A6: Apple のカスタムシリコンと iOS がどのように相互に最適化されたか

Apple は、最初の 2 世代の ARM プロセッサを提供しただけで、すでに主要なモバイルシリコン設計者として認識されていました。その次の動きは業界を驚かせ、他のデバイスメーカーが太刀打ちできない、シリコンからOSまでの緊密な垂直統合戦略を明らかにし始めたが、手遅れになるまでそれほど重要だとさえ思われなかったようだ。

スウィフトの前のスウィフト

2012 年半ばまでに、Apple はA4、A5そして新しいA5XRetina ディスプレイを備えた第 3 世代タブレットである「The New iPad」を強化するカスタムのワイドメモリとグラフィックスアーキテクチャを備えています。

当時、Apple の Ax モバイルシリコンの将来は、ARM の新しいチップをベースにした新世代のモバイルチップを提供するための業界全体の競争において、テキサスインスツルメンツの OMAP 5、Nvidia の Tegra 4、および Samsung の Exynos 5 と事実上結びついていると一般に見られていました。 Cortex A15 big.LITTLE デザイン。

ARM のリファレンスデザインでは、複数の高速コアと低速コアのセットを組み合わせて、速度と電力効率のバランスをとりました。クアルコムも、同様の技術を実装した独自の新しいマルチコア Krait Snapdragon アーキテクチャをリリースしたばかりでした。

その秋、Apple は A6 をリリースし、CPU と GPU の両方のパフォーマンスが前年比で再び 2 倍になりました。 Anandtech の執筆者、Anand Lal Shimpi述べた「Appleはサムスンの32nm LP HK+MGプロセスに2つのARM Cortex A15コアを統合したようだ」と付け加え、「これは非常に大きな取引だ。なぜならAppleがA15を市場に投入するという点でTIとSamsungの両方に勝ったことを意味するからだ」とCortexを呼び掛けた。 A15 は「業界でこれまでにない最高性能のライセンス可能なプロセッサー」です。

実際にはそれよりももっと大きな出来事でした。 Apple は、ARM ライセンスの新しいコアのアクセラレーションバージョンを最初に提供したのではなく、デュアルコア A6 用に完全にカスタムの新しい「Swift」CPU 設計を作成しました。 Swift は、ARM からライセンスを取得できるものよりも高速でした。

2 つの Swift CPU コアを搭載した A6

さらに、Apple の新しい Swift コアは、非対称コアのセットの使用を指定する ARM の最先端とされる big.LITTLE メニーコア設計コンセプトにも従っていませんでした。代わりに、A6 はその設計を支配する 2 つの比較的大きな CPU コアを使用しました。

世界で最も商業的に重要なモバイルアプリプラットフォームである Apple は、モバイルデバイス上で実行される現実世界のコードを最適に高速化する方法について独自の洞察を持っていました。 ARM のチップアーキテクトは、主要な App Store を運営していませんでした。同社もクアルコムもオペレーティングシステムを開発していなかった。

ARM の高性能コア設計は、もともとサーバーを念頭に置いて構築されたようです。ほんの数年前には、シリコン開発のこれほどのペースを維持できる大量の新しいデバイスの収益性の高い販売台数によって支払われ、モバイルデバイスがこれほど急速に洗練度を高めるとは誰も予想していませんでした。

Apple は 2010 年にまったく新しい実現可能なタブレットデバイスのカテゴリを創設したばかりでした。同社は当初、より高性能な iPad 3 グラフィックス専用の A5X をリリースするまで、2 年間同じチップを iPad と iPhone に使用していました。一方、他の企業のチップ設計者は、存在すらしなかったタブレット市場向けにチップの性能を2倍にすることを目指すのではなく、新たな組み込み市場への拡大を模索していた。

したがって、Apple は 2012 年時点で他のモバイルチップメーカーに追いつきつつあるように見えたかもしれませんが、実際には、Apple の最初の完全なカスタムコア設計 (同社の iOS 戦略が希望的期待から確実な成功へと移行し始めたときに構築されたもの) はまだ追いついていなかったということです。まだ落としても。

Appleの型破りなA6コア

ARM の big.LITTLE は、モバイルデバイスで複数の高性能並列コアを使用する方法として発明されました。これにより、必要なときにコアをオンにし、必要でないときに低電力コアを切り替えるオプションが可能になりました。これには、効果的に機能するためにコアのセット間の複雑なキャッシュコヒーレンスが必要でした。 2 セットのコアは基本的に 2 つの異なるプロセッサーのように動作し、システムがプロセッサーを切り替えることができるため、SoC 上で多くの重複が発生します。

ARM の big.LITLLE は、高速な Cortex-A15 コアと効率的な Cortex-A7 コアのセットを切り替えました

メニーコアアーキテクチャは、2012 年時点ではモバイルデバイスの一般的な使用例には最適化されていませんでした。電話では、デバイスはアイドル状態にあることがよくありますが、ユーザーが何かをしたいときは、デバイスが点灯してタスクに集中する必要があります。バッテリーを節約するために、同じ速度でもう一度電源を切ります。

