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苹果(AAPL.US)A15芯片评测:CPU和GPU提升惊人

我们仔细研究了其新一代芯片组,看看 Apple 在新芯片中究竟带来了什么杨变。

几周前,我们看到 Apple(AAPL.US)发布了他们最新的 iPhone 13 系列设备,这是一组由最新的 Apple A15 SoC 赋能的手机。在苹果的发布会上,他们对于最新的芯片语焉不详,在几年的文章里,我们仔细研究了其新一代芯片组,看看 Apple 在新芯片中究竟带来了什么杨变。

值得说一下,今年苹果在 A15 的公关方面有点奇怪,特别是该公司在新芯片的性能谈论中,避免将其与自己的 A14 进行任何世代比较。与过往不同的是,Apple 今年更喜欢在竞争环境中描述 SoC;虽然这在 Mac 方面并不罕见,但在今年 iPhone 发布会上,情况比往年更加突出。

苹果(AAPL.US)A15芯片评测:CPU和GPU提升惊人

如上图所示,与A14相比,全新A15将双性能核心集群的单核峰值频率提升了8%,相比上一代的2998MHz,新核心的频率现在达到了3240MHz。当两个性能核心都处于活动状态时,它们的工作频率实际上提高了 10%,与上一代的 2890MHz 相比,它们现在都以激进的 3180MHz 频率运行。

总的来说,考虑到从设计层面推动这一性能的提升很难,我们可以看出Apple 在这里的频率增加表现非常激进,特别在当我们不期望能从新工艺节点方面获得重大性能提升时,这种提升更是显著。据我们分析,A15 应该是在台积电的 N5P 节点的变体工艺上制造,尽管两家公司都没有真正透露设计的确切细节。不过台积电声称 N5 的频率增加了 +5%,因此对于 Apple 而言,如果超出这个范围,则表明功耗会增加。在我们深入研究 CPU 的功率特性时,请记住这一点。

A15 的效率核心频率现在能够达到 2016MHz,比 A14 的核心增加了 10.5%。这里的频率与性能核心无关,因为集群中的线程数量不会影响其他集群,反之亦然。苹果对这一代的小核心做了一些更有趣的改变,我们稍后会谈到。

巨型缓存:性能 CPU的 L2 增加到 12MB,SLC 增加到 32MB

苹果在发布时透露的一个更直接的技术细节是,与 A14 相比,A15 现在具有两倍的系统缓存。两年前,我们详细介绍了 A13 的新 SLC,它从 A12 的 8MB 增加到 16MB,这个大小在 A14 代中也保持不变。Apple 声称他们已将其增加了一倍,因此这意味着 A15 中现在有 32MB的SLC。

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在性能和效率细节方面,我们将从现在开始展现一下图表:在左轴上我们有测试的性能分数,此处更大的条形意味着更好的性能;在右侧轴上,从右到左增长的是平台的能耗数据,数字越小,完成的工作负载越节能(消耗的能量越少)。除了以焦耳为单位的能量数据外,我们还展示了以瓦特为单位的平均功率数据。

在A15 的性能数据方面,我们看到了全面的提升。如图所示,其绝对性能从 2.5% 的低点上升到 +37% 的峰值。

在 505.mcf_r 中,我们发现了最低的性能提升,这是一个对内存延迟更敏感的工作负载;鉴于 L2 延迟增加以及 DRAM 延迟略高,我们看到更小的性能提升并不会太出乎意料。但是,在查看相同工作负载的功耗和效率指标时,我们发现 A15 的功耗比 A14 少近 900mW,能效提高了 +22%。520.omnetpp_r 的性能提升幅度最大,为 37%——这里的功耗略有提升,但能源效率也提升了 24%。

在大多数后端执行受限的工作负载时,我们发现 A15 的最小性能提升,525.x264_r 和 538.imagick_r 仅提高 8.7%,导致 IPC 增加 0.6% ,这基本上在测量噪声范围内。由此我们可以看到,即使在最糟糕的情况下,Apple 仍然设法将其能效提高了 13%。这就意味着即使时钟频率有所提高,但新芯片的绝对功耗也较低。

最耗电的工作负载 519.lbm_r 非常耗带宽,并且在套件中对 DRAM 的压力最大,这里的 A15 芯片消耗了高达 6.9W 的功耗。尽管如此,随着性能提升 17.9%,能效在代际上略有提高——根据第一次拆解报告,A15 仍然仅采用 LPDDR4X 级内存,因此这些改进必须归功于芯片的新内存子系统和新 SLC。

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在概览图中,我也稍微改变了一些东西,转向气泡图,以更好地在空间上表示能效定位的性能,以及功率定位的性能。在我个人认为更能代表 SoC 的比较效率和由此产生的电池寿命体验的能量轴图中,我们看到了处于峰值 CPU 性能状态的各种 SoC 与完成工作负载消耗的总能量的对比。在功耗轴图上,我们看到相同的数据,只是针对平均功耗绘制的。一般来说,我发现不同数据点之间的功耗差异相当困难,但是有些读者要求这种观点。气泡大小对应于各个 CPU 的平均功率,我们测量的是系统有功功率,

苹果 A15 的性能核心在这里非常令人印象深刻——通常性能的提升总是伴随着某种效率的不足,或者至少是效率持平。相反,Apple 在这里设法降低功耗,同时提高性能,这意味着与 A14 相比,峰值性能状态下的能源效率提高了 17%。如果我们能够在相同的性能水平上测量两个 SoC,那么 A15 的这种效率优势会变得更大。在我们对Apple 公告的初步报道中,我们推测该公司今年可能会投资于能源效率而不是性能提升,我很高兴看到这似乎正是发生的事情,解释了一些更保守的(在至少对 Apple 而言)性能改进。

