回顧蘋果iPhone A系列處理器發展史：十年來半導體製程技術進步的推手

今年9月蘋果如期發布了iPhone 13系列，他們身上有著不少讓競爭對手難以企及的特點：比如iPhone 13 Pro Max憑著比很多Android旗艦還要小的電池容量，卻實現了鶴立雞群般的續航成績，此前能做到這種表現的，也只有一部分大電池且性能較低的中階機型。

蘋果iPhone 13系列能取得如此出色的表現背後，得歸功於其所搭載的A15處理器，蘋果宣稱A15處理器要比其他Android手機快50%或以上，相比於自家去年的A14處理器，A15除了架構和規模方面的升級以外，還有一個易被人所忽略的點就是A15處理器在製程方面的進步。

盡管A14和A15採用了看似一樣的台積電5nm製程，可是A15卻採用的是台積電最新的N5P製程，性能相較此前的N5製程提升了7%，功耗也下降了15%，和一眾搭載三星5nm旗艦處理器的Android手機來說，台積電的製程所帶來的優勢不言而喻。

不少朋友可能會覺得疑惑，為什麼蘋果A系列處理器會這麼強呢？答案是，蘋果A系列處理器之所以能領先Android陣營一兩代，一方面是因為蘋果強大的晶片設計能力，而另一方面則是蘋果始終都在用最新最先進的晶片製程。

可以說，蘋果A系列處理器的發展史，就是半導體晶片製程濃縮的進步史，接下來不妨讓我們一起來回顧一下吧。

2010年前後：iPhone初登場時期

2010年前是諾基亞最後的輝煌時期，此時蘋果的iPhone一代、iPhone 3G以及iPhone 3GS一直都是用的三星所研發生產的處理器，比如3GS就是採用的是三星的S5PC100處理器。或許是出於減少對三星的依賴考量（畢竟雙方正逐步在手機市場上成為競爭對手），蘋果也組建了自己的處理器設計研發團隊。

iPhone4：從魔改到自研

蘋果的小試牛刀是2010年跟著iPhone 4一起發布的A4處理器，該晶片採用了一顆定製的三星45nm製程800MHz ARM Cortex-A8的單核心處理器，GPU為PowerVR SGX 535，摒棄了iPhone4或iPad所不需要的模塊，L2的快取加大到640KB，其在同等頻率下性能表現好於三星S5PC110。

但即便如此，A4處理器上其實還有不少三星的影子，仍然不能算是蘋果真正自主研發的產物。

2011年的iPhone 4s是賈伯斯的遺作，其搭載的A5處理器也同樣具有特殊意義，它是第一款蘋果設計的雙核處理器晶片，雖然採用了和上一代一樣的三星45nm製程工藝，但它的變化遠不止是增加了一顆核心那麼簡單。

它的處理器架構是脫胎於上一代的Cortex-A8平台的新架構——Cortex-A9，擁有更高的運算能力和更低的功耗。GPU部分則搭載了Power VR SGX 543+，圖形性能提升明顯。當時蘋果號稱該處理器CPU性能是初代iPad的兩倍，GPU是初代的9倍，A5X是其性能的加強版，圖形處理器採用的是四核心，用於第三代iPad，圖形處理能力為iPad 2上的兩倍。

2012年發布的A6處理器由蘋果旗下的子公司Intrinsity設計、三星代工製造，採用了獨特自研架構設計，性能介於Cortex-A9和Cortex-A5之間，基於32奈米HKMG製程打造，具有能動態調整CPU電壓/頻率特性，GPU內建的是一顆三核心的PowerVR SGX 543MP3圖形處理單元，性能是上一年A5的兩倍多。

A6處理器出世的時候，蘋果iPhone手機就已經是傲視群雄的存在了，當時搭載A6處理器的iPhone 5在跑分榜上就將不少採用四核處理器的Android機皇踩在腳下，蘋果也向世人證明了一款處理器性能如何並不能只看它的核心數量。

iPhone 5s：進入64位元處理器時代

iPhone 5s對於蘋果而言是一個新的高度，除了開創手機指紋識別的先河，其搭載的A7處理器也為手機處理器打開了64位元時代的大門，這款晶片無疑有著巨大的跨時代意義。

A7採用的是全新的64位設計，採用了三星28nm製程打造，使用了Arm-v8 64位指令集以及自家的Cyclone架構，主頻為1.3GHz。A7處理器的性能比iPhone 5上的A6快2倍，是初代iPhone上使用的處理器的40倍，圖形能力是初代的56倍，它的理論性能比肩當時的Xbox 360和PS3。此外，從A7開始蘋果為旗下處理器配備低功耗協同處理器M系列，專門負責計算手機的各項感測器數據，並且可以保持極低的功耗。

