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走进iPad,揭开苹果A4处理器神秘面纱

  全球再一次为苹果(Apple)公司最新移动设备iPad而疯狂。与此同时,有关iPad内部使用的苹果A4应用处理器的推测和传闻不绝于耳。UBM TechInsights公司对iPad和A4进行了全面分析,挖掘出有关iPad产品和A4处理器的一些实情。

  我们对iPad产品进行了产品拆解、详细的工艺技术和功能性版图分析,以及功能测试和功耗测量。我们拥有的苹果产品分析库(可追溯到最早的iPhone)可以帮助我们对苹果公司这个最新产品的技术、功耗和工艺特性得到一些具体的结论。

  为了更好地理解苹果公司在应用处理器方面付出的努力,有必要了解一下该公司从2007年推出的最早一代iPhone到最新的iPad产品所使用的苹果应用处理器的发展史。

  苹果每年推出两款新的移动产品,并且以交替的方式推出iPod Touch和iPhone产品,即iPhone -->iPod Touch (第一代) --> iPhone 3G -->iPod Touch(第二代) --> iPhone 3GS -->iPod Touch(第三代) --> iPad。

  寻找苹果A4的代工厂

  对应用处理器的硅片分析表明,苹果公司先是在(没有蜂窝无线功能的)iPod Touch系列产品上应用新的技术,然后在iPhone系列产品上应用相同的技术。iPhone和iPhone 3G的应用处理器都是使用三星公司的90nm 嵌入式DRAM工艺。

  当苹果自己的应用处理器切换到65nm工艺技术后,他们将同样的技术应用于iPod Touch第二代和iPhone 3GS产品。在iPod Touch第三代和iPad中可以看到相同的趋势。在苹果系统中,是iPod Touch第三代而不是iPad率先采用45nm应用处理器。

  由于见证过苹果公司在移动市场上推出的每款产品,因而我们能够在以前的应用处理器的相关信息基础上迅速发现A4处理器的工艺节点和代工厂信息。有关这方面进展的报告可从网上免费获取。

  尽管工艺节点识别相对比较简单,但判断一个半导体产品的代工厂或制造商则极具挑战性。对一些主要代工厂的多代工艺节点的持续跟踪是我们成功的关键。我们将A4的一些特性(如裸片边缘密封、钝化和电介质)与来自众多制造商的已知特征作了详细比较。我们发现,第三代iPod Touch和iPad使用的这两款45nm处理器有相当程度的一致匹配性,因此我们断定三星是A4处理器的代工厂。

  iPad产品功耗分析

  在使用25瓦时的电池时,苹果iPad宣称其电池寿命可以达到10小时以上,这是一个很重要的产品差异化因素,值得我们作进一步调查。最令人感兴趣的是A4处理器的功耗,因为苹果收购Intrinsity和PA Semi公司后很可能改善了处理器的性能及功耗。

  通过执行功能性测试和功耗测量,我们发现了iPad的更多功耗特性。正如在完整产品拆解报告中所引用的图2所示,LCD模块功耗约在1W至3.5W之间,具体取决于液晶面板的亮度。网页浏览器是iPad的典型应用之一,当运行在中等屏幕亮度时,其功耗稍大于2W。

  结合测量结果和交叉引用数字可以发现,iPad主板的功耗约1W。假设50%至80%的主板功耗是由A4处理器造成的,我们认为在使用Wi-Fi连接进行网页浏览时,A4处理器的功耗在500mW至800mW之间。

  在播放音乐或视频等功能时,如果LCD屏幕设置在最小亮度,则iPad的功耗在1.5W至1.7W之间。在去掉LCD功耗的情况下,主板功耗在450mW至 650mW之间。再次假设CPU功耗占整体功耗的50%至80%,那么A4的功耗估计在250mW至520mW之间。

  总之,上述数字反映了该产品高效的CPU设计,这与那些采用先进工艺节点、在关键路径优化方面有所创新的基于ARM的类似设备所公开的指标一致。不过,苹果是首家向市场推出这种等级产品的公司。

  功耗测量结果还表明,LCD背光仍是iPad中较耗电的部分,至少对于光照浏览和媒体操作功能而言是这样。有关我们功率测量的更多细节请参阅我们的iPad产品拆解报告。

  A4处理器内部细节

  在确信A4特性与一些创新传闻一致后,下一步我们开始对硅片和固件进行分析,以判断芯片设计是否实现了专利性的改进。我们使用各种方法来研究芯片本身,包括功能性版图分析,这种分析方法可以揭示直到硅片基底的处理器硅片特性,并暴露出处理器的各种构建模块。此外,我们还进行了一些专有的基准测试。

  功能性版图分析方法识别出许多内存模块和逻辑区域。不过,处理器内核识别要比定位内存模块和逻辑区域要花费更多功夫。通过各种基准测试,我们挖掘出了有关A4 处理器的一些细节,如表所示。

  根据ARM公司提供的信息,采用65nm工艺技术实现的Cortex-A8内核能够达到 1GHz的工作频率。假定A4是一种45nm工艺器件,那么这款处理器似乎经过了优化,以期在性能和功耗之间取得平衡。另外得到确认的是,A4处理器支持 ARM的Neon媒体指令集扩展。

  通过进一步分析,包括芯片级反向工程,我们也许能够判断该器件是否采用了诸如Intrinsity公司专利单元库之类的创新技术,用来优化ARM核本身内部的关键路径。


走进iPad,揭开苹果A4处理器神秘面纱

A4处理器技术特性细节

  到目前为止,我们的分析可以确认,通过先进的内核技术、缩小的工艺尺寸以及速度与功耗之间仔细的架构性平衡,该器件实现了可预测的处理功耗改进。我们还发现了一些不太显著的影响因素,这些因素可能会进一步降低CPU功耗。

  显示器技术在功耗方面作出明显的改进之前,消费者对产品的电池寿命体验将更多地受制于 LED驱动器、背光照明系统的光学-机械设计、显示设置以及所采用的无线连接,而不是CPU本身。