Apple A13 Bionic — самый мощный в мире процессор, для смартфонов

Как обычно, новая “яблочная” система-на-чипе была одним из самых ярких моментов очередного сентябрьского шоу. 18 ядер разного назначения, 7-нанометровый процесс второго поколения, торжество искусственного интеллекта, мощи и экономичности. Это провокационно (конкуренты в бешенстве), вызывающе, очень похоже на правду. Боюсь, что добром это не кончится, но пока Apple удается оставаться первой.

Новый чип iPhone 11, iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max

Наглая самоуверенность “зарвавшегося фрукта” порождает волну уничтожающей критики. В чем только не обвиняют системы-на-чипе от Apple. Их де специально затачиваются на достижение рекордных результатов в бенчмарках, результаты достигают не сами чипы, а их вертикальная интеграция с железом и программным обеспечением устройств в которых они используются. Процессоры в “яблочных” SoC (System-on-Chip, или “система-на-чипе”) поражают отсталостью своей архитектуры. Apple A13 Bionic тут не исключение: согласно моде, в процессорах конкурентов уже по три кластера ядер, а у Apple, по старинке, их два. Это очень многообещающий подход, рано или поздно Apple его творчески переосмыслит и использует, пока же требуемый результат достигается и без этого.

Apple A13 Bionic, по мнению некоторых экспертов, всего лишь незначительный апгрейд A12. Судите сами: те же 6 ядер (два производительных и четыре энергосберегающих) в центральном процессоре, те же 4 ядра “собственной разработки” в графическом и те же 8 в нейронном процессорах. Тот же 7-нанометровый процесс что и раньше – только “второго поколения”. Напоминает Intel с её процессами 14 нм+ и 14 нм++, не правда ли? И вообще ничего нового! Кэйин Дрэнс и Срибалан Сантанам из микро-электронного подразделения Apple зря утруждались, рассказывая об особенностях Apple A13, уважаемые эксперты им не поверили. Их право. Если бы в A13 было что-то нетривиальное – видимо решили они – Apple хранила бы гордое молчание. Некоторые увидели в их разговорчивости зловещий признак надвигающейся катастрофы.

Масла в огонь подлило интервью на процессорные темы, которое дали Wired Фил Шиллер и Ананд Шимпи. Как оказалось, основатель ресурса Anandtech теперь работает в Apple, в том самом микро-электронном подразделении компании о котором, кстати сказать, почти ничего не известно. Впрочем, экспертов удивил вовсе не опрометчивый поступок одного из самых авторитетных обозревателей, а сам факт интервью.

Зловещие предзнаменования

Как вы относитесь к “чертовой дюжине”, к числу 13? Все это предрассудки, глупости и все такое – и тем не менее, многие относятся к этому числу с иррациональным опасением. Как-то в 1996 году, на роль ключей заряжающих систему безопасности приложения я выбрал 13 и 666. Программа была для Mac’ов, у неё реально были перспективы – но когда через три недели я вернулся из отпуска, с Apple случилась катастрофа. Это я её чуть не убил? Не знаю, но на всякий случай, по возможности, я избегаю злоупотребления этим числом. Чип с обозначением A13 был неминуем, но это не единственный случай появления чертовой дюжины в 2019 году: iOS 13 и iPadOS 13, например. Но и это еще не все. iPhone 11/11 Pro/11 Pro Max – тринадцатое поколение iPhone. История новой системы-на-чипе только начинается, какой будет её судьба пока не знает никто. Интересно, сыграет ли зловещее число зловещую роль, или будет как в 1977 (Apple 1 стоил 666 долларов, после был даже не успех, а триумф)?

