Apple Silicon

System-on-a-chip
(Reindirizzamento da Apple AX)

Apple Silicon è una serie di system-on-a-chip (SoC) progettati da Apple per dispositivi di propria produzione quali: iPhone, iPad, iPod touch, Apple Watch, Apple TV, HomePod e, dal 2020, anche per Mac.

L'architettura utilizzata è di tipo RISC su base completamente customizzata e proprietaria con licenza di utilizzare istruzioni ARM, le stesse istruzioni che vengono utilizzate da processiri non equivalenti (Snapdragon di Qualcomm ad esempio che utilizzano istruzioni ARM su diversa architettura).

Ciò che contraddistingue i recenti SoC Apple dai processori ARM è il fatto che Apple li progetta da zero l'architettura (quindi sono del tutto privi di elementi terzi ed Apple è licenziataria solo ed unicamente delle istruzioni logiche) mentre i processori ARM fanno affidamento su elementi terzi hardware già preesistenti (SoC come Samsung Exynos, HiSilicon Kirin e MediaTek MT sono infatti costituiti da una combinazione di Core CPU ARM Cortex e GPU ARM Mali progettati e resi disponibili da ARM Holdings ai produttori stessi)[1], mentre i chip Apple non condividono alcun elemento hardware con qualunque degli altri chip ARM.

I SoC Apple hanno una architettura proprietaria e contengono al loro interno una serie di componenti a cui viene attribuito uno scopo specifico:

  • CPU: il coprocessore che si occupa dell'elaborazione seriale sequenziale delle istruzioni aritmetiche e di calcolo
  • GPU: il coprocessore che si occupa dell'elaborazione parallela delle istruzioni grafiche tridimensionali
  • NPU: il coprocessore dedicato al Neural Engine, ossia, per l’apprendimento integrato (machine learning) e per la realtà aumentata
  • ISP: il coprocessore che si occupa delle elaborazioni delle immagini raccolte dal sensore fotografico
  • Mx: il coprocessore che si occupa della raccolta dati dei sensori integrati (accelerometro, giroscopio, bussola, barometro)
  • SEP: il coprocessore che si occupa della protezione dei dati personali tramite chiavi crittografate[2]

E tanti altri che formano un vero e proprio sistema in un unico chipset.

Prima del lancioModifica

Prima dell'introduzione della serie di SoC Apple "A", Apple ha utilizzato 4 diversi SoC nelle prime revisioni di iPhone e iPod touch. Sono stati progettati da Apple e prodotti da Samsung. Integrano un singolo core di elaborazione basato su istruzioni ARM (date in licenza) , un'unità di elaborazione grafica (GPU) e altra elettronica necessaria per fornire funzioni di calcolo mobile all'interno di un singolo pacchetto fisico.

Immagine Codice Processo Volume ISA CPU CPU Cache GPU RAM Dispositivi
  APL0098
-
S5L8900
90 nm 72,0 mm² ARMv6 412 MHz
Single-Core
ARM11
L1: 16+16 KB
L2: n/d
L3: n/d
PowerVR
MBX Lite
(130 nm)
128 MB (DRAM)
133 MHz (LPDDR)
533 MB/sec (HBM)
16 bit (Single-Channel)
iPhone 2G
iPhone 3G
iPod touch (1ª gen.)
  APL0278
-
S5L8720
65 nm 36,0 mm2 412–533 MHz
Single-Core
ARM11
L1: 16+16 KB
L2: n/d
L3: n/d
128 MB (DRAM)
133 MHz (LPDDR)
1,6 GB/sec (HBM)
32 bit (Single-Channel)
iPod touch (2ª gen.)
iPod nano (4ª gen.)
  APL0298
-
S5L8920
71,8 mm2 ARMv7 600 MHz
Single-Core
(ARM Cortex-A8)
L1: 32+32 KB
L2: 256 KB
L3: n/d
PowerVR
SGX535
256 MB (DRAM)
200 MHz (LPDDR)
1,6 GB/sec (HBM)
32 bit (Single-Channel)
iPhone 3GS
  APL2298
-
S5L8922
45 nm 41,6 mm2 600–800 MHz
Single-Core
(ARM Cortex-A8)
L1: 32+32 KB
L2: 256 KB
L3: n/d
iPod touch (3ª gen.)

Serie AModifica

Apple A è la prima serie di SoC Apple lanciata nella famiglia Apple Silicon, e viene utilizzata su iPhone, iPad, iPod touch e Apple TV. Integrano uno o più core di elaborazione basati su ARM (CPU), un'unità di elaborazione grafica (GPU), memoria cache e altra elettronica necessaria per fornire funzioni di calcolo mobile all'interno di un singolo pacchetto fisico. Sono progettati da Apple e prodotti inizialmente da Samsung e successivamente da TSMC.

