深度揭秘Apple第六代A系列处理器A9

　　A9基本上是一个以FinFET制程打造之苹果（Apple）第六代A系列应用处理器的故事，但它更进一步透露的是Apple在半导体设计上的雄心壮志 ──Apple第一代的A4处理器是在2010年问世，当时被认为与一款三星（Samsung）处理器有很多共同点；接下来的A6则让我们看到客制化的 Apple自家设计CPU，直到现在仍被认为是一项丰功伟绩。

　　A6的下一代A7迈向了64位元运算；A7展现了一些有趣的设计决策，因为没有同一系列的A7X。Apple藉由A7为iPad Air与iPhone 5s设计了单一处理器，虽然这两款装置所支援的画素有四倍的差距；此外iPhone 5s配备了TouchID功能，iPad Air则无。

　　以制程的角度来看，我们已经从最开始采用45奈米的A4，前进到了采用14奈米与16奈米双供应来源的A9。

　　

　　Apple的A4处理器（左）以及A9处理器的晶片特写

　　（来源：MuAnalysis与Chipworks）

　　Apple 的高层对于A9的诞生似乎特别兴奋，在今年9月9日的发表会上对技术细节有不少着墨，包括提到7000系列的铝合金，以及应用于让显示器玻璃与摄影机影像感测器内画素之间深度沟槽隔离的离子交换制程。而且笔者觉得比起前几代处理器，有更多注意力被放在A9上，并非强调GHz与核心数，而是性能与整合度。

　　在该场产品发表会上，Apple资深行销副总裁Phil Schiller比较了A9X与A8和其他A系列处理器的性能，而且首度提到了“桌上型电脑的等级”，以及“游戏机的等级”等形容。接着介绍了A9的更多细节，包括它是64位元CPU，拥有全新的电晶体架构，而且是“针对现实世界的应用最佳化”。

　　

　　Apple的A9处理器是64位元

　　（来源：Apple）

　　64位元并不令人惊讶，而它的“全新电晶体架构”应该是指FinFET，而且经证实是同时采用了台积电（TSMC）与三星的制程；以下是台积电生产之A9的FinFET横切面。

　　

　　台积电生产之A9的FinFET横切面

　　（来源：Techinsights）

　　在该场9月9日举行的发表会上，我们也从简报中看到了A9的晶片影像（如下图）；其中部分主要功能区块有被标示出来，虽然电路是模糊的、而且晶片的边缘也看不出来，却是笔者印象中Apple第一次展示晶片。

　　

　　Apple在简报中展示了A9的晶片影像

　　（来源：Techinsights）

　　有趣的是，以上的影像不只是有金属导线的晶片成品影像，而是深入至电晶体或基板等级的裸晶影像；这显示他们要展现A9的基础架构，可从中看到内含双核心CPU，6核心GPU，两个大面积的记忆体区块，以及M9运动协同处理器（MCP），而MCP也是被特别强调的功能。

　　从Apple的介绍能看到很多有关A9的有趣特性，首先它维持了双核心CPU的型态──这已经是连续四代Apple处理器的架构；它可能也支援使用针对特殊任务或程序之电路的假设，这种特定的硬体线路或“功能区块”，可减轻CPU的负担。

　　此外也可看出A9的GPU似乎占据较大的晶片面积；现在看来在发表会上亮相的模糊画面晶片，是三星制造的A9。下面可以看到三星产A9的清晰影像，该晶片面积为8.7mm x 10.7 mm，也就是94 mm2，其CPU、GPU、SRAM与M9等部分已经标示出来。

　　

　　A9处理器显微影像

　　（来源：Chipworks）

　　从上图的整体晶片面积以及大略的功能区块标示，我们可以计算出各部分的面积；下方的表格是A系列处理器的比较。A9的CPU约占据13 mm2或整体晶片面积的14%；六核心GPU则占据据约27 mm2，或晶片整体面积的29%，约是CPU区域的两倍。两个大面积的记忆体（SRAM）区块总计约4.3 mm2，占据整体晶片面积的5%。

　　将CPU与GPU的占据比例与前几代的A系列处理器比较，会发现A9的CPU区块比例是属于较低的，GPU比例却是较高的；而事实上从下表可以看出，A9是唯一非“X”处理器有这么高比例GPU面积的，可见该晶片确实耐人寻味。

　　

           A系列处理器各功能区块占据晶片面积

　　高整合度是A9另一个值得注意之处，M9 MCP则是第一个展现该处理器整合度的案例；M9是Apple的第三代MCP，第一代则是M7，首度出现在iPhone 5s；M7被辨认出应该是来自NXP ，分析师认为那是为Apple客制化的元件。接下来的M8也是NXP的元件。

　　至于M9则非独立的晶片，据推测，那是NXP与Apple之间的某种IP授权协议，让后者能将NXP的IP整合到A9处理器；最后，该整合的MCP似乎借用了A9的CPU周期。另一个A9可能整合的是快闪记忆体控制器，但目前这尚未能证实。

　　编译：Judith Cheng（参考原文： Apple’s A9： Story Within A Story，by Paul Boldt）  eettaiwan