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Processori iPhone, Apple e la corsa verso il pieno controllo

Ott 27, 2016

Da anni si vocifera che Apple potrebbe abbandonare i chip di Intel per dotare i propri computer di microprocessori ARM personalizzati, soluzioni identiche o potenziate dei chip che l’azienda realizza per i propri smartphone e tablet.

Apple è sempre stata amante dell’ecosistema totalmente integrato, di cui ha il pieno controllo. Di pari passo i suoi chip sono diventati sempre più potenti e oggi offrono una potenza elevata, specie con carichi single-thread, che sotto certi versi non ha molto da invidiare ai processori desktop di Intel. Non sappiamo se e quando Apple abbandonerà i chip Intel, ma di certo dall’introduzione del primo chip Apple A4 è stata una costante ascesa fino all’attuale A10, in cima a tutte le classifiche prestazionali.

apple logoapple logo

In queste ore David Kanter di RealWorldTech, giornalista tecnico di fama interazionale, ha scoperto che Apple progettainternamente anche la GPU dei suoi prodotti a partire dall’iPhone 6.

In pratica il chip grafico integrato a partire dall’Apple A8 sarebbe una soluzione proprietaria di Apple. Kanter ha riscontrato infatti importanti differenze tra le architetture grafiche presenti negli ultimi chip Apple e quelle di Imagination Technologies, storico partner della Mela. L’hardware grafico di Apple sarebbe ad esempio basato su registri a 16-bit half-precision, mentre le architetture PowerVR supportano l’half-precision ma non ne richiedono l’uso.

Il vantaggio nell’usare la precisione a 16 bit non riguarderebbe le prestazioni ma l’efficienza. Con meno dati archiviati in un determinato registro sarebbe necessaria meno energia per spostare quel dato nel chip. All’interno della GPU ci sarebbero comunque proprietà intellettuali di Imagination Technologies, legate ai blocchi a funzione fissa.

“Ciò implica che Apple ha scritto il proprio compilatore Metal e OpenGL ES per le sue GPU e quasi certamente ha scritto anche l’intero driver”, aggiunge Kanter. Per Apple realizzare anche la GPU dei propri SoC è un vantaggio perché può controllare appieno l’ecosistema e decidere quando arrivare sul mercato, senza dipendere da altri. Per esempio, qualcuno potrebbe dire, da Intel.

La scoperta di Kanter farà certamente discutere e rappresenta un buono spunto per ripercorrere la storia dei chip Ax di Apple in rapida carrellata.

Apple A4

Il chip Apple A4 fece la sua comparsa per la prima volta a bordo dell’iPad 1, per poi arrivare sull’iPhone 4, l’iPod Touch di quarta generazione e la seconda generazione dell’Apple TV. Si trattava di un system on chip ARM a 32 bit (ARMv7-A) progettato da Apple e prodotto da Samsung con processo a 45 nanometri.

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Al suo interno un core Cortex A8 modificato (nome in codice Hummingbird) con una frequenza di 1 GHz e una GPU PowerVR SGX 535 di Imagination Technologies. Sull’iPhone e l’iPod Touch la frequenza del core venne ridotta a 800 MHz. Il chip aveva 32 KB di cache L1 data e instruction e 512 KB di cache L2. Il package non conteneva RAM: l’iPhone 4 contava di 512 MB di memoria mentre gli altri dispositivi di 128 MB.

Per farci una veloce idea delle prestazioni di questo chip rispetto a oggi basta guardare il benchmark Geekbench: nel test single core farebbe meno dei 280 punti dell’A5 montato su un iPhone 4S, a dispetto dei 3300 punti dell’A10 Fusion di iPhone 7 Plus. Perciò stiamo parlando di una differenza probabilmente del 100%, se non oltre. All’epoca questo chip sfidava e batteva il chip Qualcomm Snapdragon QSD8250 del Nexus One e si comportava decisamente meglio del Cortex A8 a 800 MHz a bordo dell’iPhone 3GS.