2010-2015Modifica

  • Apple A4, il primo SoC Apple, lanciato nel 2010 con iPhone 4;
  • Apple A6, il primo SoC Apple con abbandono definitivo dei Core CPU (Cortex-A) di ARM in favore di quelli proprietari;
  • Apple A7, il primo SoC Apple a 64 bit e che integra anche il nuovo coprocessore di movimento M7 (lanciato nel 2013 con iPhone 5S);
  • Apple A8, il primo SoC Apple con processo FinFET;

Fonti utili: [3] [4]

Apple A4 Apple A5 Apple A6 Apple A7 Apple A8 Apple A9
Codice APL0398 APL0498 APL0598 APL0698 APL1011 APL1022 APL0898
Immagine
Set istruzione (ISA) ARMv7 ARMv7s ARMv8.0-A
Architettura 32 bit 64 bit
Lancio aprile 2010 marzo 2011 settembre 2012 settembre 2013 settembre 2014 settembre 2015
Dispositivi iPhone 4
iPad
iPod touch (4ª gen.)
Apple TV (2ª gen.)
iPhone 4S
iPad mini (1ª gen.)
iPod touch (5ª gen.)
Apple TV (3ª gen.)
iPhone 5
iPhone 5C
iPad 2
iPhone 5S
iPad Air (1ª gen.)
iPad mini ( e 3ª gen.)
iPhone 6 e 6 Plus
iPad mini (4ª gen.)
iPod touch (6ª gen.)
HomePod
iPhone 6S e 6S Plus
iPhone SE (1ª gen.)
iPad (5ª gen.)
Caratteristiche fisiche Volume 53,3 mm2 122,2 mm2 96,71 mm2 104,0 mm2 89,0 mm2 104,5 mm2 96,0 mm2
Litografia 45 nm 45 nm / 32 nm 32 nm 28 nm 20 nm 16 nm 14 nm
Processo - HKMG FinFET
Nº transistor 149 milioni 200 milioni 740 milioni 1 miliardo 2 miliardi
Termal (TDP) 5 W
CPU Nº core Single core Dual core
Frequenza
(nome)
1 × 800 MHz
(ARM Cortex-A8)
2 × 800 MHz
(ARM Cortex-A9)
2 × 1,30 GHz
(Swift)
2 × 1,40 GHz
(Cyclone)
2 × 1,40 GHz
(Typhoon)
2 × 1,85 GHz
(Twister)
Cache L1 (per core) 1 × (32+32 KB) 2 × (32+32 KB) 2 × (64+64 KB)
Cache L2 (condiviso) 512 KB 1 MB 3 MB
Cache L3 (condiviso) 4 MB
GPU Nome
(modello)
PowerVR
(SGX535)
PowerVR
(SGX543MP2)
PowerVR
(SGX543MP3)
PowerVR
(G6430)
PowerVR
(GX6450)
PowerVR
(GT7600)
Nº core single-core dual-core triple-core quad-core hexa-core
Frequenza 200 MHz 200 MHz 266 MHz 450 MHz 533 MHz 600 MHz
RAM Tipo LPDDR-400 LPDDR2-800 LPDDR2-1066 LPDDR3-2133 LPDDR3-2133 LPDDR4-3200
Dimensione 512 MB 1 GB 2 GB
Channel 32 bit 64 bit
Bandwidth 1,6 GB/s 6,4 GB/s 8,5 GB/s 12,8 GB/s 25,6 GB/s
Altri componenti Coprocessore M M7 M8 M9
Secure Enclave
Produttore Samsung Samsung / TSMC Samsung TSMC Samsung

