【A7處理器架構(gòu)再探：竟有“三級(jí)緩存”】

自從iPad 2之后，這是蘋果第一次在三款設(shè)備內(nèi)使用同樣的處理器、協(xié)處理器，A7、M7橫跨了iPhone 5S、iPad Air、iPad mini 2，編號(hào)均為S5L8960X，無(wú)論CPU核心、GPU核心、內(nèi)存帶寬都是一樣一樣的。

A7是第一顆64位的移動(dòng)處理器，架構(gòu)代號(hào)“Cyclone”(蘋果基于ARMv8指令集自行開(kāi)發(fā)而來(lái))，集成兩個(gè)CPU核心，每個(gè)核心64KB一級(jí)指令緩存、64KB一級(jí)數(shù)據(jù)緩存，兩個(gè)核心共享2MB二級(jí)緩存。

從A6 Swift開(kāi)始，蘋果就基于ARM指令集自行設(shè)計(jì)CPU架構(gòu)，而且出手就表現(xiàn)不凡，那么這一次，A7 Cyclone又是怎么設(shè)計(jì)的呢？遺憾的是，蘋果從來(lái)不公開(kāi)這方面的細(xì)節(jié)，A7仍然蒙著神秘的面紗。一度我們認(rèn)為它不過(guò)是A6 Swift(蘋果的ARMv7)的進(jìn)化版而已，畢竟你設(shè)計(jì)了一個(gè)CPU，沒(méi)必要馬上拋棄重新來(lái)過(guò)。

但我們?cè)俅蔚凸懒颂O果。

首先我們想知道的是，A7 CPU的發(fā)射寬度是多少？A6的時(shí)候，可以從蘋果公開(kāi)的LLVM文檔中輕易獲悉三寬度的信息，不過(guò)呢，盡管每個(gè)時(shí)鐘周期都可以解碼、發(fā)射、收回最多三個(gè)指令，大多數(shù)情況下更像是雙發(fā)射的，浮點(diǎn)、整數(shù)代碼混合的時(shí)候甚至像1.5發(fā)射。事實(shí)證明，A6的架構(gòu)設(shè)計(jì)很成功，面對(duì)高通Krait 300也不落于下風(fēng)。

A7呢？就目前看來(lái)，峰值發(fā)射寬度達(dá)到了六！也就是相當(dāng)于A6、Krait的兩倍，混合不同指令的時(shí)候更是能有三倍。

浮點(diǎn)、整數(shù)的共同發(fā)射局限也基本不存在了，可以并行發(fā)射最多四個(gè)整數(shù)加法、兩個(gè)浮點(diǎn)加法。每個(gè)時(shí)鐘周期還可以執(zhí)行最多兩個(gè)載入或者存儲(chǔ)。

執(zhí)行端口的數(shù)量和分布仍不清楚，但是看上去A7已經(jīng)是最寬的ARM架構(gòu)了，甚至比高通Krait 400、ARM Cortex-A15都要寬。

之前的分析曾經(jīng)提到A7大大縮短的內(nèi)存延遲、大大提高的內(nèi)存帶寬，但還有更重要的一點(diǎn)：更大的系統(tǒng)級(jí)緩存。

這是Chipworks是公布的A7內(nèi)核模塊分布圖，注意右側(cè)的SRAM。它的容量有4MB，最初以為是給ISP(圖像信號(hào)處理器)用的，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)不止如此，某種程度上可以視為“三級(jí)緩存”。

這是單個(gè)核心情況下的內(nèi)存延遲、傳輸尺寸對(duì)比圖。注意看，1-4MB區(qū)間的延遲不高也不低，再考慮到A7的二級(jí)緩存還是1MB，這就很明顯了，4MB SRAM充當(dāng)了緩存的角色，雖然趕不上二級(jí)緩存，但總比主內(nèi)存快得多。

這是內(nèi)存帶寬和傳輸尺寸的對(duì)比圖，1-4MB區(qū)間內(nèi)同樣是個(gè)比較高的水平，甚至超過(guò)了10GB/s，iPad 4此時(shí)已經(jīng)完全是主內(nèi)存的事兒了，只有不到5GB/s。