これは、バッテリー寿命が問題にならず、複数のコアが常に一度に多数の独立したタスクを処理できるサーバーとはまったく異なります。 big.LITTLE をモバイルデバイス上で見栄えよくする主な方法は、モバイルデバイス上でサーバーのようなタスクを実行することでした。これは、まさにマルチコアベンチマークの様子です。しかし現実の世界では、ユーザーが一度に複数のコアを効果的に使用できる持続的なワークロードを実行しようとすることはほとんどありませんでした。

これが、Apple がより多くのシリコンを使用して 2 つのより大きなコアを提供することに重点を置いた理由と思われます。これにより、迅速に稼働を開始し、単一のコアタスクを急速に実行し、すぐにアイドル状態にスケールダウンできます。コアが少なく、より大きくなったことで、モバイルデバイスの典型的な使用例、つまり主に応答性の高いユーザーインターフェイスを駆動するために、単一のタスクを迅速に処理するために、より多くのシリコン領域が割り当てられました。

4 つ以上の「パフォーマンスコア」を同じ領域に詰め込むことで、Cortex A15 設計は最大のエンジンのサイズを効果的に縮小し、4 つの小型エンジンが連携して動作する状況が発生する可能性を考慮してスペースを確保しました。 Apple の A6 は、より大きな CPU エンジンを 2 つ搭載しているのが珍しいようでした。

Apple 独自のシリコンフィードバックループ

Apple は他のどのシリコン設計チームよりも、何が iPhone のあらゆる面で悲鳴を上げているのかを正確に理解していました。そのシリコン設計は、OS やモバイルアプリが効率的に動作しながら高速に動作するために必要なものを正確にカスタム提供できます。特に、Apple は応答性の高いユーザーインターフェイスを実現する「スプリント」パフォーマンスを重視していましたが、ライバル各社は PC のモデルにおいてベンチマーク可能な持続的な CPU パフォーマンスを提供することを主な目的としていたようです。

Google は最適化された Android を構築していませんでした。 Android は基本的にあらゆる CPU および GPU アーキテクチャで実行できるため、誰もが Android を使用することを期待して、存在し得る最も汎用的な多目的プラットフォームを構築していました。 Google はハードウェアアクセラレーションによる暗号化さえ使用しておらず、ライセンスが必要な最先端のハードウェアに最適化されたコーデックではなく、「無料」のメディアコーデックを推進していました。

サムスンは、アップルと同様に携帯電話とシリコンチップの両方を開発するチームを持っている唯一の企業で、クアルコムのスナップドラゴンや自社のExynos、あるいはその他の安価で優れたチップ上で実行できる汎用のハードウェアとソフトウェアを開発していた。使用するには十分です。自社のチップであっても、CPU と ARM の Mali GPU を使用したグラフィックスの両方で、ARM が作成した汎用設計をほぼ踏襲しているだけでした。サムスンはExynosチップを他の企業にも販売していた。つまり、価格が非常に重要な要素となる広範な市場を全般的に満足させるデザインが必要だった。 Samsung の最初のカスタム SoC コアは 2015 年まで納入されず、その時点では Apple が絶望的に先を行っていました。

Apple は、カーネルからユーザーインターフェイスに至るまで、iOS を 1 つのシリコンアーキテクチャに最適化していました。さらに、Apple の OS およびアプリレベルの開発者のニーズが、将来の世代のシリコンを設計するチームに直接反映される可能性があります。 Apple は Axe チップの唯一のユーザーであったため、コストが最も重要な要素ではない独自のプレミアムデバイス向けに設計することができました。 Apple が恩恵を受けていたのはそれだけではありませんでしたシリコンの規模の経済独自のチップを製造することで、市場の製品を改善する実力主義のフィードバックループを根本的に強化する。

Apple は自社使用のためだけに A6 を開発しました: iPhone 5

Apple におけるさまざまなハードウェアチームとソフトウェアチームの統合により、大幅に最適化されたプレミアムな製品が誕生しました。 Android スマートフォンメーカー、Android OS 開発、およびそれらを供給するさまざまなチップメーカーの間の統合が欠如していたために、さまざまなレベルで最適化が不十分な基本的な製品が作成されました。同時に、Apple の競合他社は、競争力があるように見せるために、はるかに多くの RAM を搭載し、チップのクロックを高くする携帯電話を製造することを余儀なくされました。

iOS は低いクロック速度でもパフォーマンスが良く、必要な RAM が少なくなるため、バッテリー寿命も長くなります。実際、Apple のシリコンは非常に急速に洗練され、最適化されていたため、その快適なパフォーマンスのリードにより、同社はさらに専門的なタスクを実行できるようになりました。 Apple のシリコン設計チームは、独自のストレージコントローラーを開発し、カスタムオーディオロジックを構築し、独自の画像信号プロセッサの専門知識を設計し、最終的には独自の GPU アーキテクチャさえも設計しました。

Apple が Axe チップに追加したものはすべて、発売初年度に 1 億個を優に超える最高のチップを販売して利益を上げることができたため、莫大な規模の経済の恩恵も受けていました。 Apple のパフォーマンス重視のシリコン競合他社である TI、Nvidia、Intel にはできませんでした。 Apple の Axe 開発の最初の 3 年以内に、これも変わらないことが明らかになりました。

同時に、Apple のモバイルデバイスは他の製品カテゴリを破壊し始めており、次のセグメントで検討するように、シリコンの進歩を促進し続ける販売量のさらなる成長を支えました。