来源:本文由半导体行业观察编译自 tomshardware

半导体逆向工程和 IP 服务公司 ICmasters 已使用透射电子显微镜(TEM)对 Apple 的 A14 仿生芯片系统(SoC)进行了初步检查。SemiAnalysis 撰写的一份有见地的报告揭示了苹果这颗 SoC 的芯片尺寸和晶体管密度。这些细节揭示了工艺技术的功能以及芯片设计人员的领先。但是,苹果公司的 A14 的这些细节真的可以让人们对该公司即将推出的笔记本和台式机处理器有期待吗?

显微镜下的苹果 A14 芯片

苹果的 A14 Bionic: 88 平方毫米的“性能怪兽”

苹果公司的 A14 Bionic SoC 由 118 亿个晶体管组成,采用台积电(TSMC)的 N5 (5nm)工艺技术制成。该芯片封装了六个通用处理内核,其中包括两个高性能 FireStorm 内核和四个 IceStorm 内核。SoC 具有四集群 GPU,具有 11 TOPS 性能的 16 核神经引擎以及各种专用加速器。

A14 Bionic 处理器的芯片尺寸为 88 平方毫米,低于 A13 Bionic 的 98.48 平方毫米。图像的质量不是很高,但是根据粗略的计算,我们可以得出这样的结论:具有大二级缓存的双核 FireStorm 的大小约为 9.1 平方毫米,具有小二级缓存的四核 IceStorm 的大小约为 6.44 平方毫米,GPU 约占 11.65 平方毫米。我们知道苹果近年来使用了统一的系统缓存,但是在这个图中,找到它并不容易。

显微镜下的苹果 A14 芯片

根据 SemiAnalyis 的数据,A14 Bionic 芯片的平均晶体管密度为每平方毫米 1.409 亿个晶体管,高于 A13 Bionic 情况下的每平方毫米 8997 万个晶体管。考虑到半导体制造商在测量晶体管密度时倾向于使用不同的方法,因此我们无法真正将 TSMC 的 N5 与英特尔 10 nm 的每平方毫米 100 兆晶体管的数字相提并论。同时,Apple A14 Bionic 的晶体管密度似乎略低于台积电针对基于 N5 的 SoC 所承诺的理论峰值平均晶体管密度。

苹果的芯片历来在其处理器中达到了工艺节点理论密度的 90%以上。但这一代与理论密度相比,A14 的有效晶体管密度仅为 78%。尽管台积电声称 N5 缩小了 1.8 倍,但苹果仅缩小了 1.49 倍。

显微镜下的苹果 A14 芯片

这不能简单归咎为 TSMC 或 Apple 的问题,因为这些公司分别是半导体制造和设计的明确领导者。相反,这种无法将理论密度转换为有效密度的原因是 SRAM 缩放缓慢。从寄存器到缓存,SRAM 在整个处理器中得到广泛使用。台积电的 Geoffrey Yeap 声称,典型的移动 SoC 由 60%的逻辑,30%的 SRAM 和 10%的模拟 / IO 组成。

显微镜下的苹果 A14 芯片

我们知道,晶体管密度因不同的芯片结构而异。逻辑结构可以在每个新节点上很好地扩展,但是如今 SRAM,I / O 和模拟部件很难扩展,因此代工厂发布的峰值是高度理论性的,而实际数字是取决于设计的。

由于 SRAM 用于寄存器和缓存,因此现代处理器的设计需要占用大量 SRAM。SRAM 需要互连和电路来访问它,而此类互连并不能总是能够很好地实现扩展。鉴于所有现代 SoC 都包含不同类型的处理器内核,它们也使用高速缓存负载。

而从台积电(TSMC)的 N5 节点,我们也看到了 SRAM 缩放速度变慢的迹象,与先前的缩小有所不同。尽管逻辑上完全遵循微缩,但 SRAM 仍是 1.35 倍的收缩。其实这个数字也被夸大了,因为一旦考虑其他辅助电路,它将最终变得更低。

因此,TSMC 的指导方针是使用 N5 将芯片面积减少 35%-40%。SemiAnalysis 预计,这将是新节点将持续的趋势。台积电和三星已经在演示 3D 堆叠 SRAM,这将有助于缓解密度问题。

显微镜下的苹果 A14 芯片

但是,3D 堆叠不是灵丹妙药。因为成本调整已开始急剧放缓。据之前的报道,台积电 N5 晶圆的价格在 1.7 万美元左右,显然每个晶体管的成本并没有下降。那就意味着即使 SRAM 的比例不断提高,但从 N7 到 N5 的每个晶体管成本仍将保持不变。

显微镜下的苹果 A14 芯片

同样,芯片的某些部分必须以更高的时钟频率运行(例如,通用内核)。通过使用通常更大的高性能电池,这些零件可能会牺牲性能密度。实际上,考虑到苹果公司对最终性能的关注,其 SoC 通常具有大容量缓存以及可能进行其他性能优化。

A14 在 Speedometer 2.0 中获得的早期性能数据是一个浏览器基准,它通过模拟相当原始的用户操作来测量 Web 应用程序的响应速度,测试表明,苹果 A14 SoC 可以比 Intel 的八核 Core i9 高 54%的速度。Speedometer2.0 中的性能数字无法提供有关针对现代 x86 CPU 优化的复杂应用程序中的性能的任何信息。尽管如此,它仍然给出了有关 SoC 可以达到的最大理论性能的想法。在某种程度上,该测试可以视为现代计算机的一场阻力赛。

Speculations: A14 Bionic 是否能为苹果 Mac 的 SoC 提供想法?

十多年来,苹果一直在为智能手机,平板电脑,智能手表以及可穿戴设备和智能耳机开发 SoC。当需要为其 iPad Air 和 iPad Pro 平板电脑使用性能更好的 SoC 时,他们通常会添加 CPU 内核和更好的 GPU,提供具有更宽接口的更多封装内存储器和散热器以实现更好的散热来实现。尽管目前仅是一种推测,但我们可以期望该公司在开发用于笔记本电脑和台式机的 SoC 时采用类似的策略。

从 Apple 的 FireStorm 内核和新的 GPU 的尺寸来看,该公司可以在不显著增加 A14 Bionic 的芯片尺寸的情况下将高性能内核和 GPU 集群的数量加倍。当然,它必须改进其内存子系统(可能涉及额外的 64 位内存通道和扩大的系统缓存)。但是,即使进行了所有“升级”,其 PC SoC 的芯片尺寸也将与英特尔高端版本的 Ice Lake-U CPU 相似,而后者比英特尔最新的 Tiger Lake-U 处理器要小。

苹果尚未透露有关 PC SoC 的许多细节,只是说它们将使用与所有设备相同的通用架构。同时,该公司特意将这些处理器称为“ Apple Silicon”,而不是“适用于 Mac 的 A 系列”。

在这一点上,苹果似乎可以通过增加 CPU 内核和 GPU 功能来扩展其 A14 Bionic 设计,而不必冒太大的风险。但是,苹果公司从未证实过,其 PC SoC 确实会使用其高性能智能手机内核,为此,目前人们智能猜测它们的使用情况。

来源:半导体行业观察

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