电子显微镜下的苹果A14芯片

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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。

责任编辑：xj

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