探讨苹果A17Pro最新CPU芯片

刘华东

目前苹果公司推出了A17Pro芯片，华为公司推出了9000S芯片，英特尔正在测试的CPU新品Intel Core i9-14900K ，都在更新CPU，都想提高手机类电子新产品的出货量，苹果公司差不多每年9月份都推出新的手机和CUP，华为公司被美国打压，这次花了几年时间，推出了9000S芯片意义重大，电脑应用和手机通信促进了CPU的进步，而CPU发展又引领手机技术的发展，目前CUP工艺上进展到3纳米左右了，主要靠增加核心数量来提高性能，同时增加存储器的容量，但是CPU和存储器的结构基本没有发生太大的变化，从CPU向外依次是各核心独享的一级数据缓存和一级指令缓存，独享的二级缓存，目前最大每核约8M容量，三级缓存是多核心共用，目前最大约36M容量，接下来是内存，目前最大约16G容量，再就是固态硬盘，目前手机上主流差不多用512G容量或者更高，台式机还可以用机械硬盘约4T，再往外数还有U盘和光驱等等，如图1所示，所以CPU很大部分功能和性能是靠存储器来提高的，一级数据和一级指令缓存看起来只有32K容量，他和CPU联系最紧密，工作频率可认为和CPU频率相当，作用相对最大，各级缓存主要用途是存放CPU运行过程中的数据和指令，目的是提高CPU的速度，实际上是最不能少的存储器。硬盘和U盘主要是掉电后还要保存数据，主要存放用户信息和数据，使用功能稍有不同，大家都知道用U盘保存脱机数据。

苹果在A17 Pro上使用了新的性能核和能效核，同样还是ARM版本，分别称为Everest和Sawtooth，芯片组代号为Crete。依然采用了6核心的CPU架构，其核心架构采用了两颗全新的超大核，四个小核，主频提升至了3.70GHz，作为对比目前A16 Bionic芯片的两颗超大核主频为3.46GHz，性能提高10%左右，不及之前的预期，如图2所示。2021年ARM推出了v9架构，当时有人认为Apple会在A16芯片支持v9指令集。但到最后A16支持ARM v8.6指令集。今年随着晶体管数量的增加到190亿，A17有可能支持ARM的v9指令集。Apple每一代A系列芯片，图形显示芯片GPU性能平均提高约20%左右。变化较大的是GPU的整体功能集。GPU部分也做出了较大升级，从A16 Bionic仿生芯片的5核心GPU，提升至了6核心GPU。并支持6GB或6GB以上的LPDDR5 DRAM动态随机存取存储器，这项提升GPU也是得了个平均数20%，并且增加了一些小的新功能，如可变光栅化率和GPU计算的SIMD改进，但苹果在光线跟踪加速等重要功能方面落后于桌面GPU多年。Apple热衷于研究机器学习和人工智能领域。虽然最近ChatGPT、Midjourney和Stable Diffusion等项目大火，Apple似乎隔岸观火，但该公司多年来一直在其操作系统和应用程序中使用人工智能和机器学习功能。一直在实现在照片中选择文本等功能，Apple为其神经网络引擎（机器学习任务的加速器）投入了大量资源。在A17Pro中，Apple似乎没有改变神经网络引擎。NPU仍然有16个内核，每秒从17万亿次运算增加到35TOPS，确比A16的神经网络引擎快一倍。这是一个较大的提升。随着3纳米工艺使更大的晶体管数量成为可能，神经网络引擎实现了重大提升。可以户提供更加智能的体验。A16芯片的RAM用上了LPDDR5标准，目前骁龙8Gen2已经用上了LPDDR5x，在使用相同功率的同时，可提升约33%的带宽和更低的内存延迟。苹果A17 Pro采用3.70GHz的主频发威，不但相比A16有了明显提升，甚至超越了苹果M2Ultra芯片。即便面对Intel的酷睿i9 14900KF变态的6GHz内存，单核性能仅落后12%左右。苹果公司最新研发的A17Pro芯片的可实现低功耗双倍数据速率。

据了解，苹果A17Pro是全球第一款采用3nm工艺的芯片，相比上代A16，这次的A17Pro处理器制造工艺新加入USB3控制器，首次支持USB 3.0规格，以前总在数据插头上标新立异，不合常规，使得苹果的数据线不能通用，这次总算和其他手机公司合群了，这次增加的独立的视频引擎与显示控制器，首次在芯片中原生支持AV1视频解码，但不支持编码。传输带宽20Gbps，配合新的USB-C接口更加方便，不过你需要单独使用支持20Gbps的数据线。从台积电4nm升级到台积电3nm，晶体管数量从160亿个增加到190亿个。GPU部分是变化最大的，不但核心数量从5个增加到6个，还进行了全新的架构设计，峰值性能提升20％，引入网格着色(Mesh Shading)，尤其是首次支持实时硬件级光线追踪，这就差不多追上了高通、联发科的脚步。苹果声称，A17Pro可以带来比其他任何智能手机都更快的光追性能，对比A15软件光追也提升了足足4倍。

如图1所示。与近年来不少新芯片的做法一样，苹果也在缓存上着手。一方面，苹果通过加大L1L2L3缓存容量提高性能，这是相对简单有效的方法，也是CPU升级的法宝之一。A17Pro的L1缓存为增加了，不过增加缓存的缺点是增大了芯片的面积和晶体管数量。另一方面，A17Pro的系统级缓存（SLC）好象减少了，A17Pro和A16 Bionic的CPU内核布局基本相同，且性能核和能效核相比上一代要更大一些。估计主要是频率和缓存容量提高的原因，和上一代A16 相比性能提高约10%有点不及预期。A17Pro的图形性能有了较为明显的提高，得益于GPU内核数量从五个增加到6个，由于线宽减少到3nm工艺，面积上基本没有什么变化，且放置在芯片几乎相同的位置。

英特尔测试的CPU新品Intel Core i9-14900K 有8个性能核 P-Core采取Raptor Lake s Refresh微架构，10nm工艺制造，主频3.2G，睿频 6G工作频率，和16个能效核，主频2.2G，睿频 4.4G工作频率，共计24 核 32 线程，每集群 L2 缓存提升至了32MB。L3 缓存提升至了36MB。基础功耗128W，最大睿频功耗253W;i，K系列处理器依旧使用了32EU 的 UHD770，与上代保持一致。DDR5内存的默认支持频率则升至 6400MT/s，同时支持 DDR5 内存。i9-14900K具有 8颗性能核以及16颗能效核，性能核一级数据Data缓存8*48K字节，12线程，一级指令缓存Inst有 8*32K字节，8线程，二级缓存8*2M字节，16线程，三级缓存36M字节，12线程，三级和二级的缓存总容量提升到了68MB，其中L3级缓存为36MB，相比12代酷睿还是提升了不少。16颗能效核一级数据Data缓存16*32K字节一级指令缓，插槽类型LGA 1700。估计马上就会发布了。当前发布的CPU都是在上一代芯片的基础上对线宽工艺进行了改进，并且把外围功能电路集成到芯片内部，沿用的升级方法没有大的变化，线宽的减小和频率的提高现在都遇到瓶颈，主要靠增加核数和缓存数量提高性能，增加模块集成提升功能。部分内容来自苹果发布会和网络。