上邊說(shuō)的還是單個(gè)核心的情況，而A7是雙核心的，所以1-4MB期間的實(shí)際內(nèi)存帶寬能有20GB/s，而峰值可以達(dá)到80GB/s！迄今為止，還沒(méi)有其它ARM架構(gòu)處理器能做到這一點(diǎn)，只有Intel可以。

不過(guò)，這畢竟不是“專業(yè)”的三級(jí)緩存，比如在其間的查詢就不是和主內(nèi)存請(qǐng)求并行的，并不能完全解救內(nèi)存延遲。

另外，它對(duì)GPU訪問(wèn)的影響還在研究之中，不過(guò)至少可以釋放更多的內(nèi)存通道給GPU，而且看上去某些圖形請(qǐng)求也能在這里緩存，并支持根據(jù)運(yùn)行應(yīng)用類型的不同進(jìn)行智能分配。

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【A7 CPU運(yùn)行頻率；平臺(tái)功耗】

盡管都是A7，但畢竟設(shè)備環(huán)境不同，iPad Air、iPhone 5S里的A7仍有一些明顯地差異，首先就是主頻從1.3GHz提升到了1.4GHz，也就是加高了7.7％，這很好理解。

但是不知為何，iPad Air A7所能實(shí)時(shí)處理的指令也要比iPhone 5S里的多出來(lái)超過(guò)20％，反復(fù)測(cè)試均是如此。懷疑蘋果在固件、微代碼上的設(shè)置有所不同，甚至可能是不同的內(nèi)核修訂版本？

第三，也是變化最大的。平板的散熱空間自然要大于手機(jī)，實(shí)際運(yùn)行頻率也要更高。以下是在同樣條件下對(duì)iPad Air、iPhone 5S的拷機(jī)測(cè)試結(jié)果：

 

iPhone 5S最初兩分鐘的實(shí)際頻率在1.4-1.5GHz之間，之后就跌落到900MHz-1GHz左右，基本就在這個(gè)檔次上徘徊。別小瞧了頭兩分鐘，拷機(jī)測(cè)試?yán)锬苓@么久堅(jiān)持高頻率運(yùn)行對(duì)手機(jī)來(lái)說(shuō)是非常不容易的，因此在日常使用中，iPhone 5S完全可以一直跑滿1.3GHz。

iPad Air就放開(kāi)得多了，最初就有1.5-1.6GHz，之后雖然不斷慢慢下降但很不明顯，直到十幾分鐘后依然跑在1.4GHz左右，測(cè)試結(jié)束的時(shí)候也有大約1.2GHz，此時(shí)性能可以領(lǐng)先iPhone 5S 40％之多。

電池續(xù)航能力是對(duì)平臺(tái)功耗的最直接反應(yīng)，不過(guò)在那之前，我們要來(lái)看具體會(huì)耗多少電，雖然只是初步的粗略測(cè)試。

一方面，A7使用了新的28nm工藝(A6 32nm)；另一方面，新的CPU、GPU無(wú)疑功耗都會(huì)更高。究竟哪方面影響更大呢？當(dāng)然，這不僅僅涉及處理器，還有其它零部件，尤其是屏幕。

 

測(cè)試啟動(dòng)之前就開(kāi)始記錄了，好順便看看待機(jī)功耗，結(jié)果iPad Air只相當(dāng)于iPad 4 72％左右。

而在測(cè)試負(fù)載期間，iPad Air、iPad 4的功耗都在7W左右，不過(guò)前者性能強(qiáng)得多，只用不到后者一般的時(shí)間便完成了測(cè)試，結(jié)果自然能省電很多。

 

不過(guò)在最大功耗方面，iPad Air已經(jīng)接近了12W，iPad 4則還不到8W，當(dāng)然這是一種極限情況，尤其是CPU跑滿的時(shí)候，實(shí)際應(yīng)用、游戲里沒(méi)這么高。事實(shí)上，跑圖形要求最高的GFXBench 2.7 T-Rex HD，平臺(tái)功耗也才大約6W，《無(wú)盡之劍3》等游戲里更是不到5W。

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【CPU性能實(shí)測(cè)：天下無(wú)敵 Intel也拜服】

