与三星有血缘关系？揭开苹果A4身世之谜

第一个问题是，A4是否是苹果2008年4月收购PA Semi所孕育的第一个产物。但是，似乎没有足够的时间开发出这样一种全新的设计。Jon Stokes对于这个CPU-GPU组合提出了令人感兴趣的初步分析，并探讨了PA Semi的潜在角色。

3月底iPad出笼，拆机与逆向工程公司才得到实物进行分析。CPU内核争论集中在ARM Cortex-A8内核，先前只发现一个单一内核，更具体而言，争论集中在基于Intrinsity设计的ARM Cortex-A8的“Hummingbird”。2009年7月媒体报道了采用这种内核的第一款芯片，一个月后宣布推出。

2010年4月苹果收购Intrinsity的消息得到证实，Intrinsity的名字在关于A4的讨论中变得更加突出，促使Mark Anderson回顾Intrinsity公司的一些早期工作。

那么，相关的报道、观点和分析会让我们得出什么结论？我们能否说A4确实是一款与众不同的硬件，或者主要是以前产品的进化结果？

最近关于A4的讨论主要集中在这个SoC中的CPU的身份与性能，以及PA Semi和Intrinsity公司的设计的可能整合。它们是苹果最近两年收购的两家公司。简短回答是，A4受苹果与三星之间长期关系的影响较大，是电路设计方面的进化结果，而不是革命性产品。为了验证这种假设，可以看看与A4关系密切的两款处理器所提供的实物证据，即三星S5PC110和iPhone 3GS应用处理器(AP)。

UBM TechInsights公布了三星S5PC110和A4的裸片对比图， 可见二者的CPU内核难以区分。随后他们提到三星的一篇新闻稿，称其暗示使用了一个ARM Cortex-A8 CPU内核。基于这些信息，可能难以反驳这种看法：这两款SoC上面的CPU内核设计是相同的。换句话说，每款芯片上面的Cortex-A8内核内部电路的尺寸与安排是由同一些人设计的。

有些博客描述了三星S5PC110及其在三星Galaxy手机和平板电脑中的作用。三星新闻稿没有专门提到Hummingbird设计，但所公布的规格，保守而言，指向了那个方向。然而，除了时钟频率，是否有实物证据证明那是Intrinsity公司的设计？为此，我们更仔细地观察A4。

除了以前众所周知的信息，我们利用红外照明和通过完整裸片背面获取的图像，制作了A4架构的高分辨率显微照片。这使我们能够看到A4的Cortex内核中的标准cell成行排列，高度是该SoC中其它逻辑模块的一半。考虑到整个裸片必须采用同样的45纳米设计规则，这是两个区域所采用的设计原理的明显区别。虽然这依赖于某些假设，但确实暗示该设计采用了裸片上其它区域发现的三星标准cell库以外的东西。这是否是Intrinsity的印迹？如果是，这意味着S5PC110也采用了Intrinsity IP。

UBM TechInsights的对比图提供了迄今为止ARM Cortex的最可靠鉴定，根据三星S5PC110的规格将其定为A8。但这是一个SoC。虽然CPU是芯片的心脏，但它只是装配在芯片上面的许多电路块之一。迅速对比A4和S5PC110，可以看出S5PC110与A4相似，但显然存在差别。在数字方面，有同样数量的模块，至少从UBM TechInsights裸片图形提供的细节看是如此。在模拟方面，两个裸片上面的模块完全一样。三星使用两个电路，而苹果A4只包含一个，说明在模块层面进行了定制。

模块层面的比较，对于了解A4及其功能非常重要，但对于苹果的SoC定制能提供什么信息？苹果创建自己的设计，而不是购买标准产品，最佳理由之一是，这样可以让苹果去掉IC供应商为OEM普遍需求所开发的许多模块。如果采用量身定做的芯片，就可以降低芯片复杂性、管脚和成本，为什么使用通用产品呢？需要说明的是，我们讨论的还不是全面定制的芯片设计。这里所说的只是从相同的IP积木目录中选择，但只是从中选择较少的积木。现在，通过比较苹果和三星的Cortex-A8 SoC，我们可以相信，苹果创造了一款定制设计，并将其命名为“A4”。

苹果A4系统级芯片背面红外成像的结构观察

iPad稍早发布后，对于A4讨论非常重要。除了一个样品以外，iPhone 4中的A4面貌是在6月7日的苹果电脑全球研发者大会(WWDC)主旨演讲中正式宣布的。现在可以比较两个类似的平台：即将推出的iPhone 4及其前辈3GS AP。为了在芯片级进行比较，我们使用了已公开很长时间的两条信息。UBM TechInsights公布了3GS的裸片图，被分解到了扩散区，即有效区域层面。对这个3GS图进行分析，并与Chipworks有注解的裸片显微照片比较。该显微照片首次透露了A4平面布置图的有用细节。

