性能究竟有多强？解读苹果A9系列处理器

　　每次苹果发布新的设备，新处理器都是其中最吸引人的元素之一，而每一次苹果新处理器带来的强悍性能和极为出色的能耗比表现都令人惊讶。这一次，苹果又为我们带来了A9系列处理器：包括使用在iPhone上的A9和iPad上的A9X，那么它们到底有多强？能否成为了人们眼中新一代移动设备的性能标杆呢？

　　苹果A9系列处理器登场

　　在iPhone 6s和iPad Pro上，最让人们感兴趣的除了新的配色、设计和功能外，就是全新的A9处理器了。这次，苹果A9处理器一如既往的不负众望，不但工艺升级，整体架构设计也大跃进，堪称目前最先进的移动处理器。A9系列处理器分为了两款，一款是被应用在iPhone 6s和iPhone 6s Plus中的A9，另一款则是用在iPad Pro中的A9X。不过由于iPad Pro要到11月份才会正式推出，因此目前玩家主要的目光都集中在iPhone 6s系列的A9处理器上。

　　在苹果发布会和随后的网页宣传中，苹果宣称A9是其“第三代”64位移动处理器，拥有的架构属于“台式电脑级”架构，整体性能相比前代产品提升“70%”之多，图形性能提升高达“90%”。有关这几个词汇的具体含义，我们下文来一一解读。

　　“第三代”64位处理器

　　苹果是全球第一家发布并实际应用ARM指令集的64位移动处理器的厂商。第一代的64位移动处理器型号为A7，第二代为A8，而A9就是最新的第三代。我们先来看看A9的具体信息。A9处理器的CPU部分基于ARMv8-A架构，ARMv8-A架构是ARM旗下的面向移动计算的64位指令集架构。这个架构设计灵活而强大，兼容16位、32位和64位指令集，支持64位通用寄存器、SP（堆栈指针）和PC（程序计数器）、支持64位数据处理和扩展的虚拟寻址，是目前最主要的移动计算架构之一。与此类似的是，ARM自家的Cortex-A53、Cortex-A57、Cortex-A72以及高通自行设计的Kryo、英伟达自行设计的丹佛架构，都基于ARMv8-A（可能在部分细节上略有不同）。从这一点来说，A9和目前主流的处理器产品差别不大。

　　A9 CPU：性能提升70%

　　继续看A9处理器，和之前的A7、A8类似，A9处理器依旧采用了双核心CPU设计，不过主频被提升到了1.8GHz，主频的提升和新的架构设计以及新工艺的应用都有一定关系（后文还有详细解读），这也是苹果近几代来首次如此大幅度提升处理器主频，之前的A6、A7和A8的主频都基本维持在1.3GHz到1.4GHz。

　　更细节的一些资料显示，A9的一级缓存非常大，每个核心拥有64KB的一级数据缓存和64KB的一级指令缓存，二级缓存为3MB，三级缓存更是高达8MB。这基本上和桌面PC相当（或许这也是苹果“台式电脑架构”的宣传语来源之一）。从缓存角度来说，更大的缓存可以提高数据命中率、降低数据延迟甚至提升能耗比等，A9在这方面做得非常大方。

　　在CPU架构的具体改进方面，目前没有可靠的资料，连架构代号都不清楚，只知道是继续在之前A8的CPU架构上做出了大幅度改进。之前A8相对于A7改进其实并不大，只是增加了诸如整数乘法单元的数量，改善了浮点加法和整数乘法的延迟，并且调整了分支预测和缓冲等，同频率整体性能提升大概在15%到20%左右，因此A8的CPU可以称作是A7的CPU改进增强版。当时苹果这样做的原因可能是受制于工艺，28nm工艺进化至20nm的半代工艺本身改善就很有限，因此在保证功耗的前提下，能够这样的性能提升实属不易。

　　不过在A9上，全新的FinFET和全代14nm或者16nm工艺的应用，使得苹果可以大刀阔斧的改进CPU架构，加入更多的执行单元同时大幅度提升处理器内部的执行效率。因此A9相比A8应该有更为革命性的变化。目前根据GeekBench的测试来看，A9的CPU部分性能单核心高达2500分左右、多核高达4400分，相比之前A8的1600分和2800分，A9所宣称的提升70%也基本靠谱。至于更细节的内容，我们将继续等待详细的资料流出，然后再专门撰文介绍给大家。

　　A9的GPU：90%提升可期

　　A9的CPU信息目前还不是很明确，不过在GPU方面资料就丰富多了。根据目前的资料和拆解情况来看，A9使用了PowerVR最新的第七代PowerVR GT7600 GPU。这颗GPU的性能极为强悍，属于PowerVR 7XT家族中的中高端产品。PowerVR 7XT家族共有GT7200、GT7400、GT7600、GT7800和GT7900五款产品，其型号数字的第二位代表了有多少个统一着色器簇（Unified Shading Cluster，简称USC，和英伟达的SMM、SMX以及AMD的CU类似，都是一组完整的着色器集群的称呼）。比如这次的GT7600，就拥有6个USC，每个USC有32个ALU，因此总计有192个ALU核心。相比之下，上一代的A8采用的是PowerVR GX6450，隶属于PowerVR 6XT家族，拥有4个USC，每个USC还是32个ALU，总计128个ALU。仅仅看着色器数量，A9就比A8多了50%，再加上GPU频率提升等因素，A9的具体图形性能表现值得期待。

　　其他功能方面，PowerVR 7XT增加了“Tessellation Co-Processor”也就是处理曲面细分的相关协处理器，能谱配合VDM（Vertex Data Master，顶点数据管理器）实现完整的硬件曲面细分功能。此外，几何前端的顶点数据管理器的几何性能也翻了一番，计算数据管理器也大幅度提升了速度。在计算能力方面，SFU和ALU可以并发操作，效率更高。