以下成績(jī)就不一一解釋了，總而言之一句話：ARM架構(gòu)的處理器世界里，A7的性能絕對(duì)是卓爾不群的，只有T4偶爾能靠近以下；Intel新架構(gòu)的Bay Trail-T同樣也完全不是對(duì)手。

 

 

 

 

 

 

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【GPU性能實(shí)測(cè)：相比iPad 4進(jìn)步巨大】

Imagination PowerVR G6430擁有四個(gè)陣列，iPad Air里的具體頻率不清楚，估計(jì)最高大約450MHz。iPhone 5S里之前認(rèn)為只有200MHz左右，但實(shí)際可能更高一些。

除了標(biāo)稱頻率不同，iPad Air實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候GPU頻率也應(yīng)該可以更長(zhǎng)時(shí)間保持在更高水平上，就像CPU。

不要忘了，A7處理器只有64-bit內(nèi)存位寬，不像A6X、A5X那樣有128-bit，而內(nèi)存帶寬對(duì)GPU性能的影響是很大的，但是同時(shí)A7還有“三級(jí)緩存”，有利于改進(jìn)內(nèi)存帶寬的使用效率。

以下成績(jī)探討的時(shí)候，我們重點(diǎn)觀察Offscreen，即統(tǒng)一分辨率，這是GPU本身性能的體驗(yàn)。Onscreen則是依據(jù)原生分辨率而來(lái)的成績(jī)，更能反映設(shè)備實(shí)際表現(xiàn)出來(lái)的性能差異。

 

GFXBench 2.7：

 

 

填充率比5S高了4.5％，遙遙領(lǐng)先。

 

  

三角形吞吐只差了2.9％，而且處于中下游水平，遠(yuǎn)不如iPad 4 PowerVR 5XT，這是彼此架構(gòu)不同決定的。PowerVR 5XT是幾乎整個(gè)GPU復(fù)制成多個(gè)核心，Power 6則是在著色器陣列上進(jìn)行復(fù)制。幸運(yùn)的是，理論成績(jī)這里大退步，但是實(shí)際性能不會(huì)這樣。

 

T-Rex HD原生分辨率下iPad Air的成績(jī)比iPad 4高了75％(蘋果宣稱2倍提升)。iPhone 5S成績(jī)更好只不過(guò)是因?yàn)榉直媛实汀?/p>

 

統(tǒng)一分辨率下，iPad Air比前代提升了69％(其實(shí)分辨率本來(lái)就一樣)，并且比iPhone 5S高了8％。

 

 

埃及經(jīng)典場(chǎng)景，iPad Air持平了NVIDIA SHIELD，也就是趕上了72核心的GeForce ULP。

3DMark：

 

Ice Storm總分比iPad 4提升了36％，同時(shí)比iPhone 5S高了8％。

 

 

 

圖形得分比前代提升了超過(guò)60％。

 

不知道3DMark物理測(cè)試怎么處理的，A7 CPU并沒(méi)有比A6成績(jī)更好。優(yōu)化還不到位？

 

 

 

 

 

Basemark X：

 

比前輩提升了46％。iPhone 5S、SHIELD只是沾了分辨率的光而已。

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【屏幕質(zhì)量分析：仍是最好的】

iPad Air屏幕沒(méi)有變化，還是9.7寸的2048×1536 IPS LCD面板，仍然是這個(gè)尺寸上最好的屏幕。

但這并不是說(shuō)沒(méi)有任何進(jìn)步，顏色校正的精確度更好了，至少評(píng)測(cè)樣品比任何經(jīng)手的iPad都要好，也比其它任何平板都要好。

 

看數(shù)據(jù)和測(cè)試圖吧：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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【攝像頭：小變 夠用就好】

雖然很多人經(jīng)常舉著iPad拍照，但是蘋果一直沒(méi)把這個(gè)當(dāng)作重點(diǎn)。iPad Air的后置攝像頭依然是500萬(wàn)像素，拍照最大分辨率2592×1936，光圈也還是F/2.4，只有焦距縮小到了3.3毫米，可以帶來(lái)更大視野，但這也僅僅是第一代iPad mini的水平。

iPad Air還改善了低ISO下的拍照，但因?yàn)閭鞲衅?、鏡頭本身沒(méi)變，拍出來(lái)的照片雖然噪點(diǎn)少了，但會(huì)更暗一些，特別是低光時(shí)。