Apple A5

Dopo l’A4 toccò all’A5. Continuava a essere un SoC a 32 bit prodotto da Samsung. La prima versione venne realizzata con processo a 45 nanometri e apparve sull’iPad 2. Secondo Apple l’A5 aveva una CPU il doppio più veloce dell’A4 e una GPU nove volte migliore.

apple a5apple a5

A bordo c’erano due core Cortex A9 personalizzati e una GPU dual-core PowerVR SGX543MP2. Il chip A5 manteneva, almeno sulle specifiche tecniche, la frequenza di 1 GHz. Il SoC si dimostrò poi in grado di gestire la frequenza in modo dinamico per contenere i consumi il più possibile. Apple mantenne 32 KB di cache L1 data e altrettanti per quella instruction, mentre aumentò la cache L1 a 1 MB.

Il chip diventò successivamente il cuore dell’iPhone 4S, ancora una volta impostato a una frequenza leggermente inferiore di 800 MHz. Sia sull’iPhone 4S che sull’iPad 2 il chip fu affiancato da 512 MB di memoria LPDDR2 dual-channel. Nel chip Apple incluse anche un ISP (image signal processor) destinato a svolgere operazioni di post processing avanzate sulle immagini come la rilevazione dei volti, il bilanciamento del bianco e la stabilizzazione automatica dell’immagine. C’era anche un’unità per la cancellazione del rumore per un audio in chiamata più cristallino.

L’Apple A5 approdò anche sulla Apple TV di terza generazione, l’iPod Touch di quinta generazione e l’iPad mini. Si trattava di una cosiddetta “revisione”, ossia era lo stesso chip ma prodotto a 32 nanometri anziché a 45 nanometri. In questo modo fu possibile creare un chip più piccolo e quindi sfornare più chip per wafer e contenere i costi. Questo chip, inoltre, finì anche in una successiva revisione dell’iPad 2. La versione a bordo della Apple TV aveva un solo core attivo per la CPU. In tutti questi casi venne affiancato da 512 MB di memoria LPDDR2. In seguito arrivò un’ulteriore revisione con un solo core attivo per CPU e GPU, destinata sempre alla Apple TV.

Apple A5X

Dopo Apple A5 fu la volta di un altro SoC, l’A5X. Il primo SoC “X” della casa di Cupertino fece capolino sulla terza generazione dell’iPad. Si trattava di un potenziamento di A5 con il doppio delle prestazioni grafiche. Non fu un chip particolarmente fortunato, né lo fu l’iPad 3, rimpiazzato dopo pochi mesi dall’iPad 4 e oggi non supportato da iOS 10.

L’A5X integrava due core ARM Cortex-A9 a 1 GHz e una GPU quad-core PowerVR SGX543MP4 a 250 MHz. Rispetto all’A5 Apple aveva raddoppiato l’interfaccia di memoria, una mossa utile per sostenere la “richiesta” di pixel del Retina display. L’A5X fu realizzato da Samsung a 45 nanometri ed era un die circa tre volte più grande dell’A4 (163 mm2 vs 53,3 mm2). Al tempo l’A5X se la vedeva con il chip Nvidia Tegra 3. Allora Apple disse che l’A5X offriva prestazioni grafiche quattro volte superiori al chip di Nvidia. Tale affermazione risultò però un po’ troppo ottimistica.

Apple A6

Con l’iPhone 5 (e 5C) arrivò l’Apple A6, un chip a 32 bit che rispetto all’Apple A5 raddoppiava tanto le prestazioni di calcolo quanto quelle grafiche. Al suo interno c’erano due core Swift a 1,3 GHz e una GPU PowerVR SGX543MP3 a tre core con frequenza di 266 MHz. Il core Swift rappresentò un vero cambiamento rispetto all’architettura ARM Cortex A9: il chip rimaneva ARM, ma Apple mise in atto una riprogettazione più marcata. Cache L1 e cache L2 non cambiavano rispetto all’A5. Accanto al chip c’era 1 GB di memoria LPDDR2-1066 anziché 512 MB di memoria LPDDR2-800 dell’Apple A5.

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iPhone 5C

Il chip aveva anche un ISP rinnovato per migliorare la velocità nella cattura delle immagini, le prestazioni della fotocamera con basse luci, la riduzione del rumore e la stabilizzazione ottica. Il chip venne nuovamente prodotto da Samsung con processo produttivo High-K metal gate (HKMG) a 32 nanometri. Il die aveva una dimensione di 96,71 mm2, cosa che lo rese il 22% più piccolo dell’A5.

