Intel AMD Apple Qualcomm MediaTek Эльбрус

Apple

Производитель высокоэффективных процессоров только для собственных устройств

Apple Silicon

Apple Silicon (ранее Apple Ax) — серия систем на кристалле (СнК, SoC), используемых в компьютерных устройствах компании Apple: мобильных (iPhone, iPad, iPod, Apple Watch), телевизионной приставке Apple TV и компьютерах Mac. В этих системах используются микропроцессорные ядра с архитектурой ARM. Старший вице-президент Apple Inc по аппаратным технологиям Джони Сруджи с 2008 года возглавляет разработку и проектирование микропроцессоров серии Apple Ax. C 10 ноября 2020 года компания Apple начала переход на процессоры Apple Silicon вместо использования ЦП компании Intel в компьютерах Mac. Изначально


Apple A4

Apple A4 является микросборкой типа package on package (PoP), разработанной Apple и производящейся компанией Samsung. В основе чипа лежит микропроцессорное ядро общего назначения ARM Cortex-A8 и графический сопроцессор PowerVR. A4 был представлен публике в 2010 году как основной процессор планшетного компьютера Apple iPad; позже также был использован в смартфоне iPhone 4, четвёртом поколении музыкальных плееров iPod Touch и во втором поколении Apple TV. Во втором поколении планшетов iPad, выпущенных в следующем году, чип был заменен на Apple A5. Первая версия работала на частоте 1 ГГц (в iPad) и содержала ядро ARM Cortex-A8 вместе с GPU PowerVR SGX 535, изготовлялась на 45-нм техпроцессе Samsung. При установке в iPhone 4 и iPod Touch (четвертого поколения) тактовая частота была снижена до 800 МГц; тактовая частота чипа, использованного в Apple TV не уточнялась. Считается, что производительность ядра Cortex-A8, примененного в A4, была увеличена компанией Intrinsity (которая в апреле 2010 года была приобретена Apple за 120 миллионов долларов США) в сотрудничестве с Samsung. Полученное ядро, названное «Samsung Hummingbird», может работать на значительно более высоких тактовых частотах, чем другие реализации Cortex-A8, оставаясь при этом полностью совместимым. Среди других улучшений стоит отметить увеличенный кэш L2. Такое же ядро Cortex-A8 использовалось в СнК Samsung S5PC110A01. Видеоускоритель SGX535 в A4 потенциально может обрабатывать 35 миллионов полигонов в секунду и 500 миллионов пикселей в секунду. Кристалл процессора A4 не содержит оперативной памяти, но может использоваться в микросборках PoP. В iPad и iPod Touch 4го поколения и в Apple TV 2го поколения на процессор установлено два кристалла памяти DDR SDRAM с малым энергопотреблением объёмом в 128 мегабайт каждый (256 мегабайт всего). В iPhone 4 использовалось два кристалла по 256 МБ (всего 512 МБ). Оперативная память подключалась к процессору по 64-разрядной шине ARM AMBA 3 AXI. Новая шина имеет в два раза большую ширину, чем шины, использовавшиеся ранее в основанных на ARM 11 и ARM 9 устройствах Apple. Это потребовалось из-за более высоких требований графики в iPad.


Apple A5

Apple A5 представляет собой микросборку package on package (PoP), разработанную Apple и производимую Samsung. Процессор был представлен как часть планшетного компьютера iPad 2 в марте 2011 года, а затем смартфона iPhone 4S. (Последовательность обновлений совпала с таковой для A4: сначала в iPad, затем в iPhone 4 и потом в iPod touch). Процессор A5 содержит два ядра ARM Cortex-A9 с поддержкой SIMD-расширений NEON, и двухъядерный графический ускоритель PowerVR SGX543MP2, с производительностью 70-80 миллионов полигонов в секунду и темпом заливки пикселей в 2 миллиарда в секунду. Apple указала тактовую частоту A5 в 1 ГГц на странице технических спецификаций iPad 2, хотя возможная динамическая подстройка частоты для экономии заряда батареи. Процессор, использованный в iPhone 4S работает на частоте 800 МГц. Apple объявила, что процессор A5 в два раза более производителен чем A4, и что встроенный графический ускоритель имеет до 9 раз более высокую производительность. Микросборка A5 содержит 512 мегабайт оперативной памяти LPDDR2. Стоимость процессоров A5 на момент начала производства оценивается на 75 % выше стоимости A4. Изначально производился по техпроцессу 45 нм (модель S5L8940). Объявленные 7 марта 2012 года Apple TV третьего поколения и обновленная версия iPad 2 (обозначаемая iPad2,4) содержат более новую 32 нм модель процессора A5. Одно из ядер чипа отключено в Apple TV. На корпусе процессора имеется метка APL2498, в программном обеспечении чип имеет обозначение S5L8942. Вариант на 32 нм позволяет на 15 % дольше использовать веб-браузер, на 30 % дольше играть в 3D игры и примерно на 20 % дольше просматривать видео от одного заряда батареи, по сравнению с 45-нм моделью. Также была разработана улучшенная версия Apple A5X, имеющая больше ядер на борту и более высокую пропускную частоту.