Тот же технологический процесс

Apple A12/A12X Bionic были первыми коммерчески доступными чипами производимым по технологии 7 нм. К сентябрю 2019 года 7-нанометровые чипы утратили статус сенсации. Их выпускала уже не только TSMC – пришло время сделать следующий шаг. Объявив о начале альфа-тестирования технологического процесса 5 нм, TSMC анонсировала экстремальную ультрафиолетовую литографию (EUV), и улучшенный 7-нанометровый процесс N7+. Новый процесс дебютировал в системе-на-чипе Kirin 985, для устройств с Android’ом на борту. Но Apple A12/A12X Bionic, несмотря ни на что, сохранили лидерские позиции. Преимущества и недостатки SoC определяются не только прогрессивностью технологического процесса, но и массой других факторов. Вертикальная интеграция, исповедуемая Apple чуть ли не с первых дней её истории сотворила очередное чудо.

Для производства Apple A13 Bionic используется еще более передовой процесс, N7 Pro, по словам TSMC это намного лучше чем N7+, и что-то совсем другое. В чем это выражается в реальности – неизвестно. В Apple про N7 Pro и про N7+ знают, скорее всего, не хуже чем в TSMC, но реальных железобетонных фактов о том чем они отличаются – нет. Может быть, это всего-лишь новая этикетка на том же самом. Может быть различия между ними столь существенны что TSMC не рискнула обескураживать других покупателей её чипов.

Как всегда, первый

Планы TSMC еще совсем недавно звучали как фантастика. В 2020 компания планировала запустить массовое производство по технологическому процессу 5 нм. Необходимое для этого оборудование было готово к испытаниям, пробные партии 5-нанометровых чипов уже выпускались (для альфа-тестирования у партнеров), и отзывы были положительными, но интереснее всего другое: в 2022 TSMC собиралась начать массовое производство 3-нанометровых чипов. Но тестирование на то и тестирование, чтобы выявлять проблемы, а некоторые из проблем запросто могут оказаться крепкими орешками. Человечество уже и без этого зашло слишком далеко. Скорее всего, так и случилось.

Недавно TSMC сообщила о корректировке планов. В 2020 теперь планируется запуск процесса N6, которого в предыдущих версиях плана не было. Запуск N5 перенесен на более позднее время. Пока, судя по информации от TSMC, с N6 все хорошо, но пока в каком-нибудь из чипов 2020 года этот процесс не будет применен, ни о чем определенном говорить не приходится. И возможны всякие неожиданности. В порядке бреда – что если первой компанией освоившей 6-нанометровый процесс станет Intel? У них самый сильный стимул из всех – речь идет о жизни и смерти. Представьте себе что и как изменилось бы в этом случае.

A13 – это банальный апгрейд A12?

Я уже упоминал об общем в конструкции A12 и A13, повторяться не буду. Apple никогда не занимается изменениями ради изменений, едва ли это порок. Прежде чем что-то изменить, в компании принято тысячи раз подумать, многократно взвесить новые идеи, и в конце концов очень часто новые идеи отправляются в архив. Нарушение традиций приводит, как выяснилось в результате экспериментов с клавиатурой и с Touch Bar, не только к экономии времени, но и к проблемам. Архитектура в A13 консервативная и проверенная временем, из неё (с уверенностью в 100%) можно выжать необходимые технические характеристики, а сосредоточившись на других аспектах добавить в SoC традиционную изюминку.

Центральный процессор состоит из двух “силовых” ядер Lightning, с тактовой частотой в 2,65 ГГц и четырех энергосберегающих ядер Thunder. Lightning – это “молния”, Thunder это “гром”. Кроме того, оба кодовых наименования вызывают некоторые ассоциации, может быть только у меня: Lightning это еще и один из разъёмов используемых в мобильных и в некоторых других устройствах от Apple, Thunder заставляет вспомнить про . Те кто заявляет об отсутствии изменений в этих ядрах по сравнению с ядрами в A12, видимо, обладает сверхъестественными способностями. Видит лучше чем электронный микроскоп, ориентируется в миллиардах транзисторов, ощущает их жизненный пульс. Занимавшиеся разработкой ядер центрального процессора уверяют что ядра радикально доработаны и улучшены. Центральный процессор стал производительнее, на 20-30%, и экономичнее на 30-40%.

