写在iPhone 13发货前夜：云分析A15芯片性能

shuszhao

明天iPhone 13系列最早一批货就要到消费用户手中了，趁此机会我们来聊聊iPhone 13手机内所用的苹果A15芯片——虽然目前已知的信息也的确不多。似乎首批拿到评测机的媒体前天已经相继给出了上手视频，有的媒体甚至已经给出A15芯片性能测试。
本文基于已有信息来聊聊，这次的A15芯片相比A14到底有多大提升；以及竞争对手目前的现状。未来在获知更多微观层面的信息后，或许我们可以再来细聊A15的本质。

                               
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缺芯大环境下的A15 Bionic

首先还是简单谈谈A15一些纸面上的数字：A15芯片的CPU部分，是2个大核+4个小核的组合。大核代号为Avalanche，小核代号Blizzard——现在的芯片厂商好像很喜欢给处理器核心代号取名为某种很冷的东西（Icestorm，Ice Lake...），估计是讨个好彩头吧（不是...）。
GPU部分，则有4核与5核之分。NPU为16核（15.8 TOPS，相比上代提升约44%）——核心数字其实没什么参考价值，因为我们并不清楚苹果是怎么定义“核心”的。此外A15芯片采用台积电N5P制造工艺。
尤为值得一提的是，虽然都叫A15，但在不同设备上的A15存在着配置上的差异——在其他芯片厂商那里，不同的配置恐怕是要叫不同的名字、或者是不同SKU（比如华为就把阉割版的麒麟9000称作麒麟9000E）。iPhone 13 Pro上的A15才是真正的满血版A15，包括CPU核心频率最高3.23GHz；GPU是5核。
而普通iPhone 13/13 mini上的那颗A15的GPU部分去掉了一颗核心，和此前M1芯片在MacBook Air/Pro 13"设备上不同GPU核心数量的操作类似。另外这次苹果发布的iPad mini 6（2021）虽然也用A15，但CPU核心频率小幅降至2.99GHz（频率差异与满血版在8%左右，外媒报道中也有说是2.93GHz的）。

                               
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这波同名却不同SKU的操作，以前在手机平台上是不多见的。类似Intel、AMD这类PC平台倒是常用，即像酷睿i7、i5、i3这些不同产品线，在很多时候只是因为芯片制造时的体质、良率差异，后期再做规格处理后包装成不同SKU卖出去。
像A15这样GPU既有4核、也有5核，以及CPU既有3.23GHz主频、也有2.99GH主频的方案，实际情况应该也是这些芯片在制造时是同一批产品，只不过造出来的某些芯片个体体质不佳（如电压、功耗更高）或者某部分存在制造缺陷，通过屏蔽掉一个GPU核心，或者降低CPU频率的方式，这些芯片也能用。也就有了我们现在看到不同规格的A15。
这类操作在芯片行业不少见，只不过以前在手机SoC上不多见罢了。或许在缺芯的大环境下，即便是最不缺芯的苹果，也不得不采用这样的方案来减少浪费。也就是说iPhone 13 Pro上的A15是最好的一批货，而iPhone 13/iPad mini 6上的A15则是其次。但需要注意的是，不同版本的A15制造成本是一样的，只不过略差体质的A15入市，的确能够进一步摊薄总成本。

                               
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CPU性能有提升...吗？

这次发布会上，苹果其实没有提A15相比A14的性能提升幅度——虽然以前苹果也有过这样的历史，但这出也算罕见。苹果只是在发布会上说，相比市面上的主流竞争对手，A15 CPU性能高出50%，GPU性能高出30%/50%（基于是4核版还是5核版），也不知道说的是谁。
唯一可作为参照的是在发布iPad mini 6时，苹果说比上一代产品的CPU性能强40%（GPU性能强80%）。上一代iPad mini用的其实是A12处理器，无论如何总算是有个参考系了。这么模糊的说法，可能表明了苹果对A15在CPU性能方面的提升是比较不自信的。
其实去年苹果发布iPad Air 4（A14芯片）的时候，也说比上一代提升40%。而所谓的上一代iPad Air（iPad Air 3），用的恰好也是A12芯片。这么算起来，其实A15相比A14是没什么提升吗？当然这里还是需要考虑到iPad mini 6所用的A15，在CPU核心频率上是低于iPhone 13所用的A15的。
所以冲着频率提升去，iPhone 13的CPU性能应该也还是有提升的，起码得有8%吧——因为频率提了8%。A14的CPU大核主频为2.99GHz，和iPad mini 6所用A15 CPU大核主频一致。所以苹果的这两次“40%提升”信息应该是基本准确的，即iPad mini 6上的A15，和A14在CPU性能上应该是几乎没有变化的。