　　目前也有部分测试成绩给出，iPhone 6s的GPU表现令人震惊。在GFXBench的Manhattan 3.0中，iPhone 6s和iPhone 6s Plus的GPU成绩高达39fps左右，基本上达到了iPhone 6系列的20.8fps的一倍，看来苹果宣称的提升90%所言不虚。对比Android机型，目前最强的骁龙810也仅仅只能跑出25fps左右，可见A9 GPU性能的强大。总的来看，综合功能提升、性能提升、USC数量提升等，苹果A9的GPU又一次拿下了手持移动设备GPU王者之位。

　　全新工艺：两种处理器

　　苹果在A9上启用了全新的工艺。和之前一样，苹果往往不太会“把鸡蛋放在一个篮子”，而是根据不同的情况，选择台积电或者三星作为自己的代工合作伙伴。这一次，苹果同时选择了两家，因此最终的具体产品型号有所差别。

　　经过拆解和确认，目前iPhone 6S和6S Plus中存在两种不同型号的处理器，如果名称是APL0X98/5X98，那么说明其来自三星；而如果是APL1022这样以“1”开头的处理器编号，则说明来自台积电。

　　那么，苹果在同一款产品上使用不同的处理器，是否会有性能和功耗的差异呢？答案是：应该没有。首先来看工艺。台积电的16nm FinFET工艺和三星的14nm FinFet工艺看起来数字上差了“2”，实际上属于同代工艺，“16”和“14”的不同，更多的是考虑到了商业宣传角度，因为工艺的名称比如“22nm”、“28nm”、“16nm”等，只是晶体管生产中栅极的最小线宽，它是一个极限值，而不是典型值或者普世值。在芯片生产中，有大量不同的部件，它们的尺寸和结构都远大于“最小线宽”，不仅如此，影响芯片性能的还有材料、设计、制造精度等诸多因素，最小线宽只是其中之一，况且整个芯片中，栅极的线宽也并非都是同样尺寸，也是有大有小。因此，所谓的22nm、16nm、14nm等，只是一个宏观上代表工艺代次的数据，同代次的工艺往往性能不会有太大差距。其次，对苹果而言，提供给消费者稳定、可靠、无差别的产品才是最重要的，因此无论哪种工艺，应该不会有性能功耗等方面的差别，这一点从随后对部分产品的拆解中随机出现不同型号的芯片上也得到了证实。另外，从另一个角度来说，苹果手机中使用的存储芯片往往来自多家供应商，比如SK现代、三星等厂，也从来没有出现过问题。这次仅仅是处理器来自多家供应商而已，并没有什么特别值得大惊小怪的。

　　在芯片面积上，A9的封装面积稍大于A8，目前A9的封装面积为14.5mm×15mm，比A8的13.5mm×14.5mm大了10%不到。根据芯片的X光照片推算的话，三星代工的A9的芯片面积应该是94平方毫米，比A8的89平方毫米稍大了一点。晶体管数量方面，A9的晶体管数量大约在30亿到35亿左右，比A8的20亿来说是“暴增”，这主要还是拜8MB的三级缓存所赐。如果用桌面处理器来对比的话，英特尔Core i7-6700K处理器同为14nm工艺，核心的封装面积大概在122平方毫米左右，晶体管数量不详，参考之前的Haswell的晶体管数量最高端版本大约在20亿左右，我们假设Core i7-6700K的数量应该不会超过35亿。由此可见，苹果A9的晶体管密度还是相当可观的。

　　苹果历代A系列处理器回顾

　　实际上，苹果并非处理器设计“专业户”，早前的三款iPhone处理器型号分别是PAL0098、APL0278、APL0298，虽然都出自于苹果产品，但是架构方面多采用的是ARM官方架构，并且设计也并非苹果，而是三星和其他公司。苹果首款自行设计的处理器为A4，搭配了划时代的iPhone 4发布。实际上，A4处理器依旧使用了Cortex-A8架构，只是苹果做出了深入优化，使得功耗和性能表现更为出色。在这款处理器上，苹果首次开始考虑改动核心架构，比如将Cortex-A8的部分处理器接口做出调整，并且将L2缓存从原始设计的512KB增大到640KB。

　　随后的苹果A5处理器采用了双核心的Cortex-A9方案，这也是苹果首款双核处理器。而其继任者A6是苹果首款自行研发核心架构的处理器，被称为Swift，它和当时市场上所有的基于ARM指令集的CPU在核心架构设计上都存在巨大差异。Swift的解码模块增加到了三个（Cortex-A9只有2个）、为FP Add、FP Mul、Load/Store都增加了独立的端口。Swift的改进相当成功，整体性能相比之前的Cortex-A9提升了大约37%左右，功耗却没有明显增加。Swift的出现，向人们展示了苹果强悍的研发实力，也标志着苹果从芯片设计开始，一直到产品总成，甚至软件、销售等，掌控了整个移动计算设备研发、生产、销售的全产业链。接下来的苹果A7、A8、A9都采用了64位设计，尤其是A7，是全球首款64位设计的移动处理器产品。A8则奠定了苹果在高端移动处理器上的皇者地位。从A4到A9，苹果从“拿来主义”逐渐变成“实用主义”，最后华丽变身为“设计主义”。

　　总的来说，尽管目前给出的资料还不是那么的深入、丰富，但我们依旧可以从CPU、GPU以及工艺设计的改进上看出，苹果全新的A9系列处理器并没有让我们失望，从一些测试成绩来看称它为目前最顶级的移动处理器之一也完全没有问题，我们在后续拿到实机后也会带来更加详细的测试解读，敬请期待。