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Apple Watch芯片S1详解

时间:2024-05-22 13:43:32 科技赋能

Apple Watch搭载的是S1芯片。

这颗芯片内有30个独立元件,尺寸为26毫米×28毫米,绝对称得上是“惊人”。

其中还包括NXP的NFC芯片、AMS的NFC信号放大器和Maxin的音频放大器。

今天,外媒和我们一起从更专业的角度来了解这款芯片。

目前开发和销售智能手表的许多OEM厂商都是智能手机制造商,因此我们会看到这些制造商通常将智能手机组件直接“塞”到智能手表中。

许多 Android Wear 手表使用 Qualcomm Snapdragon 芯片作为调制解调器。

A7芯片从热设计和功耗角度来看适合智能手表。

Android Wear手表的电池容量约为mAh,可以持续1-2天,但这些手表对于市场来说太大了,这需要专门针对智能手表的形式和尺寸设计的SoC。

目前Apple Watch S1芯片还没有合适的基准测试工具,但从该设备的拆解中我们可以看到该SoC采用三星28nm LP工艺,并且只能使用HKMG或poly SiON栅极结构。

根据所选择的结构,功率效率也会有所不同,因为HKMG工艺的泄漏功率较小。

与采用20/14nm工艺的成本相比,两种工艺的成本差异并不大。

另外,参考台积电在 Snapdragon 和芯片上从 28LP 工艺转为 28HPm 后对电池寿命的影响,我们基本可以确定苹果的芯片采用的是 HKMG 工艺。

我们还知道这些二进制文件是针对手表的 ARMv7k 处理器编译的,但遗憾的是没有该指令集架构的记录。

watchOS是在iOS/之上开发的,这意味着为了获得存储保护和虚拟内存等关键抽象,它需要一个内存管理单元MMU,这排除了使用像ARMv7m这样的MCU ISA的可能性,我们推测苹果可能正在使用 ARMv7-A 的衍生版本来简化不必要的指令以降低功耗。

至于该设备的GPU,就没那么神秘了。

从Apple Watch中出现的PowerVR驱动程序来看,S1可能会使用PowerVR Series 5 GPU。

具体的还不清楚,但可能是PowerVR SGXMP1。

但我更喜欢 PowerVR GX,因为它是专门针对可穿戴设备优化的 GPU,并且使用相同的驱动程序。

但无论如何,从 watchOS 2 到来之前 Apple Watch 无法原生运行应用程序来看,目前我们能深入挖掘的东西很少,而且即使 watchOS 2 发布,图形基准测试可能仍然很难测试。

接下来我们可以看一下CPU的分层内存架构,这对于需要优化以确保代码具有足够的时间和/或空间局部性以保证代码性能的应用程序来说是非常重要的信息。

 如图所示,DRAM 28KB和64KB之间存在非常大的波动。

因为我们已经清除了L1数据缓存的局部最大值,所以我们基本可以确定L1数据缓存大小为32KB,目前市面上的L1数据缓存大小为32KB。

许多产品还具有 32 至 64KB 之间的 L1 数据缓存。

围绕 KB 还有一个重大变化。

我们还可以确认,L2数据缓存为KB,比当前大型智能手机CPU的1-2MB共享缓存小很多,但与A5或A7相比刚刚好。

Apple Watch 的最大 CPU 频率为 MHz。

接下来我们看一下它的架构。

对于整数运算,整数加法延迟为1个周期,而整数乘法延迟为3个周期。

但由于流水线整数乘法的吞吐量,可以在一个时钟周期内输出结果。

相同的位移需要两个周期才能完成,而吞吐量只需要一个时钟周期。

乘法和加法交错的吞吐量将只有一半。

我们可以猜测这是因为整数加法块和整数乘法块是相同的,但这没有意义,因为从逻辑层面来看,加法和乘法相差太大。

从数据类型的角度来看,整数只是一个因素,还有布尔值、字符、字符串和不同大小的整数,但是当涉及到十进制时,应用程序仍然使用浮点进行编译。

在像这样的低功耗 CPU 上,浮点通常比整数慢,因为浮点运算的法则更复杂。

如果您打开的网页的延迟和吞吐量时间针对的是 Cortex A7,您可能会猜测它是 Cortex A7,而且您可能是对的。

同时加载存储意味着这些是 XOR 操作,不能并行执行。

乘法和加法也是如此。

虽然Cortex A7和Cortex A5有相似之处,但并没有解释为什么每个时钟周期可以添加两次立即值/常量值和累加寄存器。

从这个数据我们可以确认它是单核Cortex A7。

虽然只是Cortex A7,但最大时钟速度较低,这意味着在逻辑设计中,功耗效率比性能更重要。

标准电池可以利用某些实际上影响 2+ GHz 芯片性能的技术和样式,但非常适合在 MHz 芯片中使用。

从能效和性能的衡量来看,Cortex A7是perf/W(Performance per Watt,每瓦性能)设计,所以我认为未来的关键区别将是执行方法,而不是架构。

虽然我也希望Apple Watch能够采用更先进的工艺,比如14LPP/16FF+,但这在第二代、第三代Apple Watch问世之前基本上是不可能的。