從手機A系列芯片到手表S系列/W系列芯片、耳機芯片H系列以及電腦M系列芯片，蘋果給廣大用戶創造一個個驚喜。作為該公司自研定制芯片最成功之一的手機A系列芯片，伴隨著A16Bionic芯片的發佈，目下市場上開始出現一些不同的聲音，“擠牙膏”、“提升不大”等等。蘋果A系列芯片真的輝煌不再嗎？
其實不然，A16芯片依然地表最強
在最近召開的蘋果發佈會上，關於A16 Bionic芯片，蘋果在其發佈會上並沒有給予很多的筆墨。蘋果的A16擁有160億個晶體管，內含6個 CPU核、5個GPU核，16個Neural Engine，采用LPDDR5X存儲器，帶寬增加 50%，蘋果雖未提及與上一代A15 Bionic的對比，但指出A16 Bionic比對手快40%。字面上我們解到的就是這些，隨著iPhone 14系列即將上市（搭載A16芯片的隻有iPhone 14 Pro和Pro Max機型），A16芯片的效能到底有多強大，也備受外界關註。
蘋果A16芯片示意圖
據安兔兔團隊近日的跑分測評，iPhone 14 Pro的總成績為978,147，Pro Max的總成績為 972,936。與13系列型號相比，在CPU運算效能、GPU圖形運算效能、MEM存儲器讀取性能與UX體驗性能都優於前代，大約有18.8%的改進。如果從各處理器性能的提升來看，其中CPU性能提高17%，而內存得分提高10%。真正令人印象深刻的是GPU比上一代提升28%，這可能是近年來最高的代際改進。
iPhone 14 Pro 對比前代iPhone 13 Pro 的安兔兔跑分評測成績
那麼A16芯片的性能提升主要來自於哪些方面呢？首先肯定是工藝的演進，A16芯片采用的是臺積電的4nm工藝，這也是Apple首款采用4nm工藝生產的芯片。不過臺積電的4nm其實是N5技術的增強版，4nm的密度並不比5nm高20%。4nm的主要好處是在合理成本下降低功耗，蘋果表示，A16與A15相比可節省20%的功耗。
另一個因素可能是采用新的內核，A16 Bionic 芯片的6個CPU內核中，具有2個性能核心和4個節能核心，與去年iPhone 13上的 CPU設計相似。根據 Longhorn在 Twitter 上的說法，A16芯片組（代號為Crete），大核（性能內核）是Everest，小核（效率核心）是Sawtooth。其中Everest可運行高達3.46GHz，而A15 Bionic的性能內核可達到3.23GHz。因此也為A16帶來更好的性能提升。
所以在工藝和設計均沒有發生根本性變革的情況下，蘋果依然實現相比前一代18.8%的提升。足以見得蘋果不是一味對工藝進行追逐，畢竟工藝越先進，最終產品的價格還是會落實到消費者身上。
坦率的說，即使是當今最好的Android機的處理器也無法與A15相比，A16更是自然。它並不需要為其iPhone 14加入更昂貴的處理器芯片來提升競爭力。總而言之，蘋果還是穩穩保住手機處理器的性能王座。
歷代蘋果A系列芯片性能提升大比拼
知史可以明鑒，我們不妨再來回顧下蘋果歷代A系列芯片的性能提升情況。蘋果的A系列芯片組的獨特之處在於，它們擁有ARM的架構許可，允許它從頭開始設計自己的芯片。蘋果的A系列 SoC在芯片內集成一個或多個基於ARM的處理器、圖形單元、高速緩存和其他組件。A系列被廣泛用於iPhone、iPad、iPod Touch、Apple TV等各種型號的SoC系列。
蘋果歷代A系列處理器情況一覽（圖源：CPU-Monkey）
2010年蘋果內部設計出第一款手機處理器A4，采用三星45nm工藝制造，該設計強調電源效率。A4采用Cortex-A8內核，在不同產品中以不同的速度運行：第一代iPad為1 GHz， iPhone 4和第四代iPod Touch為 800 MHz。A4的SGX535 GPU理論上每秒可以處理 3500萬個多邊形和每秒5億個像素。A4處理器不包含RAM，但支持PoP安裝。
2011年3月Apple A5隨ipad2平板電腦的發佈而首次亮相。與 A4一樣，A5也采用45nm工藝。與A4相比，A5的CPU性能提升兩倍，GPU提高9倍。A5包含一個雙核ARM Cortex-A9 CPU和一個雙核PowerVR SGX543MP2 GPU。其GPU每秒可以處理70到8000萬個多邊形，像素填充率為20億像素/秒。
2012年3月，A5X隨著第三代ipad發佈，A5X是A5的性能提升版。A5X采用四核圖形單元 (PowerVR SGX543MP4)，而不是之前的雙核，以及一個四通道內存控制器，內存帶寬達到12.8 GB/s，大約是 A5 的三倍。它的圖形性能是A5的2倍。
