在性能上相对于第3代产品性能同样获得了倍增，同时内存带宽的提升也达到了33%以上。总之通过工艺的提或，芯片内部的性能可以实现倍增，同时芯片外的性能也有可能同样倍增。目前x128内存接口已经开始在移动SoC上推广，而推广的主要困难就是成功，功耗以及芯片的面积。

从目前的趋势来看，移动DRAM正以每2年带宽提升2倍的速度进行发展。因此已经与芯片晶体管数量每2年提升2倍的步率保持了一致。目前三星公司就已经开始批量出货2们速LPDDR3内存芯片，并且已经在其出品的Nexus 10得到应用。

这里顺便介绍一下的是由于平板电脑在电池容量上要比智能手机富裕很多，因此也经常出现使用普通DDDR3内存替代DDR3L内存的情况。这样虽然会导致电池性能的下降，但是在成本控制以及性能方面均可以带来正面影响。但是苹果公司并没有这样做。如果明年PLDDR3内存开始批量出货，那么2013年智能手机和平板电脑将会全面升级至LPDDR3内存。同时LPDDR3内存明年的数据带宽也将会获得进一步提升，比如1600Mtps。而2014年时，2133Mtps LPDDR3也将会推出。

低功耗内存带宽路线图

因此如果今年主流产品是800～1,066Mtps LPDDR2，那么明年内存带宽将会获得1.5倍～2倍的提升。如果苹果继续使用x128接口，内存带宽将会达到25.6GB/sec。与A5X的12.8GB/sec比较的话，提升幅度达到了二倍。这个数字差不多达到了主流台式机双通道DDR3-1600的内存带宽，因此在这个方面的性能已经赶上了主流台式机的性能。

2013年将向28nm发展

TSMC代工的Qualcomm和NVIDIA等公司的SoC芯片，在今年将会开始由40nm向28nm工艺的发展。随着TSMC 28nm产能的增长，明年28nm产品将会成为主流。而且目前苹果公司旗下的芯片已经统一使用三星的32nm工艺。

目前三星公司已经在其产品路线图上加入了28nm的内存。实际上三星公司已计划在2013年2月的半导体会议ISSCC(IEEE International Solid-State Circuits Conference)上正式发布28nm工艺移动SoC。因此如果苹果公司继续选择三星代工，那么A系列SoC将很有可能会升级至28nm。

如果三星公司顺利得启动28nm，那么苹果公司芯片的发展也会像下图那样，一年时间里由32nm升至28nm。这样自2010年开始至2012年上半年开始的硬件进化模式将会因此而发生变化。

Apple Ax系列和iPhone/iPad的关系

其他移动SoC厂商也已在今年年中开始由40nm向28nm升级。而苹果公司在今年由45nm向32nm升级后，在明年则将会继续向28nm升级。不过这一点是建立在三星公司新工艺启动顺利，同时能够充分保证成品率的情况下。这一点目前还很难做出预测。下面是Intel、TSMC、GLOBALFOUNDRIES简单的产品路线图，可以看到三星与与GLOBALFOUNDRIES一样都在进行Common Platform的开发。