圖像信號(hào)處理器當(dāng)然iPhone 5S上是相同的H6(都在A7處理器中)，只是沒(méi)有10FPS連拍模式，也沒(méi)有慢動(dòng)作模式，但其它好處都保留下來(lái)了，特別是拍照速度飛快，讓人懷疑它是不是也利用了“三級(jí)緩存”。

 

總的來(lái)說(shuō)拍照效果過(guò)得去，光線稍暗也不成問(wèn)題，當(dāng)然太黑就不行了。本章末尾有一大堆樣張，慢慢看。

 

 

 

前置攝像頭也保留了上代的120萬(wàn)像素、1280×900分辨率、F/2.4光圈，焦距也有所減小，但只是從2.18毫米變成2.15毫米。

更重要的是，傳感器格式變大了，靈敏度更高，可能和iPhone 5S/5C里是一樣的，用新的前置攝像頭系統(tǒng)改善低ISO拍照、提高快門速度。

 

綜合來(lái)看，照片的噪點(diǎn)有所減少，圖像更銳利，但有時(shí)候會(huì)犧牲一些亮度和曝光。

 

大名鼎鼎的Anand玩自拍

此外還加入了第二個(gè)降噪麥克風(fēng)，主要是降低背景噪音、提高錄音質(zhì)量，效果還是不錯(cuò)的。

視頻錄像方面沒(méi)任何變化，還是后置大約17Mbps碼率的H.264 High Profile，前置大約10Mbps碼率的H.264 Baseline Profile。

后置攝像頭拍照樣張：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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     【后置攝像頭拍照樣張】

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

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【電池續(xù)航：容量小了 卻更耐用了】

續(xù)航：

電池容量從42.5Wh大幅減小到32.4Wh，但是蘋果宣稱續(xù)航時(shí)間依然可達(dá)10個(gè)小時(shí)，這顯然意味著整體功耗的降低，之前的測(cè)試也證明了這一點(diǎn)。

那么電池到底能用多久呢？還是得測(cè)試說(shuō)了算。

 

Wi-Fi上網(wǎng)不多不少整整10個(gè)小時(shí)，iPad 4則還不到9個(gè)半小時(shí)，也就是說(shuō)反而延長(zhǎng)了。

LTE上網(wǎng)表現(xiàn)也不錯(cuò)，只差5分鐘不到10個(gè)小時(shí)，但是我們知道，一般情況下兩者不可能這么接近，或許有其它零部件的影響，比如屏幕？

 

720p視頻播放接近13小時(shí)40分鐘，比上代長(zhǎng)了10分鐘。(碼率4Mbps H.264、屏幕亮度200nits)

 

3D圖形測(cè)試堅(jiān)持了7個(gè)小時(shí)多一點(diǎn)，同樣不賴，iPad 4還不到6個(gè)小時(shí)呢。這個(gè)就是PowerVR G6430的功勞了。

由此可見(jiàn)，蘋果的宣傳還是有些保守的，iPad Air在電池容量減小的情況下續(xù)航時(shí)間反而普遍更長(zhǎng)了，可喜可賀。

順便說(shuō)一句，iPad 2,4仍然是個(gè)神話般的存在啊。

充電：

 

 

iPad Air充電器功率還是12W，但電池容量小了，充電時(shí)間自然更短，4個(gè)小時(shí)出頭就搞定了，縮短了一個(gè)半小時(shí)，iPad 3還得超過(guò)6個(gè)小時(shí)呢。

充電期間最大功率始終穩(wěn)定在13.5W。

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【W(wǎng)i-Fi、LTE、64位與內(nèi)存占用】

iPad Air支持雙流、雙頻段802.11n，比之前的單流能明顯提升性能，但還是不肯上802.11ac。

 

5GHz 802.11n峰值性能實(shí)測(cè)最高可達(dá)180Mbps，平均約168Mbps(21MB/s)。

 

基帶是高通的MDM9615，而且一個(gè)型號(hào)通吃美國(guó)、歐洲、中東和非洲的34個(gè)國(guó)家，支持的LTE頻段增加到14個(gè)(1/2/3/4/5/7/8/13/17/18/19/20/25/26)，但這得感謝新的收發(fā)器WTR1605L。