Энергоэффективность на 30 % лучше

Экономичнее, в том числе, и из-за нового трюка, которому обучили SoC в Apple. Любой блок SoC который не используется, может быть обесточен. И быстро (почти моментально) возвращен к жизни как только в нем возникнет необходимость. Экономичнее еще и из-за того что при проектировании процессора были изучены самые используемые приложения в App Store, оказалось что подавляющему их большинству, большую часть времени, мощь “силовых ядер” не требуется. Каким-то магическим способом (вертикальная интеграция – это магия), процессор вычисляет оптимальный режим и включает его. Звучит неуютно, но вроде бы проблем из-за этого не обнаружено.

Один из слайдов с презентации A13

Графический процессор доработан, улучшен, это самый мощный GPU для работы с Metal 2. Нейронный процессор, у которого как и прежде 8 ядер, производительнее в 6 раз. А машинным обучением теперь занимается специальный контроллер. Фил Шиллер назвал одного из бенефициариев (тех, кто получает выгоду) от интеллектуальной составляющей новой SoC – это TTS, Text-to-Speech. Превращение текстов в речь (чтение их вслух). Если вы не в курсе, впервые такая технология на массовом компьютере была показана Apple во время демонстрации первого Mac’а, 35,5 лет назад. В те времена она была несовершенна до предела, с течением времени TTS становились все совершеннее, но искусственную речь отличить от настоящей было элементарно. Вроде бы это обещают исправить – я занимался TTS, и в это не верю. Но – вдруг?

Это вовсе не “банальный апгрейд”. Только два вопроса: будет ли A13X вообще, и каким будет A14? Но всему свое время.

Это продолжение серии про чипы разработанные Apple. Предыдущая часть здесь.

В основе iPhone лежит специальный процессор, полностью изготовленный Apple. В последние несколько лет, эти процессоры конкурировали только сами с собой, в гонке за звание самого быстрого процессора, для смартфонов.

Поэтому неудивительно, что в этом году, выпустив новый Apple A13 Bionic, Apple вновь расширила свое лидерство, над вездесущим Qualcomm Snapdragon 855, установленным на большинстве телефонов Android.

Это не сложная задача, учитывая, что прошлогодний Apple A12 уже имел более высокую производительность, чем Snapdragon 855.

То, чего Apple достигла в этом году, стало еще одним значительным скачком, не только в производительности, но и в эффективности.

Итак, прежде чем углубляться в детали, давайте быстро рассмотрим, насколько быстрым является именно A13:

Диаграмма, любезно предоставлена ​​Apple и суммирует производительность A13.

Обратите внимание, что Snapdragon 855, Kirin 980 и Snapdragon 845 отстают.

Фактически, производительность Snapdragon 845, почти вдвое ниже, чем у нового A13.

Основные характеристики Apple A13 Bionic

Давайте посмотрим, на основные характеристики Apple A13 Bionic:

• Имеет 8,5 миллиардов транзисторов;
• Использует продвинутый 7-нм процесс, второго поколения;
• Имеет 4 эффективных ядра, которые большую часть времени используются, для увеличения времени автономной работы;
• Низкая энергоэффективность: самый эффективный процессор, на сегодняшний день, с эффективностью, до 20% выше, чем у A12;
• Процессор и графический процессор, на 20% быстрее;
• Лучшая стабильная производительность, на процессорах Apple;
• Машинное обучение, способное на 1 триллион операций, в секунду.

Энергоэффективность A13 Bionic

Большое внимание в A13 уделяется энергоэффективности.

Для этого, в новом процессоре используется усовершенствованный 7-нанометровый процесс, второго поколения.

Но это не только процесс и транзисторы, но и способ, которым Apple оптимизировала архитектуру.

Она использует 4 эффективных (маломощных) ядра ЦП, для многих повседневных задач.

Еще одна интересная технология, которую использует компания, заключается в том, что она может включать только определенные части микросхемы, для выполнения конкретной задачи.

Для этого используются сотни областей напряжения, которые помогают достичь более высокой эффективности.

Учитывая все эти технологии, новый A13 достигает следующих результатов, с точки зрения чисел:

• 2 быстродействующих ядра процессора, на 20% быстрее и потребляют на 30% меньше энергии, по сравнению с A12;
• Neural Engine имеет 8 ядер и работает на 20% быстрее, потребляя на 15% меньше энергии.