而此後A8，A9，A10這幾代則是進一步提升核心數和製程，性能也節節攀升，從20nm到16nm，蘋果也在這幾年在台積電和三星之間反復交戰。

A9處理器：雙代工戰略

值得一提的是，A9和之前產品相比，最特別的就在於當時蘋果開始實行了雙代工廠戰略。

A9的代工訂單同時交給三星和台積電兩家公司分別進行，但是因為三星是14nm，台積電是16nm，兩種製程製作出來的晶片卻有明顯差異，而且是台積電代工版本在能效發熱的表現更好，這在當年還引起過軒然大波。

或許正因為如此，蘋果在第二年發布的A10處理器上，便全部更換為台積電代工，以免出現A9處理器上那種尷尬局面。

Bionic（仿生）的到來

時間來到2017年，這是iPhone發布的第十個年頭，這一年對蘋果來說，無論是A系列處理器還是iPhone都進入下一個時代。iPhone 8為之前的iPhone設計語言畫上完美的句號，而全新的iPhone X則開啟了全螢幕及Face ID的新時代。

那年的A11 Bionic堪稱性能怪獸。A11 採用台積電當時最先進的10nm製程，擁有43億個電晶體，採用六核心的設計，大核性能相比A10提升25%，4顆小核相較A10提升70%，多性能處理提升75%；搭載的GPU是蘋果自研的三核心 GPU ，性能較A10性能提升30%，而功耗則降低了50%。

此外，A11首次搭載雙核神經網路引擎，每秒運算次數高達6000億次，主要勝任機器學習任務，能夠識別人物，地點和物體，最典型的應用便是其首次推出的Face ID及其衍生功能動畫表情。

對於蘋果來說，A11處理器更有意義地方在於其是蘋果當時自主程度最高的一代A系列處理器，當中包括自研CPU，自研GPU，自研ISP，自研解碼器等等，當然還包括神經網路引擎。也是從那一年開始，幾乎所有手機廠商都把AI運算能力當做宣傳的主打功能，AI時代就此開啟。

A12 Bionic處理器是業界首款7nm晶片，它仍然是基於蘋果自研的Fusion架構打造，根據蘋果給出的數據顯示，2個大核提升15%，4個小核功耗表現提升50%。該處理器在GPU部分採用新一代自研晶片，核心數升至四核，官方宣稱性能提升50%，而升級幅度最大的莫過於神經網路引擎，從雙核飆升至八核，能夠實現每秒50000億次計算。

蘋果A13處理器採用的是台積電第二代7nm工藝，專為高性能和低功耗而量身定製，塞下了85億個電晶體，其CPU部分由兩個大核和四個小核組成，相比於前代，兩個性能核心速度最高可提升20%，能耗最多可降低30%，四個能效核心速度提升了20%，而能耗方面則降低了25%之多。

而GPU部分，蘋果表示它針對Metal框架進行了優化，擁有四個內核，性能提升了20%，功耗比上代低了40%；配備八個神經網路引擎，大家可以理解為NPU之類的東西，性能較上代提升了20%，能耗降低15%，它為三攝系統、Face ID與AR類APP提供強大的性能支援。非常適合高性能遊戲和最新的增強現實體驗。

去年發布蘋果iPhone 12系列的A14仿生處理器是全世界首款批量生產的5nm處理器，內建了118億個電晶體。區別於前代7nm的升級，此次的5nm製程工藝是一次大跨越。A14晶片在整個過程中應用了極紫外(EUV)曝光技術，電晶體密度較7nm晶片提高80%，相同功率下運行速度可以提高15%性能、同性能下則可降低30%的功耗。

規格方面，CPU部分選用了六核心設計，包括兩顆大核心以及四顆小核心，官方宣稱性能提高幅度高達40%。

GPU部分則採用了蘋果全新的架構設計，依然是四核心，性能卻提高了30%。

神經網路引擎方面本次也從8核心升級到了16核心，AI運算能力提升到了11.8萬億次，號稱機器學習能力提升70%，運算速度提高10倍。

此外，A14 Bionic在ISP、安全功能、ML主控等方面也進行了升級。

從性能跑分上看，A15處理器有著數十倍A4處理器的水平，而這也不過是10年的光景，晶片製程也從最初的45nm進化到了如今的5nm，這其中除了蘋果日益精湛的晶片設計能力外，我們還得知道，為了盡可能地實現摩爾定律，半導體業的研發人員們也付出了無數個日夜的努力，才能在指甲蓋大小的晶片裡塞下更多的電晶體。