另一方面,苹果的 A15 的性能核在整数套件中的得分为 7.28。作为对比,AMD 基于 Zen3 的 Ryzen 5950X 得分为 7.29,苹果M1的得分为6.66。

A15 的效率核心也令人印象深刻——在最高性能时,效率是持平的,但它们的速度也快了 28%。同样,如果我们能够在相同的性能水平上比较两款 SoC,A15 的 E 核的效率优势将非常明显。E-cores 更好的性能也大大有助于避免 P-cores,进一步提高 SoC 的能效。

与竞争对手相比,A15 并没有像 Apple 声称的那样快 50%,而是快了62%。虽然苹果更大的内核更耗电,但它们的能效仍然高得多。诚然,我们看到了有利于 Apple 的流程节点差异。A15 E-cores 的性能和效率也让其他竞争对手相形见绌。4 个效率核心的超强性能以及 2 个大核心的领先性能解释了多线程性能明显优于竞争的 1+3+4 设置。

总体而言,新的 A15 CPU 是实质性的改进,尽管有些人不会立即注意到这一点。效率提升可能是 iPhone 13 系列手机新的更长电池寿命的关键——在几天后的专门文章中以及我们的完整设备评论中会有更多的介绍。

GPU 性能:出色的 GPU,一般般的散热设计

在这一代的A15 芯片上,GPU的配置很有趣,这是苹果第一次在 iPhone 设备范围内对其 SoC 上的 GPU 配置进行功能分割,iPhone 13 mini 和 iPhone 13 获得了 4 核的 GPU,类似于 A14去年的设备,而 13 Pro 和 13 Pro Max 获得了 SoC 的 5 核GPU变体。

在这两种情况下,它仍然是相同的 SoC 和硅芯片,只是苹果在非 Pro 型号上禁用了一个 GPU 核心,他们这样做可能是出于差能原因?

Apple 的 GPU 性能数据也有点有趣,因为没有任何代际比较,只有与竞争对手的“+30%”和“+50%”数据。我最初的理论是对 A14 表示 +10% 和 +28%,所以让我们看看这是否可行:

苹果(AAPL.US)A15芯片评测:CPU和GPU提升惊人

在 Basemark GPU 中,13 Pro 比 12 Pro 高出28%,而 4 核 iPhone 13 仅稍微慢一些。再一次,手机的节流很重,但仍然能够以远高于比赛峰值表现的持续性能着陆。

苹果(AAPL.US)A15芯片评测:CPU和GPU提升惊人

在功耗和效率方面,我也从表格迁移到气泡图,以更好地表示各种 SoC 的空间定位。

我还想在这里指出,我已经继续并重新测量了处于峰值性能状态的 A13 和 A14 手机,展示了比我们过去发布的更大的功耗数据。这样做的原因是我们只能通过手机的输入功耗进行测量的方法,因为我们无法拆卸样品,让我们无法访问 PMIC 电量计。这里的 iPhone 13 数据通常希望是正确的,因为我测量了其他高达 9W 的情况,但是对于手机是否正在使用电池仍然存在一些疑问。持续功耗数据具有更高的可靠性。

如前所述,A15 的峰值性能要好得多,但与 A14 相比,这款手机的耗电量似乎也略有提高,这意味着我们看到了显著的效率提升。

加载几分钟后,13 和13 Pro 的速度都会很快,但通常在不同的功耗点。配备 5 核 GPU的 13 Pro 节流(throttle)至 3W 左右,而 13 Pro 节流至3.6W 左右。

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在 Aztec Normal 中,我们在性能和效率方面看到了类似的相对定位。由于节流级别不同,iPhone 13 和 13 Pro 的性能比预期的要接近得多。

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最后,在Manhattan 3.1中,A15 的 5 核性鞥你上升了 +32%,而 4核上升了 +18%。两者的持续性能没有显著差异,并且与 iPhone 11 和 12 系列相比也有较小的改进。

令人印象深刻的 GPU 性能,但散热非常有限

我们在这里的结果展示了硬币的两个方面:就峰值性能而言,新的 A15GPU 绝对令人惊讶,并且再次展示了远高于 Apple 营销宣传的改进。新的 GPU 架构,可能还有新的 SLC,可以极大地提高性能和效率。

但他们表现不是很好的方面是手机的功耗方面。特别是,与 iPhone 13 以及上一代 iPhone 相比,我们似乎发现 iPhone 13 Pro 的功耗水平明显降低。

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尽管 S21 Ultra 和 Mi 11 Ultra 都具有相同的 SoC,但它们在散热方面具有非常不同的特性。在相同条件下,S21 Ultra 一般可维持约 3.5W 的总设备功率,而 Mi 11 Ultra 将徘徊在 5-6W 之间,并且是一款更热的手机。两者之间的差异不仅体现在游戏性能上,还体现在视觉保真度上,因为 S21 Ultra 由于游戏具有动态分辨率缩放(两款手机具有完全相同的游戏设置)而运行的分辨率要低得多)。

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在 GPU 方面,Apple的峰值性能改进超出了图表,新的更大的 GPU、新的架构和更大的系统缓存相结合,有助于提高性能和效率。

Apple 的 iPhone 组件设计似乎限制了 SoC 取得更好的结果,尤其是较新的 Pro 型号,但是即使说了又做了,Apple 在性能和效率方面仍然远远领先于竞争对手。

总体而言,虽然 A15 不是我们近年来从 Apple 习惯的蛮力迭代,但它带来了可观的代际收益,使其成为比 A14 更好的 SoC。最后,看起来苹果的 SoC 团队毕竟执行得很好。

本文编选自“半导体行业观察”微信公众号;作者:Anandtech;智通财经编辑:刘岩。

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