Машинное обучение процессора Apple A13 Bionic

Apple утверждает, что A13 — лучшая платформа машинного обучения, в любом смартфоне, благодаря ряду улучшений.

Основным из них, являются новые выделенные ускорители, в процессоре.

Они позволяют телефону выполнять одну из самых распространенных задач машинного обучения (умножение матриц), в 6 раз быстрее.

В целом, один процессор имеет пропускную способность 1 триллион операций, в секунду.

Процессор поставляется с контроллером машинного обучения. Он позволяет планировать модели ML, для CPU, GPU и Neural Engine.

Это делает его полностью интегрированной платформой, которая может сбалансировать эффективность и производительность.

Его можно использовать, для обработки естественного языка на устройстве, классификации изображений, на фотографиях и в видео, анимации персонажей, в приложениях AR и многого другого.

Заключение

Apple обладает уникальным преимуществом того, что она называет «владением всем вертикальным стеком».

Это означает, что компания сама создает программное обеспечение, системное оборудование и проектирует процессоры.

Поэтому, она самостоятельно может оптимизировать все, начиная с крошечного транзистора и заканчивая маленькими кусочками кода.

Также стоит сказать, что приведенные выше цифры являются официальными, предоставленными Apple. Нет оснований сомневаться в них.

Предыдущая проверка показала, что они даже немного консервативны. Мы, с нетерпением, ждем возможности протестировать Apple A13 Bionic, в тестах и ​​в реальных условиях.

Apple A13 Bionic — 8.5 миллиардов 7 нм транзисторов второго поколения, 6 ядер CPU, 4 ядра GPU и 8-ядерный нейронный движок для машинного обучения.

Apple A13 Bionic — новый чип для линейки iPhone 11, обладающий самым мощным центральным процессор и самым быстрым графическим адаптером на текущую дату. Такое заявление во время презентации новых смартфонов Apple сделали представители бренда, и у нас нет причин сомневаться в справедливости их слов.

Процессоры Apple каждый год устанавливают новые рекорды в бенчмарках и удерживают лидерство в ключевых тестах вплоть до выхода очередного чипа из Купертино. К примеру, прошлогодний Apple A12 Bionic в августе 2019, через год после выхода, занимал первое место в тестах GeekBench и GFX, а iPhone XS опережал новые телефоны на топовых чипах Exynos и Qualcomm, в том числе Samsung Galaxy Note 10+. Apple A13 Bionic будет еще быстрее. Результатов iPhone 11 в бенчмарках еще нет, ведь телефоны поступят в продажу только 20 сентября 2019, но телефон точно наберет больше баллов, чем его предшественники. И это значит, что он станет самым быстрым смартфоном 2019 года выпуска. По крайней мере, в синтетике.

Apple A13 Bionic: машинное обучение

На презентации новых iPhone 2019 чипу Apple A13 Bionic уделили немало эфирного времени. Акцент был сделан на машинном обучении и низком энергопотреблении.

Математические вычисления, которые лежат в основе машинного обучения, распределяются между центральным процессором (CPU), графическим ускорителем (GPU) и специальным восьми-ядерным нейронным движком (Neural Engine). В центральном процессоре чипа Apple A13 Bionic под процессы машинного обучения выделена часть двух мощных ядер CPU, которая выполняет операции матричного умножения в шесть раз быстрее предшественника. Было отмечено, что за секунду центральный процессор выполняет до 1 триллиона таких операций.

Apple A13 Bionic: низкий расход энергии

С потреблением энергии ситуация еще более интересная. Ключевые узлы процессора Apple A13 Bionic (центральный процессор, графический адаптер и нейронный движок) потребляют на 15-40% меньше энергии, чем аналогичные узлы прошлогоднего чипа Apple A12. В частности:

• Мощные ядра расходуют на 30% меньше энергии.
• GPU и эффективные ядра CPU потребляют на 40% меньше энергии.
• Эффективность нейронного движка возросла на 15%.