2016-2020Modifica

  • Apple A10 Fusion è il primo SoC che sfrutta il sistema big.LITTLE, ossia, una tecnologia che fa uso di due gruppi di Core CPU differenti: i primi per carichi prestazioni (big) e i secondi per meno prestanti (LITTLE), con il vantaggio di ottenere così un maggior risparmio energetico;
  • Apple A11 Bionic è il primo SoC che dispone della prima GPU progettata da Apple (che darà abbandono definitivo alle PowerVR di Imagination Technologies) e, allo stesso tempo, introduce la prima NPU dedicata al Neural Engine;
  • Apple A12 Bionic implementa l'encoder sia del codec H.265 (HEVC 8-bit e 10-bit) che del codec VP9.
Apple A10 Fusion Apple A11 Bionic Apple A12 Bionic Apple A13 Bionic Apple A14 Bionic
Codice APL1W24 APL1W72 APL1W81[5] APL1W85[6] APL1W87
Immagine
Set istruzione (ISA) ARMv8.1-A ARMv8.2-A ARMv8.3-A ARMv8.4-A
Lancio settembre 2016 settembre 2017 settembre 2018 settembre 2019 settembre 2020
Dispositivi iPhone 7 e 7 Plus
iPad ( e 7ª gen.)
iPod touch (7ª gen.)
iPhone X
iPhone 8 e 8 Plus
iPhone XR
iPhone XS e XS Max
iPad Air (3ª gen.)
iPad mini (5ª gen.)
iPhone 11 e 11 Pro
iPhone 11 Pro Max
iPhone SE (2ª gen.)
iPhone 12 mini
iPhone 12 e 12 Pro
iPhone 12 Pro Max
iPad Air (4ª gen.)
Caratteristiche
fisiche
Dimensione 9,89 × 8,42 mm 10,67 × 9,23 mm
Volume 125 mm2 87,66 mm2 83,27 mm2 94,48 mm2 88,00 mm2
Litografia 16 nm 10 nm 7 nm 7 nm(EUV) 5 nm(EUV)
Processo FinFET
Nº transistor 3,3 miliardi 4,3 miliardi 6,9 miliardi 8,5 miliardi 11,8 miliardi
Termal (TDP) 5 W 8 W 6 W
CPU Nº core CPU 4-Core 6-Core
Core
High
Nome Hurricane Monsoon Vortex Lightning Firestorm
Frequenza 2 × (2,34 GHz) 2 × (2,39 GHz) 2 × (2,49 GHz) 2 × (2,66 GHz) 2 × (3,00 GHz)
Cache L1 2 × (64+64 KB) 2 × (128+128 KB) 2 × (192+128 KB)
Decode
(Out-of-Order)
2 × (6-Wide) 2 × (7-Wide) 2 × (8-Wide)
Core
Low
Nome Zephyr Mistral Tempest Thunder Icestorm
Frequenza 2 × (1,30 GHz) 4 × (1,42 GHz) 4 × (1,59 GHz) 4 × (1,73 GHz) 4 × (1,82 GHz)
Cache L1 2 × (32+32 KB) 4 × (32+32 KB) 4 × (48+48 KB) 4 × (64+64 KB)
Decode
(Out-of-Order)
2 × (3-Wide) 4 × (3-Wide) ?
Cache L2 (condiviso) 3 MB 8 MB
Cache L3 (condiviso) 4 MB
HMP
GPU Nome
(modello)
PowerVR
(GT7600 Plus)
Apple GPU
Nº core 6-Core 3-Core 4-Core
Frequenza 650 MHz 900 MHz 1,10 GHz[7] -
Velocità 115 GFLOPS[8] 325 GFLOPS[9] 487,5 GFLOPS[10] - -
NPU Nome Apple
Nº core 2-Core 8-Core 16-Core
Ops/sec 600 milioni 5 miliardi 1.000 miliardi 11.000 miliardi
RAM Tipo LPDDR4-3200 LPDDR4X-4266
Dimensione 2/3 GB 3/4 GB 4 GB 4/6 GB
Channel 64 bit
Bandwidth 25,6 GB/s 34,1 GB/s
Altri
componenti
Coprocessore M M10 M11 M12 ? ?
Secure Enclave
Produttore TSMC

BenchmarkModifica

Sebbene erroneamente si associno le singole caratteristiche hardware (quantitativo di core, frequenza di clock) alle prestazioni di una CPU, alcuni test sintetici, quali Geekbench di Primate Labs, evidenziano le maggiori prestazioni di picco dei core custom di Apple in termini di IPC (istruzioni per ciclo di clock) a confronto con i core standard ARM e i core custom dei principali concorrenti. Questo è dovuto in larga parte alla maggiore ampiezza dello stadio di decode, alla presenza di più unità di esecuzione (ALU, AGU, FPU), alla maggior capienza dei buffer e dei register file, specialmente nei core ad alte prestazioni[11], a discapito di una maggiore area di silicio e di maggiori consumi a parità di clock[11].

