蘋果芯片，一路狂飆

很難說手機(jī)何時首次擁有除通話以外的功能，但就游戲而言，最早出現(xiàn)手機(jī)游戲的可能是1998年的諾基亞6110（照片1），當(dāng)時附帶了貪吃蛇游戲（照片2）。

它搭載的是TI MAD2芯片組“5L43H04”，該芯片組搭載了運(yùn)行頻率為13MHz的“ARM7TDMI”內(nèi)核。據(jù)稱，ARM7TDMI的性能為0.7 DMIPS/MHz，因此在13MHz下運(yùn)行時，其性能約為9.1 DMIPS。順便提一下，Arduino Uno R3的性能據(jù)稱為9.85 DMIPS，因此，如果您認(rèn)為它們的性能相似，就很容易理解了。

不過當(dāng)時還沒有應(yīng)用處理器的概念，5L43H04的主要處理是通信控制，Snake只是附加功能，所以實(shí)際上當(dāng)時比較處理器性能并沒有多大意義。

此后，搭載應(yīng)用處理器的功能手機(jī)開始出現(xiàn)。然而，這一代手機(jī)的處理器各不相同（松下使用了基于Uniphier的自有處理器），因此很難找到公平的比較方法。此外，由于本次討論的主題是“iPhone之后的智能手機(jī)處理器”，我不會討論iPhone之前的機(jī)型。

此外，由于 Android 制造商眾多，列出清單非常困難，所以這次我僅列出了 Google 提供的產(chǎn)品。此外，由于是智能手機(jī)，我排除了平板電腦（iPad 和 Nexus 平板電腦）和媒體播放器（iPod Touch）。

順便說一句，我們之所以排除平板電腦，是因?yàn)槠桨咫娔X的可用功率是智能手機(jī)的兩倍多（散熱能力也是兩倍多），因此很難將它們進(jìn)行比較。這次，我們只比較每核功耗低于 1 到 2W 的智能手機(jī)。

第一代iPhone于2007年6月發(fā)布，隨后，兼容3G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的iPhone 3G于2008年7月發(fā)布。

iPhone 搭載的是三星制造的基于 ARM11 的 SoC，其額定頻率為 620MHz，但實(shí)際運(yùn)行頻率僅為 412MHz。相比之下，初代 Raspberry Pi 使用的 Broadcom BCM2835 擁有同樣的 ARM11 內(nèi)核，但運(yùn)行頻率僅為 700MHz 左右，這意味著初代 iPhone 和 iPhone 3G 的性能僅為初代 Raspberry Pi 的 60% 以下。

不過，2009年蘋果發(fā)布的iPhone 3GS，搭載的是三星的APL0298C05，內(nèi)置了Cortex-A8；2010年的iPhone 4，搭載的蘋果A4，同樣內(nèi)置了Cortex-A8（不過運(yùn)行頻率略高）。

Android陣營稍晚一些，于2010年1月率先發(fā)布了“Nexus One”，并于同年11月發(fā)布了“Nexus S”。Nexus One搭載的是單核Cortex-A5處理器的“Snapdragon S1”，性能略遜一籌，而Nexus S則搭載的是Cortex-A8處理器的“Samsung Exynos 3”，性能幾乎與iPhone相當(dāng)。

2011年3月，ARM發(fā)布了64位指令集ARM v8-A 。蘋果是首批支持該指令集的公司之一，并憑借Apple A7實(shí)現(xiàn)了64位支持。

谷歌雖然趕上了搭載驍龍 805 的 Nexus 6，但不可否認(rèn)的是，他們的反應(yīng)略顯遲緩。順便提一句，iOS 和 Android 都很快將操作系統(tǒng)本身兼容 64 位，但應(yīng)用程序的 64 位兼容卻需要一些時間。

順便說一句，在 x86 架構(gòu)下，32 位和 64 位的指令相同，因此處理性能基本沒有差異。當(dāng)然，升級到 64 位也有好處，例如主內(nèi)存超過 4GB，但就對性能的直接影響而言，通用寄存器的數(shù)量增加了（因此無需浪費(fèi)堆棧），這使得速度略有提升（事實(shí)上，最初有很多編譯器即使在 64 位下也忠實(shí)地輸出了堆棧代碼）。