Возникает вопрос, за счет чего достигнут такой прогресс в эффективности, ведь процессор Apple A13 Bionic производится по нормам того же 7 нм техпроцесса, который использовался для Apple A12. Sribalan Santhanam, вице-президент инженерного подразделения Apple, объяснил этот феномен двумя факторами. Apple A13 Bionic построен на 7 нм транзисторах второго поколения, каждый из которых потребляет меньше энергии. Звучит не очень убедительно, но это информация из первоисточника, поэтому на нее мы можем ссылаться.

Куда убедительнее выглядит вторая часть объяснения. В процессоре Apple A13 Bionic используются сотни цепей питания, что позволяет разбивать чип на тысячи автономных доменов и подавать энергию только на работающие звенья вычислительного центра. Энергию расходуют только транзисторы, которые нужны для решения текущих задач. Остальные — бездействуют и энергию не потребляют. Соответственно, благодаря этому существенно повышается КПД чипа, снижается нагрев и уменьшаются потери энергии.

Apple A13 Bionic: характеристики

Пройдемся по остальным характеристикам чипа Apple A13 Bionic. В отличие от всех остальных флагманских платформ (Kirin 990, Snapdragon 855+, Exynos 9825), в центральном процессоре Apple A13 шесть ядер, а не восемь. Напомним, аналогичное количество ядер было и в Apple A12, и это не мешало ему в пух и прах разбивать конкурентов.

Из шести ядер четыре являются высокоэффективными. Это небольшие ядра с относительно низкой вычислительно мощностью, которые используются для решения рутинных задач. В прошлогоднем Apple A12 эффективных ядер тоже было четыре, они назывались Tempest и работали на тактовой частоте 1.6 ГГц. (Далеко не рекордные частоты, но рекордные результаты.) Как называются эффективные ядра Apple A13 Bionic, и на какой частоте они работают, мы пока не знаем. Но зато известно, что эти 4 ядра:

• На 20% быстрее ядер Tempest.
• И на 40% эффективнее.

С мощными ядрами ситуация похожая. Их два, как и в прошлогоднем чипе. В Apple A12 мощные ядра назывались Vortex и работали на пиковой частоте 2.49 ГГц. Как назвали крупные ядра Apple A13, узнаем в ближайшее время, пока же ограничимся официальными цифрами, приведенными во время презентации. Итак, мощные ядра iPhone 11:

• На 20% быстрее ядер Vortex.
• И на 30% эффективнее.

Графический ускоритель Apple GPU по-прежнему построен на четырех ядрах. По официальной информации, графика Apple A13 Bionic стала быстрее на те же 20%, а расход энергии сократился на 40%.В нейронном движке Apple A13 Bionic восемь ядер, как и год назад. По тактовым частотам и прочим характеристикам подобных узлов информацию никогда не предоставляют, поэтому ограничимся сравнением эффективности и мощности:

• Нейронный движок стал быстрее на 20%.
• И эффективнее на 15%.

Осталось добавить, что количество транзисторов в Apple A13 Bionic увеличилось до 8.5 миллиардов. Это больше, чем в прошлогоднем чипе — в Apple A12 было 6.9 миллиарда транзисторов, — но меньше, чем в представленном на IFA-2019 процессоре Kirin 990 от Huawei.

Apple A13 Bionic: сравнение в бенчмарках

В будущем в этом разделе появятся результаты iPhone 11 и iPhone 11 Pro на Apple A13 Bionic в ключевых бенчмарках. Но пока смартфоны из Купертино еще не поступили в продажу, о каких-либо результатах говорить рано. Можем только привести данные, предоставленные на презентации новых смартфонов Apple. Насколько они соответствуют действительности, скоро узнаем.

Используемые источники:

• https://appleinsider.ru/iphone/apple-a13-bionic-processor-iphone-11-chto-v-nem-osobennogo.html
• https://novinkiit.com/apple-a13-bionic-samyj-moshhnyj-v-mire-protsessor-dlya-smartfonov/
• https://5nch.com/apple-a13-bionic-o-yablochnom-protsessore-v-detalyah/