Apple A6

Процессор Apple A6 был анонсирован 12 сентября 2012 года, одновременно с iPhone 5. Он имеет на 22 % меньшую площадь кристалла, в два раза более быстрый графический ускоритель и потребляет меньше энергии, чем 45-нм Apple A5. Процессор использует модифицированный набор команд ARMv7s, и это означает, что процессорное ядро является не лицензируемым ядром ARM, а собственной разработкой, сходной с ARM Cortex; аналогичные ядра проектирует Qualcomm (СнК Snapdragon, ядро Krait). Поддержка расширений VFPv4 позволяет предположить что процессорное ядро относится к классу Cortex-A15. Графический ускоритель — трёхъядерный PowerVR SGX543MP3 на частоте 266 МГц. Также была разработана улучшенная версия Apple A6X, имеющая больше ядер на борту и более высокую пропускную частоту.


Другие, более инновационные процессоры

    • Apple A7 — был представлен 10 сентября 2013, вместе с iPhone 5S и является первым 64-битным мобильным процессором на ARM архитектуре. Система команд ARMv8
    • Apple A8 — был представлен 9 сентября 2014, вместе с iPhone 6 и является очередным 64-битным мобильным процессором на ARM архитектуре. Система команд ARMv8.
    • Apple A9 — был представлен в сентябре 2015 года вместе с iPhone 6s/iPhone 6s Plus. Позже использовался в iPad (5-го поколения) и iPhone SE. Производился в двух вариантах — по техпроцессу 14 нм FinFET Samsung и 16 нм FinFET TSMC. Содержит 2 процессорных ядра с 64-битной архитектурой ARMv8-A, микроархитектурой Twister.
    • Apple A10 Fusion — был представлен 7 сентября 2016 года вместе с iPhone 7/iPhone 7 Plus. Также позже начал использоваться в iPad (6-го поколения) и iPad (7-го поколения). В нём используется 4 процессорных ядра, два из которых являются высокопроизводительными, другие два — энергоэффективными. Содержит порядка 3.3 млрд транзисторов.
    • Apple A11 Bionic — был представлен 12 сентября 2017 вместе с iPhone 8, iPhone 8 Plus и iPhone X. Содержит 6 вычислительных ядер, из которых 2 ядра являются производительными, а 4 — энергоэффективными. Используется 4,3 млрд транзисторов, изготовленных на 10нм техпроцессе FinFET от TSMC. Впервые используется встроенная графика собственного производства (вместо решений от PowerVR).
    • Apple A12 Bionic — был представлен 13 сентября 2018 вместе с iPhone XS, iPhone XS Max, iPhone XR. Позже были выпущены на этом процессоре iPad mini 5, iPad Air 3 и iPad 8 Содержит 6 вычислительных ядер, из которых 2 ядра являются производительными, а 4 — энергоэффективными. Используется 6,9 млрд транзисторов, изготовленных на 7-нм техпроцессе от TSMC.
    • Apple A13 Bionic — модель осени 2019 года, 6-ядерный процессор ARM, использует 2-й вариант 7-нанометрового техпроцесса TSMC. Содержит 8,5 млрд транзисторов.
    • Apple A14 Bionic — модель осени 2020 года, 6-ядерный процессор ARM, используется новый 5-нанометровый техпроцесс TSMC. Содержит 11,8 млрд транзисторов.