Di seguito, una rappresentazione grafica di alcune sessioni di test Geekbench delle CPU dei SoC per dispositivi mobili dei principali produttori, raggruppati per anno di lancio (2018, 2019, 2020), precisando che Apple commercializza i propri SoC mobile diversi mesi dopo la concorrenza:[12]

Benchmark (Multi-Core) da GeekBench
Apple A14 Bionic (Hexa-Core)
  
4396
Kirin 9000 (Octa-Core)
  
3740

  
Apple A13 Bionic (Hexa-Core)
  
3330
Snapdragon 865 (Octa-Core)
  
3280
Kirin 990 (Octa-Core)
  
2918
Exynos 990 (Octa-Core)
  
2687

  
Apple A12 Bionic (Hexa-Core)
  
2832
Snapdragon 855 (Octa-Core)
  
2691
Kirin 980 (Octa-Core)
  
2400
Exynos 9825 (Octa-Core)
  
2144

Si tenga conto che il test di Geekbench, in quanto si tratta di una sequenza di test sintetici della durata totale di circa due minuti e quindi dallo scarso impatto termico, non dimostra tuttavia in alcun modo la superiorità prestazionale durante l'utilizzo reale e soprattutto nell'utilizzo continuativo, in cui entrano in gioco variabili come la temperatura e la presenza di più applicativi in esecuzione quali i servizi di notifica delle varie applicazioni. Inoltre le sole prestazioni di picco della sola CPU non sono un utile metro di paragone fra più SoC diversi, composti anche da GPU, controller DRAM, controller di archiviazione, I/O USB o Lightning, radio wireless e sensori.

Serie AXModifica

2011-2015Modifica

  • Apple A5X, il primo SoC Apple creato specificamente per iPad, lanciato nel 2011;
  • Apple A8X, il primo SoC Apple a 64 bit per iPad, lanciato nel 2014;
Apple A5X Apple A6X Apple A8X Apple A9X
Codice APL5498 APL5598 APL1012 APL1021
Immagine
Set istruzione (ISA) ARMv7 ARMv7s ARMv8.0-A
Architettura 32 bit 64 bit
Lancio marzo 2012 novembre 2012 ottobre 2014 settembre 2015
Caratteristiche fisiche Volume 165 mm2 123 mm2 128 mm2 143,9 mm2
Litografia 45 nm 32 nm 20 nm 16 nm
Processo - HKMG FinFET
Nº transistor
CPU Nº core Dual core Tri core Dual core
Frequenza
(nome)
2 × 1,00 GHz
(Cortex-A8)
2 × 1,40 GHz
(Swift)
3 × 1,50 GHz
(Typhoon)
2 × 2,26 GHz
(Twister)
Cache L1 (per core) 1 × (32+32 KB) 2 × (32+32 KB) 2 × (64+65 KB) 2 × (64+64 KB)
Cache L2 (condiviso) 1 MB 2 MB 3 MB
Cache L3 (condiviso) 4 MB
GPU Nome
(modello)
PowerVR
(SGX543MP2)
PowerVR
(SGX554MP4)
PowerVR
(GXA6850)
PowerVR
(GTA7850)
Nº core Quad-Core Opta-Core Dodeca-Core
Frequenza 200 MHz 266 MHz 450 MHz 650 MHz
RAM Tipo LPDDR2-800 LPDDR2-1066 LPDDR3-2133 LPDDR4-3200
Dimensione 1 GB 2 GB 4 GB
Channel 32 bit 64 bit 128 bit
Bandwidth 12,8 GB/s 17,1 GB/s 25,6 GB/s 51,2 GB/s
Altri componenti Coprocessore M M8 M9
Secure Enclave
Produttore Samsung TSMC

2016-2020Modifica

  • Apple A12Z, è il primissimo SoC Apple inserito dentro a un Mac mini dedicato esclusivamente ad uso dimostrativo (con sistema operativo macOS Big Sur) per lo sviluppo di applicativi desktop su architettura ARM.
Nome Apple A10X Apple A12X Apple A12Z
Codice APL1071 APL1083
Immagine
Set istruzione (ISA) ARMv8.0-A ARMv8.3-A
Architettura 64 bit 64 bit
Lancio giugno 2017 ottobre 2018 marzo 2020
Dispositivi iPad Pro (2ª gen.)
Apple TV 4K
iPad Pro (3ª gen.) iPad Pro (4ª gen.)
Mac mini (DTK)
Caratteristiche fisiche Dimensione 10,1 × 12,6 mm
Volume 96,4 mm2 118,5 mm2
Litografia 10 nm 7 nm(EUV)
Processo FinFET FinFET
Nº transistor 9,8 miliardi
CPU Nº core Hexa-Core Octa-Core
Core Prestazione
(alto carico)
3 × 2,34 GHz
(Hurricane)
4 × 2,49 GHz
(Vortex)
Efficienza
(basso carico)
3 × 1,30 GHz
(Zephyr)
4 × 1,59 GHz
(Tempest)
Cache L1
(per core)
3 × (64+64 KB) 4 × (128+128 KB)
3 × (32+32 KB) 4 × (32+32 KB)
Cache L2 (condiviso) 8 MB
Cache L3 (condiviso)
GPU Nome
(modello)
PowerVR
(GT7600 Plus)
Apple GPU
Nº core Dodeca-Core Hepta-Core Octa-Core
Frequenza 900 MHz - -
Velocità 364,8 GFLOPS[13] 967,6 GFLOPS[14] -
RAM Tipo LPDDR4-3200 LPDDR4X-4266
Dimensione 4 GB 4/6 GB 6 GB
Channel 128 bit
Bandwidth 51,2 GB/s 68,2 GB/s
Altri componenti Coprocessore M M10 M12
Secure Enclave
Produttore TSMC