                               
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来源：SemiAnalysis[1]

SemiAnalysis前几天已经给过一轮Geekbench 5的跑分[1]，显示iPhone 13的A15 CPU单线程性能提升在7.7%左右。这其实也基本印证了，A15大核性能提升应该就是靠提频率达成的。所以A15的大核相比A14的大核，应该在架构上不会有什么大改。
要说苹果这次挤了牙膏，可能不假。不过无论是单线程还是多线程性能，苹果都比别家高出不止一个身位。比如从极客湾公布的测试结果来看，A15在省电模式下CPU性能和骁龙888满载时差不多，功耗还低了将近60%，还是相当令人唏嘘。

                               
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来源：极客湾

值得一提的是，SemiAnalysis的信息提到，A15芯片的system cache（SLC）缓存容量做到了32MB，相比上代是翻番的。Geekbench 5的某些测试子项可能会受惠于SLC提升。但SLC并非CPU部分的LLC，它对需要GPU、NPU参与的工作理论上当会有更大的提升。


有关台积电N5P工艺

其实从现有数据来看，在满负荷状态下跑Geekbench 5这类测试，3.23GHz的A15功耗同样有飙升迅速的迹象。大家都满载的情况下，A15在能耗比（跑分÷功率）方面会不及2.99GHz的A14。这还是可以说明，A15的CPU大核架构变化不大，即便采用台积电升级过后的N5P工艺，也架不住频率提升造成功耗指数级蹿升的局面。
不过据说在日常更轻度的负载下，A15是比A14更省电的——这一点也是应该的，毕竟工艺有小改进。若同频功耗还不变，那N5P又怎么会多加个字母“P”呢？基于上面这份数据，两者都在省电模式下时，A14单核能耗比相比A14差了大约15%左右。和其他竞争对手比比能耗比，iPhone的省电模式还是一如既往的逆天。
我们目前掌握有关N5P的信息其实也不多，台积电此前说N5P是N5的性能加强版，原计划相比N5晚一年实现量产——从早前台积电的计划表来看，苹果对于N5P的采用真的算是相当早期。N5P和N5的设计规则相同，与N5实现了完全的IP兼容性——考虑到A15 CPU相比A14应该也没什么大改，A15 CPU的设计成本应该能省得比较到位...

                               
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2019年台积电发布的信息是，基于FEOL和MOL的优化（有关什么是FEOL、MOL、BEOL，参见这篇文章），N5P能够在同功耗的情况下实现7%的性能提升，或者在相同性能下实现至多15%的功耗下降。这其中的红利其实就同代工艺演进来说，也已经不错了。


GPU这次放了大招

此前的分析文章中我们提到过，高通在骁龙865的Adreno 640 GPU身上小小发挥了一下，虽然绝对性能还无法和苹果相提并论，但效率表现已经和那时的A13 GPU表现相近了。这在高通的历史上也算比较难得。与此同时，去年的麒麟9000其实也在GPU绝对性能上，首次接近了A13的水平，虽然效率还是有差距的。
苹果过去在这个项目上那可是遥遥领先的，如今虽然也还是领先，但“遥遥”已经谈不上了。所以今年苹果在A15身上，似乎就GPU部分放了个大招，立马把竞争对手抛到九霄云外。
所以其实今年A15的晶体管数量跃升到150亿个，相比A14是有较大提升的。考虑到CPU的变化不大，那么主要的晶体管增量应该都分配给了GPU、NPU。

                               
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来源：GSMARENA[3]