2012年9月，蘋果的A6伴隨iPhone 5發佈，A6采用三星32nm工藝，與A5相比，它的功耗降低22%，速度和GPU性能均提升2倍。A6使用ARMv7的雙核CPU，稱為Swift。
2012年10月，A6X隨第四代ipad發佈，同樣，A6X采用三星32nm工藝，A6X的CPU性能和GPU性能均是上一代A6的2倍。與 A6一樣，這款SoC繼續使用雙核Swift CPU，但它具有新的四核GPU、四通道內存和略高的1.4 GHz CPU時鐘頻率。
A7芯片首次出現在 2013年9月10日推出的iPhone 5S中，A7芯片采用三星的28nm工藝，在102平方毫米的尺寸中包含10億個晶體管。A7 芯片是第一個用於智能手機和平板電腦的 64 位芯片。A7采用基於Arm v8-A雙核CPU Cyclone，和集成的PowerVR G6430 GPU采用四集群配置。ARM v8-A架構使A7的寄存器數量增加一倍。
自A8開始，蘋果開始采用臺積電的工藝，2014年9月9日A8出現在iPhone 6和iPhone 6 Plus中。A8采用臺積電20nm工藝，它包含 20億個晶體管，雖然晶體管數量提升一倍，但其物理尺寸卻降低13%至89 平方毫米。與A7相比，它的CPU性能提高25%，GPU性能提高50%，功耗降低50% 。
A8X於2014年10月16日隨iPad Air 2一起問世，繼續采用臺積電的20nm工藝，包含30億個晶體管。它的CPU性能比Apple A7提高40%，GPU性能提高2.5倍。與A8不同的是，這款 SoC 使用三核 CPU、新的八核 GPU、雙通道內存和稍高的 1.5 GHz CPU 時鐘頻率。
A9於2015年9月9日在iPhone 6S和 6S Plus 中出現，A9交由臺積電和三星兩傢分別代工，三星采用14nm FinFET LPE工藝制造，臺積電采用16nm FinFET工藝制造。A9也是蘋果與三星簽訂合同制造的最後一款CPU，此後所有的A系列芯片均交由臺積電制造。蘋果聲稱A9與A8相比，CPU性能提升70%，GPU提升90%。
A9X於2015年11月11日發佈，首次出現在iPad Pro中，由臺積電16 nm FinFET工藝制造。與其前身Apple A8X相比，它的CPU性能提高80%，GPU性能提升兩倍。
A10Fusion首次出現在2016年9月7日推出的iPhone 7和7 Plus中。也是由臺積電采用 16 納米 FinFET工藝制造，與此同時，臺積電還首次引入新的InFO封裝技術，這也是臺積電能夠獨攬蘋果芯片代工的一大利器。A10采用全新的ARM big.LITTLE四核設計，具有兩個高性能內核和兩個較小的高效內核。它比A9快40%，圖形速度快50%。
Apple A10X Fusion於2017年6月5日在iPad Pro和第二代 12.9 英寸 iPad Pro 中出現，采用臺積電10nm FinFET工藝， CPU性能比其前身A9X快 30%，GPU性能快40%。
自A11系列開始，蘋果在處理器的命名中添加“仿生”，因為蘋果已經在處理器中構建自己的人工智能和機器學習邏輯區域。
Apple A11 Bionic首次出現在2017年9月12日推出的iPhone 8、iPhone 8 Plus 和iPhone X中，采用臺積電10nm FinFET工藝，在尺寸為 87.66平方毫米的芯片上包含43億個晶體管，比 A10小 30%。它具有兩個高性能核心，比A10 Fusion快 25% ，四個高效核心，比 A10 中的節能核心快70%，A11首次采用Apple設計的三核 GPU，GPU速度快30%。它也是第一款采用“神經引擎”的 A 系列芯片，用於Face ID、Animoji和其他機器學習任務。
A12 Bionic於2018年9月12日首次出現在iPhone XS、XS Max和XR中，采用臺積電7nm FinFET工藝，這是第一個在消費產品中出貨的產品，其物理尺寸為83.27平方毫米，包含69億個晶體管，比A11小 5%。其兩個高性能核心比Apple A11的速度快15%，能效提高 50%，而四個高效核心的功耗比A11的低 50%。
A12X Bionic首次出現在2018年10月30日發佈的iPad Pro（第 3 代）中。它的單核CPU性能比其前身Apple A10X快 35%，整體CPU性能快90%。A12Z是A12X的更新版本，首次出現在 2020 年 3 月 18 日發佈的第四代iPad Pro中，與A12X相比，它增加一個額外的GPU內核，以提高圖形性能。A12X 和 A12Z均使用臺積電7 nm FinFET工藝制造，包含100億個晶體管。
