iPad 2双核处理器A5探秘

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苹果公司在上周正式在美国推出了第二款平板电脑「iPad 2」。首先就是CPU和GPU的核心数量均提升了2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。苹果公司在圣弗兰西斯科市召开的游戏者开发大会「GDC(Game Developers Conference)」的主题演讲上宣布了产品的推出日期。
　　
　　从 iPad升级至iPad 2，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。
　　
　　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。
　　

　　 Cortex-A系列架构

　　 ●核心数量与性能的提升
　　
　　苹果公司将第一代iPad的A4处理器交由三星公司代工，而A5则变成了TSMC。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。
　　
　　至于生产工艺，由于A4使用的是三星公司的45nm工艺，因此普便认为A5同样也基于的是45nm工艺。如果基于相同的工艺情况下，核心数量提升2倍，那么会由于电路的增加导致核心面积的提升，从而导致生产成本的提升。而根据市场调研公司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」，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。
　　
　　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)，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。
　　
　　按照逻辑来说，A5峰值功耗应该会增加，因此在进行高负荷处理如游戏应用时会对电池续航时间产生影响。不过苹果同样考虑到了这点，也对此进行了平衡。
　　
　　●进化的CPU架构
　　
　　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，程序指令采用的是顺序In-Order执行。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。容许量方面相差25％。
　　

Cortex-A9 block diagram

　　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TSMC 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，这里还包括了L1缓存和总线接口。
　　
　　顺便介绍一下的是X86架构双指令Out-of-OrderBobcat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核心的大小与X86核心相比的话就可以很明了了。
　　
　　因此可以估计如果采用三星45nm工艺的话，其面积会比TSMC 40nm要大，同时以1GHz频率为目标的A5 Cortex-A9核心可以推定已接近TSMC的电力设计的最优化。
　　

　　 Cortex-A9的特性

　　●GPU核心数量同样翻倍
　　
　　iPad 2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 SGX5,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。
　　
　　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。
　　
　　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iPad 2 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。而且我们可以看到显存带来与核心频率也有很大差异。在iPad 2发布的时候，苹果CEO的Steve Jobs先生曾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。
　　
　　●因iPad/iPhone开始繁荣的3D游戏  
　　
　　iPad 2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」。
　　
　　总之，让iPad/iPhone游戏发展就是要实现与PC游戏一样的世代迭替，当然其相关游戏的目标并不仅仅只包括苹果平台，而是面向的更为广泛的移动平台，支持撑其发展的就是每年移动产品日益提升的性能。
　　
　　●NGP与iPad 2的对比
　　
　　从游戏的角度来审视iPad 2Apple 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 SGX5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。
　　
　　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。NGP（PSP2）在设计的中途提升了核心数量，这应该是由于工艺提升的原因。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　

　　 Cortex-A9家族和目标市场

　　●32nm～28nm时代四核心发展
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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。