然而，就 Arm 而言，32 位 (AArch32) 和 64 位 (AArch64) 的指令集本身有所不同，從而可以實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)行速度。話雖如此，性能變化雖然沒有那么顯著，但也確實(shí)實(shí)現(xiàn)了一定的加速。然而，要享受這些優(yōu)勢，不僅操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序也需要兼容 64 位，而這種轉(zhuǎn)變似乎進(jìn)展緩慢。

在 Arm，在單個處理器中同時實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗核心的“big.LITTLE”于 2011 年發(fā)布，但直到 2015 年之后才在產(chǎn)品中實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

谷歌率先在 Nexus 6P 的驍龍 810 處理器上實(shí)現(xiàn)了 big.LITTLE 架構(gòu)。次年，也就是 2016 年，蘋果也在 A10 Fusion 處理器上實(shí)現(xiàn)了 big.LITTLE 架構(gòu)。

我覺得有意思的是，當(dāng)時驍龍的競爭對手，以及當(dāng)時并未列入該表格的三星Exynos和聯(lián)發(fā)科Helio/Dimensity系列，都推出了8核產(chǎn)品陣容，這是big.LITTLE支持的最高配置。有些產(chǎn)品，比如聯(lián)發(fā)科的Helio X20至X30，甚至推出了獨(dú)特擴(kuò)展的10核配置（2個超高性能核心+4個高性能核心+4個低功耗核心）的產(chǎn)品陣容，而蘋果則保持了2 big + 4 LITTLE的6核配置。

現(xiàn)實(shí)中，考慮到功耗限制，總會存在即使擁有很多大核心，也無法長時間運(yùn)行的問題，而從結(jié)果來看，不能否認(rèn)蘋果的實(shí)現(xiàn)可能取得了更高的有效性能。

最新的架構(gòu)變化是支持Armv9-A。原本Arm指令集，尤其是Arm v8-A，有很多子版本。

• v8.0-A：基本 64 位指令

• v8.1-A：添加了原子指令/VHE（虛擬化主機(jī)擴(kuò)展）

• v8.2-A：增加了 FP16 支持、統(tǒng)計(jì)分析、RAS（可靠性、可用性、可維護(hù)性）功能和 SVE

• v8.3-A: 嵌套虛擬化、RCpc(Release Consistent 處理器一致)、指針認(rèn)證を追加

• v8.4-A：增強(qiáng)加密指令，增加SHA512/SHA3兼容指令，增加安全EL2和MPAM（內(nèi)存分區(qū)和監(jiān)控）

• v8.5-A：添加了隨機(jī)數(shù)生成指令、分支目標(biāo)標(biāo)識符和內(nèi)存標(biāo)記。

• v8.6-A：MatMul 指令、BF6 支持、虛擬化增強(qiáng)、指針驗(yàn)證增強(qiáng)（增強(qiáng)型 PAC2/FPAC 實(shí)現(xiàn)）、高精度計(jì)時器

• v8.7-A：支持 PCIe 熱插拔、原子 64 字節(jié)加載/存儲、WFI（等待指令）/WFE（等待事件）

• 然而，有沒有一款處理器能夠支持這一切呢？就連Arm也沒有這樣的處理器。

或許他們認(rèn)為這是一個問題，因?yàn)?021 年發(fā)布的Armv9-A，或者更確切地說是 Armv9.0-A，是由 Arm v8.5-A + CCS（機(jī)密計(jì)算架構(gòu)）+ SVE2 組成的，而 v9.1-A/v9.2-A 是融合了 v8.6-A/v8.7-A 功能的 v9.0-A。

Arm 內(nèi)核方面，2021 年及之后發(fā)布的“Cortex-X2”、“Cortex-A710”、“Cortex-A510”均兼容 Arm v9-A，而蘋果 2024 年發(fā)布的“A18 Bionic”也終于兼容 Arm v9-A。