A13 Bionic首次出現在2019 年9月10日推出的iPhone 11、11 Pro和11 Pro Max中。采用臺積電第二代7nm N7P工藝制造，包含85億個晶體管。A13的兩個高性能核心比Apple A12快 20%，功耗降低30% ，四個高效核心比A12快20%，功耗低40%。
A14 Bionic是第一個商用的5nm芯片，首次出現在2020年10月23日發佈的第四代 iPad Air和iPhone 12中。它包含118億個晶體管，裸片尺寸為88平方毫米。它還有16核AI處理器，以及三星LPDDR4X DRAM、6 核 CPU 和具有實時機器學習功能的 4 核 GPU。A1的CPU速度比A12快40% ，GPU的速度比A12快 30%。A14 後來被用作M1系列芯片的基礎，用於各種Macintosh和iPad型號。
A15 Bionic首次出現在 2021年9月14日發佈的iPhone 13中。A15采用 5 納米制造工藝，擁有150億個晶體管，比A14的118億個晶體管數量增加27.1%。蘋果聲稱 iPhone中的A15的五核GPU比競爭對手快 50%，四核GPU比競爭對手快30%。
可以看出，在過去十年的定制芯片制造中，Apple已經能夠將CPU性能提高100倍，將GPU性能提高1000 倍。從一開始的A4到A6系列，基本保持在每一代芯片是上一代性能的2倍提升，大大的享受到摩爾定律帶來的性能提升。而在此後，隨著工藝的演進變得困難，且晶體管數量的不斷增加，蘋果手機芯片的提升鮮少有超過1倍的時候。如果按照安兔兔的跑分測評，A16芯片CPU和GPU的性能提升幅度似乎在情理之中。在某些應用領域，Apple A處理器提供極高的性能，在單核領域甚至達到與筆記本處理器相近的性能。
未來芯片性能提升靠什麼？
那麼，隨著摩爾定律逼近極限，工藝演進帶來的紅利即將不再顯現的情況下，未來芯片性能的提升靠什麼呢？大抵有這麼幾方面：
一是架構的創新。縱觀過去十幾年芯片發生大的變革和提升，一大技術是FinFET新結構器件的發明，替代原本的平面結構，繼續保持單位面積內的晶體管密度翻倍，FinFET也成為14nm之後先進技術代的主流邏輯器件。FinFET之後，到3nm及以下的器件主要圍繞GAA結構的堆疊納米片/納米線架構，1nm之後可能會采用互補堆疊器件（CFET）結構。在這些新架構方面，國內外不少廠商、專傢和科研機構都有所研究。
二是在先進封裝上的創新，如SiP、2.5D封裝和3D封裝等。Chiplet技術是一個非常有潛力的技術，目前在產業界也廣受追捧。蘋果已將多die封裝技術應用在其M1 Ultra上面，Chiplet技術或將不遠。至於其是否會應用於手機芯片中，還有待觀察。
三是材料上的創新。材料方面需要從兩處著手，一是晶體管本身的材料創新：傳統矽基材料在尺寸微縮極限下，量子限域效應會使得矽、鍺等傳統矽基材料的電學性能顯著衰退，當來到2nm的極限物理尺寸下，這些材料將變成不到點的絕緣體。二是改變晶體管之間互聯方面的材料，來解決金屬互聯層的漏電和發熱等問題。
在替代矽晶體管材料方面，目前有望的材料主要有碳納米管，碳納米管，比矽導電更快，效率更高。從理論上來說，效率可達到矽的10倍，運行速度為3倍，而僅僅隻需要消耗三分之一的能源。但其仍存在一系列的挑戰有待克服。
在晶體管互聯方面，目前的主流技術就是銅互連。業界有不少新材料探索，如鉍、鈷、釕或鉬，甚至是光互聯等。
寫在最後
不可否認的是，Apple擁有一支強大的CPU設計團隊，在過去幾年中始終如一地生產出較好的移動SoC，從而實現出色的工程設計和優於競爭對手的交貨時間。延續蘋果在手機芯片領域的成功，Mac芯片成為蘋果的下一個爆發點。2017年，蘋果公司遇到一個難題，就是iphone和Apple watch的銷售猛增，而Mac電腦的銷售卻停滯不前，主要原因是其電腦的設計或性能並沒有給用戶帶來很大的提升。2020年蘋果做出大膽的舉動，其所有電腦轉而使用自研的M系列芯片，不得不說，打造M系列芯片的電腦令人耳目一新，也因此蘋果電腦銷量猛增。蘋果儼然已成為一傢半導體巨頭。
但對於一傢系統廠商來說，隻專註於CPU性能是粗淺的。SoC不僅僅包含一個 CPU，還仍然存在GPU、調制解調器和其他一切的問題。對很多廠商來說，造出芯片已經是結果；但對蘋果來說，芯片性能固然重要，產品的性能體驗才是最終結果。
蘋果每一個重大的變革，其出發點都是能否提供更好的產品，而不是CPU能夠做到多麼強大，不過蘋果擁有最好的手機芯片這點仍然是毋庸置疑的。