Apple A6 offriva prestazioni nettamente superiori all’A5: secondo Geekbench 4 mentre l’A5 di iPhone 4S tocca i 282 punti in single-thread, l’A6 arriva a 720 punti circa. Un distacco simile si verifica anche nel test dual-thread.

Apple A6X

apple a6x

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L’iPad 4 arrivò nello stesso anno dell’iPad 3, con un chip chiamato A6X. Questa soluzione aveva due core Swift a 1,4 GHz, una GPU quad-core PowerVR SGX554MP4 a 300 MHz e un sottosistema di memoria quad-channel. Secondo Apple il chip surclassava l’A5X offrendo prestazioni doppie tanto per il calcolo quanto per la grafica. Anche questo chip venne prodotto da Samsung con processo High-K metal gate (HKMG) a 32 nanometri. Date le caratteristiche, aveva un die di 123 mm2 il 30% più grande dell’A6.

Apple A7

Apple A7 vuol dire anche primo SoC mobile a 64 bit. Una mossa che anticipò i tempi e spiazzò tutti, Qualcomm in testa. Il chip venne presentato con l’iPhone 5S nel settembre 2013. Alla presentazione Apple disse che il chip offriva prestazioni doppie sul fronte dei calcoli e della grafica rispetto all’A6.

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Al suo interno trovavano spazio due nuovi core Cyclone a 1,3-1,4 GHz, 64 KB di cache L1 instuction e 64 KB di cache L1 data per core, 1 MB di cache L2 condivisa e 4 MB di cache L3. Il set di istruzioni ARMv8-A raddoppiava il numero di registri di A7 rispetto ai chip precedenti, migliorando le prestazioni. A7 integrava una GPU PowerVR G6430 in configurazione a quattro cluster e un nuovo processore d’immagine.

apple a7apple a7

Interessante anche un’area chiamata Secure Enclave per immagazzinare e proteggere i dati del sensore d’impronte, una novità di iPhone 5S. Rispetto ad Apple A6, il SoC A7 non gestiva più accelerometro, giroscopio e bussola, il cui comandò passò a un coprocessore di movimento chiamato M7. Il chip venne realizzato con da Samsung con processo High-K metal gate (HKMG) a 28 nanometri, per un die da 102 mm2 e oltre 1 miliardo di transistor. Il chip venne usato anche per l’iPad Air 1.

Apple A8

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Dopo il passaggio ai 64 bit, Apple ha continuato a lavorare su nuovi SoC e dopo l’A7 fu la volta di A8. Apparso per la prima volta a bordo di iPhone 6 e iPhone 6 Plus nel settembre 2014, aveva una CPU capace di offrire il 25% di prestazioni di calcolo e il 50% di prestazioni grafiche in più – consumando solo metà dell’energia – dell’A7.

Prodotto a 20 nanometri, integrava 2 miliardi di transistor: si trattava di un valore doppio rispetto all’A7 ma allo stesso tempo il SoC è il 13% più piccolo, con un die di 89 mm2. All’interno due core Cyclone migliorati noti come Typhoon e una GPU che finora è stata indicata come una PowerVR GX6450 a 4 cluster, ma che in base alle rivelazioni di David Kanter dovrebbe essere un progetto interno ad Apple.

Apple A8X

Con il SoC A8X, integrato nell’iPad Air 2, Apple optò per una configurazione a tre core. Si trattava sempre di core Cyclone “migliorati”, impostati a una frequenza di 1,5 GHz nel caso specifico. Rispetto all’A7 e all’A8, il nuovo SoC aveva 1 MB di cache L2 in più e un bus di memoria a 128 bit. A bordo c’era anche una GPU più potente. Come scritto in apertura, se finora per questo SoC si parlava di una PowerVR Series 6XT a 8 cluster (GXA6850), da oggi non è più chiara la sua natura.

apple a8xapple a8x

Formato da 3 miliardi di transistor, il chip era – a detta di Apple – il 40% più veloce nei calcoli e 2,5 volte più veloce sul fronte grafico dell’A7. Rispetto All’A8 si registrarono prestazioni single thread in aumento del 13% e un +55% nei calcoli multi-thread. Accanto al chip, sull’iPad Air 2, c’erano 2 GB di memoria LPDDR3-1600.

