Подробности о сердце iPhone X — чипе A11 Bionic

Одним из самых важных новшеств двухчасовой презентации iPhone X была не столько говорящая какашка, сколько однокристальная система нового поколения с 4,3 млрд транзисторов — A11 Bionic, — с помощью которой такая передовая технология стала возможной. Ну а если серьёзно, то в беседе с журналистами Mashable главный маркетолог Apple Фил Шиллер (Phil Schiller) отметил, что в настоящее время основным новшеством каждого нового поколения продуктов компании являются чипы.

A11 Bionic стал следующим важным шагом Apple по пути вертикальной интеграции продуктов для полного контроля над всеми аспектами своих устройств. Старший вице-президент подразделения аппаратных технологий Apple Джони Сруджи (Johny Srouji) отметил: «Проектирование наших собственных кристаллов началось примерно десять лет назад, потому что это наилучший способ создать по-настоящему оптимизированные с аппаратной и программной сторон продукты Apple».

Он также подчеркнул, что на разработку новых чипов у Apple уходит порядка трёх лет, так что A11 Bionic начал создаваться ещё во времена выхода на рынок смартфона iPhone 6 и чипа A8. Во время этого цикла планы могут несколько корректироваться в соответствии с запросами команды разработчиков продуктов под руководством Джонатана Айва (Jonathan Ive). Но именно три года назад было сделано решение о добавлении на кристалл нейронного движка для ускорения вычислений в области искусственного интеллекта.

Обновлённые ядра CPU на общей площади кристалла A11: 2 высокопроизводительных и 4 энергоэффективных

Разумеется, каждое поколение чипов Apple разрабатывается на основе предыдущих наработок, но некоторые блоки перерабатываются полностью. Например, два высокопроизводительных ядра CPU от A10 Fusion получили небольшое обновление, а количество энергоэффективных ядер было удвоено (в A11 их стало четыре), появилась возможность задействовать от одного до всех шести ядер одновременно. Благодаря этим оптимизациям и новому 10-нм техпроцессу блок CPU в A11 Bionic стал потреблять меньше энергии, чем аналогичный в A10, несмотря на то, что высокопроизводительные ядра теперь на 25 % мощнее, а энергоэффективные — на 70 %.

Как можно видеть, немалую площадь A11 Bionic занимает процессор обработки изображений

Другим важным новшеством стал существенно более мощный специализированный процессор обработки изображений, который позволяет добиться более качественной цветопередачи камеры, улучшенного шумоподавления при недостатке света, а также ускорить различные эффекты вроде студийного освещения в новом портретном режиме. Благодаря этому новому блоку ISP впервые на рынке смартфонов стала возможна запись видео в разрешении 4K при 60 кадрах/с или 1080p при 240 кадрах/с.

Многие годы Apple использовала в своих однокристальных системах графику Imagination Tecnologies — последним примером стал 6-ядерный ускоритель PowerVR GT7600. Но в A11 компания приняла решение интегрировать спроектированный собственными силами блок GPU. Этот трёхъядерный GPU, по словам Apple, на 30 % мощнее использовавшегося в A10 Fusion блока от Imagination, а при прежней производительности потребляет вдвое меньше энергии. Ускоритель оптимизирован для наилучшей работой с низкоуровневым графическим API Metal 2 и, по словам Apple, позволяет создавать игры консольного класса.

Джони Сруджи отметил, что компания уже 30 лет придерживается принципа, согласно которому в тех областях, где она считает возможным внедрить новации, она старается создавать собственные решения: однокристальная система, CPU, ISP, дисплей и так далее. Следующим шагом в этом направлении стал GPU, благодаря чему Apple теперь может полностью контролировать графику на своих iOS-платформах: начиная от аппаратной части до компиляторов, языков программирования, библиотек и операционной системы. Всё это создаётся, чтобы работать в единой оптимальной связке.

Новый разработанный в недрах Apple графический ускоритель на фоне общей площади кристалла A11

Совершенно новым блоком для ускорения специфических задач стал двухъядерный нейронный движок с производительностью 600 млрд операций в секунду. Он эффективно справляется с задачами матричного умножения и вычислений с плавающей запятой и используется для ускорения специфических алгоритмов, связанных с машинным обучением, вроде Face ID, Animoji, дополненной реальности, студийного освещения при портретной съёмке и многого другого. Создан он для эффективной работой с ИИ-библиотекой Apple Core ML.

Такие ускорители — относительное новшество индустрии. Например, Google лишь в прошлом году представила специальные аппаратные серверные ускорители TPU (Tensor Processor Unit) для вычислений, использующих её ИИ-библиотеку TensorFlow. В этом году она выпустила второе поколение TPU, а также оптимизированную для мобильных устройств версию библиотеки машинного обучения TensorFlowLite. Другие компании тоже двигаются в аналогичном направлении. Например, у Facebook подобная технология называется Caffe2Go — она была представлена в ноябре прошлого года и позволила создать фильтры для фото и видео на основе нейронных сетей, работающих прямо на устройстве пользователя в реальном времени.

Google наверняка планирует реализовать и аппаратные блоки TPU для мобильных устройств, но Apple на этом фронте оказалась впереди и первой интегрировала такой ускоритель в свой чип для смартфонов. До сих пор большинство ИИ-расчётов производились в облаке, но исполнение таких алгоритмов прямо на устройстве позволяет сократить задержки, не требует интернет-соединения и обеспечивает более высокий уровень приватности (ведь данные не покидают устройство).

A11 Bionic включает и массу других блоков вроде цифрового сигнального процессора для качественной обработки звука, различных контроллеров ввода-вывода, специализированных алгоритмов корректирующего кода (ECC) и других блоков, повышающих безопасность и надёжность устройства. За 10 лет команда Apple проделала впечатляющую работу в полупроводниковой области, пройдя путь от 65-нм чипов со 100 млн транзисторов до 10-нм с 4,31 млрд.