Процессоры серии AX и AZ

    • Apple A5X — был анонсирован 7 марта 2012, вместе с 3-м поколением планшетных компьютеров iPad 3. Данная система на кристалле имеет четырёхъядерный графический ускоритель PowerVR SGX543MP4 вместо ранее использовавшегося двухъядерного. Также используется четырёхканальный контроллер оперативной памяти, который предоставляет пропускную способность до 12.8 ГБ/с, примерно в три раза более высокую чем в A5. Из-за новых ядер графики и каналов памяти кристалл имеет очень большую площадь, 163 mm², что, к примеру, в два раза больше чем у Nvidia Tegra 3. Большую часть площади занимает графический сопроцессор. Тактовые частоты двух ядер ARM Cortex-A9 остались на уровне в 1 ГГц, как и в A5. В отличие от предыдущих процессоров, оперативная память в системах на базе A5X устанавливается в виде отдельных микросхем, а не как часть микросборки PoP.
    • Apple A6X — был представлен в октябре 2012 года, вместе с iPad 4. Он имеет два ядра Swift, как и A6, но, в отличие от него работает на более высоких тактовых частотах — до 1,4 ГГц и имеет 4-ядерный графический ускоритель модели PowerVR SGX554MP4.
    • Apple A8X — был представлен 16 октября 2014 года, вместе с iPad Air 2. Система команд — ARMv8.
    • Apple A9X — был представлен в ноябре 2015 года вместе с iPad Pro c 12,9-дюймовым экраном. Содержит 2 процессорных ядра с 64-битной архитектурой ARMv8-A, микроархитектурой Twister.
    • Apple A10X Fusion — 64-битный 6-ядерный ARM-микропроцессор 2017 года с архитектурой ARMv8-A компании Apple из серии Apple Ax. Изготавливаемый по 10-нанометровому FinFET техпроцессу контрактным производителем TSMC.
    • Apple A12X Bionic — был представлен 30 октября 2018, вместе с iPad Pro третьего поколения. Содержит 8 вычислительных ядер, из которых 4 ядра являются производительными и 4 — энергоэффективными. Используется 10 млрд транзисторов, изготовленных на 7нм техпроцессе от TSMC.
    • Apple A12Z Bionic - 8-ядерный ARM-микропроцессор 2020 года, применяется в iPad Pro (2020) и в ARM Mac mini DTK.

Mac Apple Silicon

В ноябре 2020 года Apple начала для себя новую главу в мире компьютерных процессоров.


М1 - это система на кристалле (SoC). Всё, что в других десктопных системах, разбросано по материнской плате в виде отдельных чипов в М1 располагается на одном маленьком кусочке кремния. Так на одном кристалле М1 удалось разместить, огромное количество различных компонентов:

    • Центральный и графический процессоры
    • Систему ввода/вывода
    • Контроллер Thunderbolt
    • Систему безопасности, которая раньше была в чипе T2
    • Сигнальный процессор для обработки фото и видео
    • Нейропроцессор и другие элементы

Такой подход, позволил сэкономить много места и энергии, потому как один чип, при прочих равных, всегда будет затрачивать меньше энергии, чем несколько. Дальше. Как и A14 Bionic, М1 создан по передовому 5 нм техпроцессу и вмещает 16 миллиардов транзисторов! Это делает систему Apple еще более компактной и энергоэффективной. Напомню, что Intel по-прежнему топчется на 10 и 14 нм, а AMD пока что остановились на 7 нм.


Интегрируемость разных компонентов

В плане интеграции разных компонентов между собой Apple пошли еще дальше, чем в своих мобильных процессорах. В результате чего, все компоненты однокристальной системы имеют быстрый доступ к одним и тем же данным и нет необходимости лишний раз копировать и перемещать данные на разные участки памяти. Это сильно уменьшает задержки и ускоряет систему в целом. Например, оперативную память они расположили под одной крышкой с основным кристаллом. Такой подход улучшает работоспособность всей системы, но затрудняет аппаратное обновление. У пользователя нет возможности самому увеличить размер оперативной памяти, так как она расположена на чипе.



Масштабируемость

M1 получился универсальным процессором. Он может быть не только супер энергоэффективным, как и другие процессоры на архитектуре ARM. Но и очень быстрым! Вопрос в том как он это делает? Тут есть несколько моментов: Во-первых, помогает классическая для мобильных устройств архитектура big.LITTLE. Центральный процессор в M1 - восьмиядерный. Из них четыре ядра высокопроизводительные. Они подключаются только в моменты высокой нагрузки или когда нужно быстро решить какую-нибудь короткую задачу. Эти ядра делают систему очень отзывчивой. А всё остальное время, когда нагрузка минимальная и система простаивает, работают четыре энергоэффективных ядра. Это делает систему очень экономичной. Когда ноутбуки жили по 20 часов? Теперь Apple обещает это со сцены! Поэтому, в то время когда Intel, чтобы сделать энергоэффективный холодный процессор, нужно делать урезанную версию чипа с меньшим количеством ядер, Apple может просто понизить тактовую частоту для высокопроизводительных ядер. И готово. Получается тонкий, легкий и холодный ультрабук с пассивным охлаждением. А чтобы наоборот добиться высокой производительности они могут задрать частоты на максимум.


Процессоры, используемые в большом количестве устройств

Apple A12 Bionic
Apple A5
Apple A10 Fusion
Apple A7