Apple A9

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Il chip A9 è il cuore di iPhone 6S, 6S Plus e iPhone SE. Alla presentazione Apple affermò che era il 70% più potente sul fronte dei calcoli e il 90% più potente su quello grafico rispetto all’A8. Il chip venne prodotto a 16 nanometri FinFET da TSMC e 14 nanometri FinFET da Samsung e questo portò ad avere die leggermente diversi: l’A9 prodotto da Samsung occupava un’area di 96 mm2, mentre quello di TSMC era il 9% più grande con 104,5 mm2.

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A bordo del SoC c’erano due core Twister a 1,85 GHz e una GPU di nuova fattura. In passato si parlava di una PowerVR GT7600 con sei core, ma dopo le affermazioni di Kanter non ne siamo più così sicuri.

La cache L2 salì a 3 MB e il chip supportava memoria LPDDR4 – 2 GB su iPhone 6S. All’interno di A9 c’era anche un nuovo processore d’immagine e un coprocessore M9 capace di occuparsi di più dati, non solo quelli dei sensori ma anche i comandi vocali tramite Siri.

Apple A9X

Secondo Apple l’A9X a bordo di iPad Pro è 1,8 volte più potente e ha una GPU il doppio più veloce dell’A8X. Successive analisi hanno dimostrato che il chip ha un die da 147 mm2 prodotto solo da TSMC con processo a 16 nanometri FinFET.

All’interno del SoC ci sono core ARM personalizzati molto complessi (Twister) a 2,26 GHz, ma a colpire è l’area molto ampia occupata dalla GPU. In passato si scriveva che si sarebbe trattarato di una soluzione PowerVR 7 a 12 cluster, progettata da Imagination Technologies, ma da oggi questa informazione è in dubbio. Il sottosistema di memoria LPDDR4 con bus a 128 bit è in grado di assicurare un bandwidth di 51 GB/s (il doppio dell’A9).

Un’altra sorpresa è l’assenza di cache L3. I precedenti SoC per tablet di Apple erano dotati di una cache di terzo livello, ma in questo caso Apple ha cambiato radicalmente il design. Secondo Anandtech l’assenza è dovuta al passaggio alle LPDDR4 che, unitamente il bandwidth più elevato, permette di non aver bisogno di una grande cache.

Apple A10 Fusion

Il chip Apple A10 Fusion rappresenta il SoC più potente sul mercato in questo momento, almeno per quanto riguarda le prestazioni single thread. Lo ritroviamo a bordo di iPhone 7 e 7 Plus. È il primo chip quad-core di Apple, con due core ad alte prestazioni (Hurricane a 2,34 GHz) e due core più efficienti (Zephyr).

apple a10 fusionapple a10 fusion

Secondo la casa di Cupertino le prestazioni della CPU sono superiori del 40% all’A9, mentre quelle grafiche fanno segnare un +50% grazie a una GPU che probabilmente ha sei core. L’A10 copre un’area di 125 mm2, integra 3,3 miliardi di transistor ed è prodotto a 16 nm FinFET.

I due core a basso consumo assorbono il 20% dell’energia dei core Hurricane e sono usati per operazioni semplici come quelle di routine – controllo delle email, messaggistica, ecc. Un controller decide quali core chiamare in causa in base al carico.

apple a10 fusion gpuapple a10 fusion gpu

L’A10 ha 64 KB di cache L1 dati e 64 KB di cache L1 instruction, una cache L2 di 3 MB condivisa e 4 MB di cache L3. La GPU a sei core è il 50% più veloce e consuma il 66% dell’energia dell’A9. Sul package del chip trovano spazio i chip LPDDR4 di Samsung che permettono ad iPhone 7 e iPhone 7 Plus di avere rispettivamente 2 GB e 3 GB di memoria RAM. Secondo i test sul campo il nuovo A10 Fusion è nettamente più veloce dei chip Samsung Exynos 8890 e Qualcomm Snapdragon 821.

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