Serie SModifica

La serie di processori Apple S è una famiglia di Systems in Package (SiP) utilizzata su Apple Watch. Utilizza un processore applicativo personalizzato che insieme ai processori di memoria, archiviazione e supporto per connettività wireless, sensori e I / O comprende un computer completo in un unico pacchetto. Sono progettati da Apple e prodotti da società terze.

S1
novembre 2014 - settembre 2016
S2
settembre 2016 - settembre 2017
S1P
settembre 2016 - settembre 2017
S3
settembre 2017 - presente
S4
settembre 2018 - presente

Serie WModifica

La serie di processori Apple W è una famiglia di system-on-a-chip (SoC) e chip wireless (con particolare attenzione alla connettività Bluetooth e WiFi).

Serie MModifica

Apple M1
Codice APL1W85[15]
Immagine
Set istruzione (ISA) ARMv8.4 (ARM)
Architettura 64 bit
Lancio novembre 2020
Dispositivi 2020 MacBook Air 13"
MacBook Pro 13"
Mac mini
2021 iMac 24"
iPad Pro 11"
iPad Pro 12,9"
Caratteristiche
fisiche
Dimensione
Volume
Litografia 5 nm(EUV)
Processo FinFET
Nº transistor 16 miliardi
CPU Nº core 8-Core
Core Prestazione
(alto carico)
4 × 3,20 GHz
(Firestorm)
Efficienza
(basso carico)
4 × 2,00 GHz
(Icestorm)
Cache L1
(per core)
4 × (192+128 KB)
4 × (128+64 KB)
Cache L2
(per cluster)
12 MB
4 MB
GPU Nº core 8-Core
Velocità 2,6 TFLOPS
NPU
Nº core 16-Core
Velocità 1,1 TFLOPS
UMA Tipo LPDDR4X-4266
Dimensione 8/16 GB
Channel 128 bit
Bandwidth 68,25 GB/s
Altri
componenti
ISP
(Image Signal)
DSP
(Digital Signal)
SEP
(Secure Enclave)
Controller USB
(Thunderbolt)
Produttore TSMC

NoteModifica

  1. ^ (EN) Perché i chip di Apple sono più veloci di quelli Qualcomm?, su androidauthority.com.
  2. ^ Secure Enclave, su support.apple.com. URL consultato il 16 luglio 2020.
  3. ^ Verso il pieno controllo, su tomshw.it.
  4. ^ Processori Apple, su clinica-iphone.com.
  5. ^ (EN) Analisi Apple A12, su anandtech.com. URL consultato il 16 luglio 2020.
  6. ^ (EN) Analisi Apple A13, su anandtech.com. URL consultato il 16 luglio 2020.
  7. ^ Scheda tecnica iPhone XS Max, su devicespecifications.com. URL consultato il 12 agosto 2020.
  8. ^ (EN) Confronto Apple A11 vs A10 [collegamento interrotto], su nanoreview.net. URL consultato il 16 luglio 2020.
  9. ^ (EN) Confronto Apple A12 vs A11, su nanoreview.net. URL consultato il 16 luglio 2020.
  10. ^ (EN) Specifiche Apple A12 Bionic, su gadgetversus.com. URL consultato il 16 luglio 2020.
  11. ^ a b Andrei Frumusanu, Apple Announces The Apple Silicon M1: Ditching x86 - What to Expect, Based on A14, su www.anandtech.com. URL consultato il 27 dicembre 2020.
  12. ^ GeekBench, su browser.geekbench.com. URL consultato il 24 marzo 2021.
  13. ^ (EN) Specifiche A10X, su gadgetversus.com.
  14. ^ (EN) Specifiche A12X, su gadgetversus.com.
  15. ^ (EN) Apple The 2020 Mac Mini Unleashed: Putting Apple Silicon M1 To The Test, su anandtech.com.