Cortex-A9双核旗舰苹果A5处理器探秘-泡泡网

Cortex-A9双核旗舰苹果A5处理器探秘

2011年03月22日 04:00作者：白涛编辑：白涛文章出处：泡泡网原创

泡泡网平板电脑频道3月22日今天在impress.co.jp网站上看到了一篇关于A5处理器的探秘文章，全面解析了苹果的A5处理器。笔者整理之后，将这篇文章献给广大的读者。

苹果是引领着时代的潮流，iPad2的推出引来了全世界的关注。iPad2采用了全新的苹果A5处理器，乔布斯放言A5比A4的计算性能提升了2倍，图形处理能力提升了9倍，同时产品重量下降，厚度减少了3成，从而实现了产品的轻薄化以及性能的提升。

从iPad升级至iPad2，首先就是CPU由单核心ARM Cortex-A8变成了双核心ARM Cortex-A9。除了CPU核心数量提升了2倍以外，每个核心的容许量也2倍以上的性能提升。根据ARM公司的介绍，Cortex-A8频率性能为2 DMIPS (Dhrystone MIPS)/MHz，而Cortex-A9为2.5 DMIPS/MHz。

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A4处理器将成为过去

至于CPU架构也发生变化的原因只有一个，这就是Cortex-A8只支持单核心设计，因此如果不想开发特殊的总线，同时又想获得相同的性能，因此可以选择的方案也只有Cortex-A9。Cortex-A9最大可支持四核心设计，并且同样支持AMBA 3 AXI协议。

ARM Cortex-A架构

苹果A5处理器探秘

A8不支持多核

苹果A4处理器最开始是专门为iPad设计的，后来才被应用到iPod touch 4和iPhone 4上。虽然同样是A4处理器，但是在iPad上的A4处理器主频为1GHz，而iPhone 4上仅为800MHz。

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苹果公司将第一代iPad的A4处理器由三星公司代工，而A5则变成了台积电。这听说主要是由于三星公司已经成为苹果公司智能手机和平板电脑最强有力的竞争者。

A5处理器编号：APL0498E01

至于生产工艺，大致推测A5处理器所用的为45nm制程，A4处理器编号为：APL0398B01，而A5处理器编号为：APL0498E01。UBM TechInsights采用了光学放大与扫描电子显微镜结合的方法分析了两款处理器的异同之处，涉及的项目包括metal1互联层节距，逻辑/SRAM电路用晶体管结构，核心封装方式等等，并将A5的有关测试数据与三星其它45nm产品进行了对比。

A4处理器与A5处理器的区别

根据市场调研公司iSuppli于3月13日发布的报道《iPad 2 Carries Bill of Materials of $326.60, IHS iSuppli Teardown Analysis Shows》一文，苹果A5芯片的成本相对于A4提升了约75％。如果核心面积提升2倍的话，那么这种程序的成本提升也是与猜测相对应的。因此A4升级至A5，核心尺寸的增加也是可以理解的。

A5处理器核心平面图

不过iSuppli估计A5芯片的成本大约为14美元。因此虽然核心面积的增加(A4 53平方毫米、A5 122平方毫米)，导致了成本的增加，但是其带来的影响并不大，其影响甚至还不如功耗变化的影响大。

Cortex-A9硬宏实现

另外根据IO Snoops的分析，苹果A4处理器的工作频率固定在1GHz，而A5处理器则可以随当前运行的应用程序而改变运行频率。UBM TechInsights表示，这显示A5处理器采用了比A4更优秀的电源管理电路设计，而这也是A5相对A4的重要区别之一。这个区别的另外一个佐证是iPad2上所使用了由Dialog Semiconductor制造的电源管理IC芯片，这款芯片的型号也与A4所用的芯片有所区别。所以在性能大幅度的提升下，功耗得到了合理的控制。

除了核心数量提升了2倍，A5 Cortex-A9 CPU架构也出现了变化。Cortex-A8采用的是双指令解码管线，程序指令采用的是In-Order执行（即顺序执行，只能按固定的优先级处理，处理速度较慢）。如果以Intel CPU对比，差不多相当于其Pentium时代产品。而Cortex-A9虽然同样采用的是双指令解码，但是其指令执行顺序为Out-of-Order（乱序执行，可以多任务并行执行，最大限度发挥处理器的效能，处理速度快），容许量方面相差25％。