不過，就蘋果而言，A10 兼容 Arm v8.1-A，A11 兼容 Arm v8.2-A，A12 兼容 Arm v8.3-A，A14 兼容 Arm v8.4-A，A15 兼容 Arm v8.5-A，A16/A17 兼容 Arm v8.6-A。而 Arm 的 Cortex-X1 則基本兼容 Arm v8.1-A，只添加了 Arm v8.2-A 中的 RAS 和加密指令、v8.3-A 中的 LDAPR 指令以及 v8.4-A 中的點(diǎn)積指令，因此是一個不完整的實(shí)現(xiàn)。

Arm v9-A 的優(yōu)勢除了支持 SVE2 之外，還在于它解決了 v8.5-A 中的分支目標(biāo)標(biāo)識符和內(nèi)存標(biāo)記等漏洞，但由于 Apple 實(shí)際上首先實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，因此這實(shí)際上并不是什么大缺點(diǎn)。

那么，我們已經(jīng)簡要介紹了蘋果和谷歌五個時代的智能手機(jī)以及它們所實(shí)現(xiàn)的核心功能，最后讓我們總結(jié)一下它們的性能。

我做了一些研究，但 Geekbench 是唯一一個涵蓋所有內(nèi)容的測試平臺，它包含了 v3、v4、v5 和 v6 的分?jǐn)?shù)。表 1 至表 5 展示了 Geekbench 的結(jié)果，這些結(jié)果代表了多核分?jǐn)?shù)的代表性值。

另外，表1中各代產(chǎn)品均沒有Geekbench跑分，沒辦法，只能通過核心的DMIPS值（ARM11：1.25 DMIPS/MHz，Cortex-A5：1.57 DMIPS/MHz，Cortex-A8：2.0 DMIPS/MHz，Cortex-A9：2.5 DMIPS/MHz）乘以核心數(shù)和工作頻率來計(jì)算這一代產(chǎn)品的性能比。

此外，基準(zhǔn)測試之間的性能比較也以基準(zhǔn)測試結(jié)果的幾何平均值來計(jì)算，就像前面的計(jì)算一樣。

結(jié)果如圖1所示，對于蘋果來說，2007年6月的第一代iPhone到2024年9月的iPhone 16 Pro之間的性能比計(jì)算為384.9倍，17年零3個月就是384.9倍，所以年增長率大概是40.5%。

另一方面，對于谷歌而言，2010 年 1 月的 Nexus One 與 2025 年 3 月的 Google Pixel 9a 之間的比率約為 76 倍。年增長率約為 32.2%，略顯緩慢。原因之一是，谷歌的 Tensor G4 搭載了 Cortex-X4 核心，但其最高主頻僅為 3.1GHz，增長幅度不大，而主要原因被認(rèn)為是使用了三星的 4LPP。考慮到競爭對手蘋果 A18 Bionic 的 Everest Core 最高主頻為 4GHz，這被認(rèn)為是一定程度上抑制性能增長的一個因素。

6月19日，韓國媒體The Bell報道稱，谷歌已將 Tensor G5的制造外包給臺積電（韓語鏈接），但這似乎是不可避免的。如果我們假設(shè)Tensor G4運(yùn)行在4GHz，并且Geekbench跑分也隨著運(yùn)行頻率的提高而增加，那么性能增長率將達(dá)到每年34.7%。雖然不如蘋果，但仍然是一個合理的性能增長。

在之前的文章中，我們展示了 49 年內(nèi) 6769 萬次的性能提升，即每年 44.5% 的增長率，但蘋果的 40.5% 與這個數(shù)字相當(dāng)接近。然而，如果查看圖表，就會發(fā)現(xiàn)即使是蘋果，其增長速度自 2019 年以來也逐漸放緩。2019 年 9 月的 A13 仿生芯片與 2024 年 9 月的 A18 仿生芯片之間的性能比大約是 2.2 倍。按年率計(jì)算，這僅相當(dāng)于 15.1% 左右的增長。這可能是因?yàn)閲?yán)格的功耗和實(shí)現(xiàn)面積限制，導(dǎo)致無法隨意增加核心數(shù)量或提高工作頻率。

另一方面，他們僅通過改進(jìn)架構(gòu)就能將性能每年提高 15%，這也許令人驚嘆。