从Geekbench 5 Metal图形测试分来看，5颗GPU核心满血版的A15，图形性能总体提升大约是50%。不过某些子项的提升幅度超过了150%。这种程度的提升，表明A15的GPU相比前代不只是增加了一个核心。核心内部应该也有规模上的扩大——虽然苹果GPU的内部构成一直是个谜。
不过Geekbench Metal测试的参考价值可能并没有那么大。目前针对A15图形算力相关的测试，尚无特别系统的结果。极客湾测了GFXBench Aztec Ruin这一个项目——在Normal和High画质下，满血版A15（5核GPU）都比A14领先大约35%左右；而残血版A15（4核GPU）则比A14领先大约13-17%左右。Aztec Ruin这个测试相比曼哈顿和T-Rex，都明显更偏shader负载，虽然在当代游戏中也算具有代表性吧。

                               
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来源：极客湾[2]

至于相比麒麟9000和骁龙888，A15在Aztec Ruin测试中的领先幅度有54%和86%。A15只需要用省电模式，就能和竞争对手全速状态下PK性能，关键功耗还低得可怕。只需要竞争对手1/3都不到的功耗，就达成了相同的性能水平，让高通 Adreno和Arm Mali情何以堪啊。不过再次强调，这个数据来自极客湾，仅是一个项目的测试。更系统的对比，我们可以等等接下来几天更多的测试结果。（而且需要注意，这个项目的对比在Android这边的API是OpenGL ES 3.1）
不过无论如何，GPU这种程度的提升也算得上是个大招了吧，A15理应是手机游戏党们的必然选择了——至于GPU持续性能，这次的A15也称得上十分彪悍，大型3D游戏持续游戏体验就现有测试来看，也远超一众竞争对手。更具体的本文不再细说，比如极客湾测试了原神的游戏体验，感兴趣的同学可一观。
月初的时候，国外出现A15的抢跑成绩[4]，显示在曼哈顿3.1图形测试中，A15首轮测试成绩可达198fps，第二轮会掉落至140fps-150fps之间。iPhone的超高图形突发性能，也算是苹果的传统；持续性能打折扣会多一些。不过即便如此，还是比其他移动竞品GPU超出不止一筹。这个数字也仅作参考，因为持续性能与芯片本身之外的系统设计也具有很大的相关性。

                               
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竞争对手的虎视眈眈

有关A15的其余组成部分实际表现，目前尚不明确。在更靠上的系统层面，iPhone 13全系列这次的续航是有提升的。但很难说续航提升是得益于A15的效率提升。我们认为更大的电池，以及屏幕采用LTPO技术（iPhone 13 Pro）才是续航提升的主因。
不过就A15的表现来看，虽说CPU属于原地踏步，GPU却有比较显著的提升。与其他竞争对手仍然拉开了比较大的差距。但现如今的情况很难说苹果就芯片技术方面是高枕无忧的。
一方面在于PC市场，AMD和Intel竞争在逐步加剧。从Intel Architecture Day来看，Intel正在CPU、GPU产品上快速踱步——这是这么多年来都很难见到的局面。
另一方面，我们非常期待高通明年将推的手机芯片，因为高通今年才完成了对于一家叫做Nuvia的公司的收购。此前我们写过一篇比较详细的报道，提及Nuvia在处理器IP上的潜力，包括这家公司的三位创始人有着非常令人惊叹的背景。其中Gerard Williams此前乃是苹果首席架构师。而Nuvia早期规划的Phoenix核心是准备在能效上吊打苹果的。高通在收购这家公司以后，最早的成果预计会在明年下半年看到。
最近这两天，外媒普遍在唱衰苹果芯片业务人才流失，其中也提到了Gerard Williams。据说Gerard Williams离开公司的时候顺便带走了一大批工程师；与此同时如今一家比较火的高性能RISC-V初创公司Rivos也驻扎着大量原本是苹果的高级工程师。
所以市场接下来的变数可能还会非常多。这样热闹的市场环境，有竞争对手很快就能和苹果一较高下，想想也是相当的一颗赛艇——即便目前看来，A15仍然很强。

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