Cortex-A9流程图

这个所带来的影响程序，可以通过Cortex-A9所占据的核心区域来了解。通过ARM公司在去年(2010年)的“CMP Conference”所进行的演示，在使用台积电 40nm工艺的双核心Cortex-A9的核心面积约在6.7平方毫米，其频率目标为2GHz，1.9W功耗，这里还包括了L1缓存和总线接口。

苹果A5处理器探秘

顺便介绍一下的是X86架构双指令Out-of-Order Bobcat核心基于40nm工艺时，单核心面积在5平方毫米以上，因此Cortex-A9双核要比双核的X86芯片面积小很多。

Cortex-A9新特性

因此可以估计如果采用三星45nm工艺的话，其面积会比台积电40nm要大。同时以1GHz频率为目标的A5 Cortex-A9核心，为了保证10小时的续航时间，台积电已经拿出最好的电力控制方案了。而我们拿到的iPad2的核心处理器主频被锁定在了900MHz，可见在性能和功耗方面想两全还是太困难了。

iPad2上GPU核心数量也由以前的1个变成了2个。GPU核心架构为Imagination Technologies的PowerVR SGX543MP2,不过根据介绍其性能同样也提升了2倍以上。PowerVR SGX的晶体管数量提升是肯定的，因此其双核心华对于A5的核心面积以及功耗影响也是很大的。下面我们来看一段SGX543MP2开发机和SGX540的对比测试画面吧，左为SGX543MP2开发机，右为采用SGX540的Nexus S。

采用的测试程序为Futuremark的Tai Chi（太极），从测试的影片中，我们能明显看出左侧开发机的流畅度和光影效果要强于右侧的Nexus S。未来索尼NGP将会采用PowerVR SGX543MP4+，图形处理能力比起现在展示的双核GPU SGX543MP2提升会更多。

游戏画面差距明显（左为iPad一代、右为iPad2）

PowerVR SGX架构并不是SIMD(Single Instruction, Multiple Data)架构，应该说其设计与NVIDIA架构设计很相似，与AMD的VLIW(Very Long Instruction Word)架构设计存在差异。

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Tegra 2将作何回应

当前的PowerVR SGX架构单个核心最多可拥有16个scalar处理器。一般认为iPad的PowerVR Core最多核心数量同样为16个，由于iPad2核心数量成为了2个，因此处理器数量也提升至32个。这个构成其处理器数大大超过了Tegra 2(G70架构1Vertex Shader+1Pixel Shader的构成)。

另外就是scalar处理器共计32个，这个数字与NVIDIA GF100系列Fermi建架构的单个SM(Streaming Multiprocessor)相等。当然实际的性能影响因素是多种多样的，比如说显存带宽啊，GPU主频等等。在iPad2发布的时候，乔布斯提到图形性能将提升9倍的言论，这个数字的来源根据目前仍然不清楚。

iPad2性能的提升，受益最大的当然就是游戏。Apple的电脑产品每年都会进行硬件的升级，对于电脑而言同样也需要3D图形性能的提升。去年在推出iPad后，Epic Games和id Software的2大FPS(First Person Shooter)游戏厂商均为其量身定制了FPS游戏，包括有Epic Games旗下Chair Entertainment推出的《Infinity Blade》以及id Software的《RAGE HD》。

我们不能说未来的游戏市场就会被苹果的iPad和iPhone所主宰，但是在掌上设备中，确实是从iOS平台上风靡起来的。在iPhone正式采用A4处理器之后，大量的游戏开始扎堆推出，而且画面也有了质的提升。相信在A5推出之后，更多更绚丽的游戏也会接踵而至的。

从游戏的角度来审视A5构成的话，以处理器数量来说，其数量为索尼电脑娱乐(SCE)下代掌机「NGP(Next Generation Portable)」的一半。NGP将会基于四核心ARM Cortex-A9处理器核心，PowerVR SGX543MP4+核心。PowerVR核心将会由每个拥有16个scalar处理器核心组成，这样总数量则达到了64个。

