半導體逆向工程和IP服務(wù)公司ICmasters已使用透射電子顯微鏡（TEM）對Apple的A14仿生芯片系統(tǒng)（SoC）進行了初步檢查。SemiAnalysis撰寫的一份有見地的報告揭示了蘋果這顆SoC的芯片尺寸和晶體管密度。這些細節(jié)揭示了工藝技術(shù)的功能以及芯片設(shè)計人員的領(lǐng)先。但是，蘋果公司的A14的這些細節(jié)真的可以讓人們對該公司即將推出的筆記本和臺式機處理器有期待嗎？
蘋果的A14 Bionic： 88平方毫米的“性能怪獸”
蘋果公司的A14 Bionic SoC由118億個晶體管組成，采用臺積電（TSMC）的N5（5nm）工藝技術(shù)制成。該芯片封裝了六個通用處理內(nèi)核，其中包括兩個高性能FireStorm內(nèi)核和四個IceStorm內(nèi)核。SoC具有四集群GPU，具有11 TOPS性能的16核神經(jīng)引擎以及各種專用加速器。
A14 Bionic處理器的芯片尺寸為88平方毫米，低于A13 Bionic的98.48平方毫米。圖像的質(zhì)量不是很高，但是根據(jù)粗略的計算，我們可以得出這樣的結(jié)論：具有大二級緩存的雙核FireStorm的大小約為9.1平方毫米，具有小二級緩存的四核IceStorm的大小約為6.44平方毫米，GPU約占11.65平方毫米。我們知道蘋果近年來使用了統(tǒng)一的系統(tǒng)緩存，但是在這個圖中，找到它并不容易。
根據(jù)SemiAnalyis的數(shù)據(jù)，A14 Bionic芯片的平均晶體管密度為每平方毫米1.409億個晶體管，高于A13 Bionic情況下的每平方毫米8997萬個晶體管。考慮到半導體制造商在測量晶體管密度時傾向于使用不同的方法，因此我們無法真正將TSMC的N5與英特爾10 nm的每平方毫米100兆晶體管的數(shù)字相提并論。同時，Apple A14 Bionic的晶體管密度似乎略低于臺積電針對基于N5的SoC所承諾的理論峰值平均晶體管密度。
蘋果的芯片歷來在其處理器中達到了工藝節(jié)點理論密度的90％以上。但這一代與理論密度相比，A14的有效晶體管密度僅為78％。盡管臺積電聲稱N5縮小了1.8倍，但蘋果僅縮小了1.49倍。
這不能簡單歸咎為TSMC或Apple的問題，因為這些公司分別是半導體制造和設(shè)計的明確領(lǐng)導者。相反，這種無法將理論密度轉(zhuǎn)換為有效密度的原因是SRAM縮放緩慢。從寄存器到緩存，SRAM在整個處理器中得到廣泛使用。臺積電的Geoffrey Yeap聲稱，典型的移動SoC由60％的邏輯，30％的SRAM和10％的模擬/ IO組成。
我們知道，晶體管密度因不同的芯片結(jié)構(gòu)而異。邏輯結(jié)構(gòu)可以在每個新節(jié)點上很好地擴展，但是如今SRAM，I / O和模擬部件很難擴展，因此代工廠發(fā)布的峰值是高度理論性的，而實際數(shù)字是取決于設(shè)計的。
由于SRAM用于寄存器和緩存，因此現(xiàn)代處理器的設(shè)計需要占用大量SRAM。SRAM需要互連和電路來訪問它，而此類互連并不能總是能夠很好地實現(xiàn)擴展。鑒于所有現(xiàn)代SoC都包含不同類型的處理器內(nèi)核，它們也使用高速緩存負載。
而從臺積電（TSMC）的N5節(jié)點，我們也看到了SRAM縮放速度變慢的跡象，與先前的縮小有所不同。盡管邏輯上完全遵循微縮，但SRAM仍是1.35倍的收縮。其實這個數(shù)字也被夸大了，因為一旦考慮其他輔助電路，它將最終變得更低。
因此，TSMC的指導方針是使用N5將芯片面積減少35％-40％。SemiAnalysis預計，這將是新節(jié)點將持續(xù)的趨勢。臺積電和三星已經(jīng)在演示3D堆疊SRAM，這將有助于緩解密度問題。
但是，3D堆疊不是靈丹妙藥。因為成本調(diào)整已開始急劇放緩。據(jù)之前的報道，臺積電N5晶圓的價格在1.7萬美元左右，顯然每個晶體管的成本并沒有下降。那就意味著即使SRAM的比例不斷提高，但從N7到N5的每個晶體管成本仍將保持不變。
同樣，芯片的某些部分必須以更高的時鐘頻率運行（例如，通用內(nèi)核）。通過使用通常更大的高性能電池，這些零件可能會犧牲性能密度。實際上，考慮到蘋果公司對最終性能的關(guān)注，其SoC通常具有大容量緩存以及可能進行其他性能優(yōu)化。
A14 在Speedometer 2.0中獲得的早期性能數(shù)據(jù)是一個瀏覽器基準，它通過模擬相當原始的用戶操作來測量Web應(yīng)用程序的響應(yīng)速度，測試表明，蘋果A14 SoC可以比Intel的八核Core i9高54％的速度。Speedometer2.0中的性能數(shù)字無法提供有關(guān)針對現(xiàn)代x86 CPU優(yōu)化的復雜應(yīng)用程序中的性能的任何信息。盡管如此，它仍然給出了有關(guān)SoC可以達到的最大理論性能的想法。在某種程度上，該測試可以視為現(xiàn)代計算機的一場阻力賽。
Speculations： A14 Bionic是否能為蘋果Mac的SoC提供想法？
十多年來，蘋果一直在為智能手機，平板電腦，智能手表以及可穿戴設(shè)備和智能耳機開發(fā)SoC。當需要為其iPad Air和iPad Pro平板電腦使用性能更好的SoC時，他們通常會添加CPU內(nèi)核和更好的GPU，提供具有更寬接口的更多封裝內(nèi)存儲器和散熱器以實現(xiàn)更好的散熱來實現(xiàn)。盡管目前僅是一種推測，但我們可以期望該公司在開發(fā)用于筆記本電腦和臺式機的SoC時采用類似的策略。
從Apple的FireStorm內(nèi)核和新的GPU的尺寸來看，該公司可以在不顯著增加A14 Bionic的芯片尺寸的情況下將高性能內(nèi)核和GPU集群的數(shù)量加倍。當然，它必須改進其內(nèi)存子系統(tǒng)（可能涉及額外的64位內(nèi)存通道和擴大的系統(tǒng)緩存）。但是，即使進行了所有“升級”，其PC SoC的芯片尺寸也將與英特爾高端版本的Ice Lake-U CPU相似，而后者比英特爾最新的Tiger Lake-U處理器要小。
蘋果尚未透露有關(guān)PC SoC的許多細節(jié)，只是說它們將使用與所有設(shè)備相同的通用架構(gòu)。同時，該公司特意將這些處理器稱為“ Apple Silicon”，而不是“適用于Mac的A系列”。
在這一點上，蘋果似乎可以通過增加CPU內(nèi)核和GPU功能來擴展其A14 Bionic設(shè)計，而不必冒太大的風險。但是，蘋果公司從未證實過，其PC SoC確實會使用其高性能智能手機內(nèi)核，為此，目前人們智能猜測它們的使用情況。