最简单和最引人瞩目的发现，是电路模块的数目和类型几乎没有明显变化。在两款器件中，ARM CPU内核都占用了相对较大的裸片面积，该内核含有一个大型L2 SRAM缓存，以及10个额外的数字逻辑模块。A4裸片较小，为51.8 mm2对72.2 mm2，但这没有透露多少设计方面的情况，因为A4是利用45纳米工艺制造的。

尽管该架构似乎非常相似，但在苹果A4与iPhone 3GS AP之间的面积分配方面明显不同。看看不同区域所占的面积比例，可以得到几个发现：

 • 主要电路模块之间未被使用的面积(由胶合逻辑与空白空间构成)，几乎翻倍(从12%上升到21%)；

 • 模拟电路增加50%(不过这是工艺缩小到45纳米的结果，制程缩小没有给模拟设计节省多少面积)；

 • ARM CPU内核占用的空间只是略有减少，但数字模块占用的总体裸片面积减少约10%；

 • CPU内核上的L2缓存约占50%的macro area，而在3GS上该比例低于40%；

 • 该CPU内核上的总体SRAM macro area大得多，在电路模块内占60%以上的面积。

苹果A4中内嵌ARM Cortex-A8系统级芯片背面红外成像的结构观察
资料来源：MuAnalysis

从电路设计角度来看，芯片面积细分方面的变化相对较小，主要是因为转向了45纳米工艺。总之，从两种“参考”设计的模块层面比较来看，平面布置没有大规模的改变。然而，A4有所不同，但只是一两个模块不同。可是，即使苹果芯片中只缺乏三星Cortex-A8 SoC中的一两个电路模块，我们也应该相信A4是一种定制设计。也有理由把它描述为参考设计的进化版。

乔布斯在1月发表主旨讲话时，宣布了A4，但他实际上暗示这并不是第一款定制的苹果设计。“我们有一个出色的团队在从事定制硅片，”他接着说，A4是“我们迄今所设计的最先进的芯片。”这强烈暗示，他们这么做已有段时间了。

再回到苹果的收购行动，有力证据指向一款Intrinsity设计的ARM Cortex-A8内核。这与三星和Intrinsity之间的渊源有很大关系，从时间上就可以看出来。但收购Intrinsity确实可能早于任何Intrinsity重新设计的Cortex-A9问世，使得只有苹果获得了Intrinsity的多核一代。

和PA Semi的关系呢？A4似乎没有受到PA Semi的很大影响，至少在模块层面是这样。有些设计师无疑参与了A4项目，但肯定没有大量参与CPU设计。该团队可能参与了其它模块，或者只是利用其技术帮助装配出一款复杂的SoC设计。乔布斯称收购PA Semi是苹果公司的产品差异化策略组成部分。但要推出一款真正独一无二的CPU内核，那将是一个很长的过程。AnandTech对苹果收购芯片设计公司的历史的一篇评论，呼应了这点。为了结束这段分析，值得回到我们参考的第一篇A4文章，其中考虑了许多可能的设计方向。

尽管只是提供了一种标准CPU的优化版，但A4对于苹果的策略日益重要，现在已经出现在iPhone，而且肯定会出现在定于9月推出的iPod touch之中，更不用说未来的iOS产品线了。在所有关于该CPU身份的讨论中，很容易忽视这样的事实：A4既不是综合半导体设计公司的产物，也不是芯片设计公司的产物。它来自一家移动设备OEM。苹果正在生产A4供自己使用，最终OEM产品的销售收入就是奖励。全面分析需要在整个产品的背景中考虑芯片，包括OS，这是非常有效的做法。还应考虑电路设计在苹果策略中的作用可能上升，所带来的商业与IP影响，以及推出技术有所改进的新产品而不是全面改变设计的主张。苹果以前从未全面改变设计。

作者介绍

Paul Boldt 目前是渥太华技术咨询公司ned, maude, todd & rod inc.的首席分析师。在从事现在职业之前，他曾在加拿大一家大型IP法律事务所工作过六年，撰写和检查专利申请书。他还有三年从事集成电路的逆向工程。Paul拥有McMaster大学材料科学系的博士学位。

Don Scansen 在Semiconductor Insights公司担任过10年的逆向工程师，并在该公司的工程与产品管理方面担任重要职务。为了获得更全面的技术视角，他创立了semiconDr Inc.。Don一贯乐于与他人分享关于技术的看法，定期在semiconDr.com上写博客文章，并频繁向EE Times供稿。他拥有Saskatchewan大学的电气工程博士学位，并且是安大略省的注册专业工程师。

Tim Whibley 是专门从事IP管理、侵权调查和专利分析的技术顾问。在过去九年里，他当过逆向工程分析师和成功的专利经纪人，最近创立了Ten Yard Technology。

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