索尼NGP圆润的外形

根据推测，NGP最初配备的芯片将会基于45～40nm工艺，其目标最终会提升至32～28nm。总之工艺的提升伴随而来的就是成本的下降。

新增的背触面板很吸引人

而这也意味着在进入32～28nm时代之后，其它高性能便携产品也将会配备四核GPU，而四核心GPU也将会带来更高的图形性能。实际上NVIDIA公司是计划28nm工艺在第三代Tegra Kal-El上应用，将ARM Cortex-A9提升至四核心设计，同时流处理器数量也会大幅提升。

Cortex-A系列定位

因此在这种多核心发展的背景下，除了生产工艺以外，多核心化也会成为CPU厂商的发展战略。比如ARM的发展计划为Cortex-A8→Cortex-A9→Cortex-A15，将会着重提升单线程和矢量处理性能，同时实现多核心。

多核心化的发展由于同样适合移动产品，因此已经成为业界的发展趋势。而关于苹果公司四核化的发展也在计划中。如果通过45nm工艺实现双ARM核心以及双PowerVR，这样在实现的成本上会更加经济。而这也与之后32～28nm工艺下的四核心CPU和四核心GPU在经济线上实现对称。从45nm升级至32nm，相同的核心面积情况下晶体管数量将可提升约2倍。如果苹果以A5相同的核心面积来设计A6，那么明年苹果iPad将可能实现四核化。

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四核化会出现在iPhone 5上吗

这里对于苹果公司的产品战略会产生一个疑问，这就是如何持续使用，iPad和iPhone目前都是使用的相同的处理器，将来是否还会如此呢？比如将来是否有可能iPad使用四核心处理器，而iPone使用双核心处理器。这里将核心数量发展区分开来是很有必要的，四核心处理器带来的就是峰值功耗的提升。

A15架构

从实际情况而言，在运行游戏的时候，功耗必然会提升。因此在核心数量翻倍的情况下，很有可能会出现峰值功耗提升的情况。在这个时候工作电压与工艺没有提升，而同时平板电脑的电池设计存在空间，而智能手机则没有，因此两种产品的核心提升采用不同的策略的可能性还是存在的。

实际上CPU厂商也有采用不同发展策略的打算。比如ARM的Cortex-A15战略中，智能手机产品就是1～2个核心，而平板电脑则采用2～4核心的建议。

Cortex-A15的可扩展性

如果这种想法得以实现，那么2012到2013年，平板电脑会使用四核心配置，而智能手机则主要使用双核心设计。当然产品低价化的趋势将会越来越明显，比如低价平板电脑和智能手机会分别采用双核心和单核心处理器。当然当工艺进一步提升至22～20nm时，四核心平板电脑和双核心智能手机将会成为流行，而iPad/iPhone发展也应该也会跟随这个趋势。

以上就是impress.co.jp网站对A5处理器的全解析了。相信再看完这篇文章之后，大家都对A5处理器也都有了一定的了解。A5处理器在性能上绝对是优于A4处理器的，但是还没有达到能够统领掌上数码设备的地步，因为在它前面还有索尼NGP。

iPad2（A5）对整个业界的影响远远没有达到iPad一代（A4）的水平，只是硬性上的提升。相信现在抢购iPad2的用户都是图iPad2更加轻薄，而且价格便宜（和iPad一代售价相同）。乔布斯之所以没有提高售价，也证明他心虚，iPad2或许就是传说中的过渡产品。

对于已经有了iPad一代的朋友，大可不必去买iPad2。没有iPad一代的朋友，尽量还是买iPad一代吧，当然是还有卖的时候，一代全部售完的话，就坐等iPad2降价吧，而且尽量等行货版上市。

笔者的游戏选择

对于索尼NGP，笔者还是寄予了厚望的。买iPad的大部分朋友应该都是用来玩游戏，或者阅读。与其买个“畸形”的游戏机，不如买NGP这样的真掌机，游戏体验肯定还是有所差别的。

苹果A5处理器探秘

买iPad2的决定权还是在消费者手中的，买之前一定要视自己的需求而定。总结起来，A5是非常强悍的，但是未来的路也并不好走。NVIDIA已经宣布了四核心架构，而索尼NGP的CPU和GPU都是四核心，这让刚刚出世的A5处理器面临着巨大的压力。■

[文章来源] cnBeta.com
[原文来源] impress.co.jp

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