但是除此之外，iPad Air、iPad mini 2的網(wǎng)絡(luò)支持和iPad 4、iPad mini幾乎是一模一樣的。至于國(guó)行版能否支持國(guó)內(nèi)的4G LTE，還是個(gè)未知數(shù)。

 

iPad Air、iPhone 5S的內(nèi)存都是1GB LPDDR3，iPad mini 2不詳?shù)赡芤彩侨绱恕?/p>

目前還沒(méi)有iPad Air的拆機(jī)，蘋果也不允許拆開(kāi)評(píng)測(cè)樣品，不過(guò)估計(jì)里邊用的不是PoP一體封裝(處理器內(nèi)存在一起)，而是獨(dú)立的外置內(nèi)存顆粒。

最后說(shuō)說(shuō)64位。蘋果這么快就把它帶到移動(dòng)領(lǐng)域無(wú)疑是革命性的，后續(xù)大家肯定都會(huì)一窩蜂跟進(jìn)(事實(shí)上絕大多數(shù)廠商預(yù)定的64位ARM處理器的推出時(shí)間都是2014年下半年)，但是就像很多人問(wèn)過(guò)無(wú)數(shù)遍的那樣：64位在移動(dòng)端有用么？

桌面上可以用它支持4GB以上大內(nèi)存，可移動(dòng)設(shè)備才走到2GB，iOS的內(nèi)存效率又特別高，根本無(wú)需增大內(nèi)存容量。

一方面，64位可以帶來(lái)更多寄存器、新的指令，對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)都有好處，但隨著尋址空間的變大，指針尺寸也大了，64位應(yīng)用的內(nèi)存占用量也會(huì)隨之增加。如果蘋果還不加大內(nèi)存，未來(lái)勢(shì)必會(huì)成為問(wèn)題。

我們考察一下幾個(gè)場(chǎng)景的內(nèi)存占用量，期間都首先重置整個(gè)設(shè)備，并且關(guān)閉所有不相關(guān)應(yīng)用。

1、干凈啟動(dòng)，無(wú)任何應(yīng)用運(yùn)行。

2、啟動(dòng)Safari瀏覽器，打開(kāi)四個(gè)網(wǎng)頁(yè)標(biāo)簽。

3、啟動(dòng)64位版的《無(wú)盡之劍3》，停留在第一場(chǎng)景。

4、啟動(dòng)iOS地圖，混合視圖，3D模式，同時(shí)打開(kāi)Wi-Fi、GPS進(jìn)行定位。

5、啟動(dòng)Google地圖，定位到同一地點(diǎn)，同樣的設(shè)置。這個(gè)是32位應(yīng)用的代表。

 

總的來(lái)說(shuō)，完全的64位環(huán)境需要20-30％的額外內(nèi)存空間，使用自帶應(yīng)用的時(shí)候最大占用量不超過(guò)60％，看上去還可以接受，但隨著第三方應(yīng)用的增多，特別是后臺(tái)應(yīng)用，可能就會(huì)比較緊張了，最明顯的就是Safari切換到前臺(tái)需要重新加載網(wǎng)頁(yè)。

好消息是，A7對(duì)于那些被請(qǐng)出內(nèi)存的應(yīng)用，重新加載速度是很快的，總體來(lái)說(shuō)問(wèn)題不大。

蘋果把內(nèi)存增加到2GB只是個(gè)時(shí)間問(wèn)題，但需要等到功耗、成本都可以接受的時(shí)候。前者對(duì)iPhone來(lái)說(shuō)比較重要，iPad上就基本無(wú)所謂了，應(yīng)該會(huì)更早實(shí)現(xiàn)。

最新的iOS 7.0.3改善了64位應(yīng)用的內(nèi)存占用，不過(guò)似乎碰到了穩(wěn)定性問(wèn)題，至少明顯比32位的頻繁，系統(tǒng)也在一周內(nèi)崩潰了三次，還仍然能看到低內(nèi)存錯(cuò)誤。這是對(duì)iOS內(nèi)存管理的又一次考驗(yàn)，也對(duì)第三方應(yīng)用提出了更高的要求。

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作者：tee