UPDATE: Mit erstem iPhone 6 Video

Unsere Prognose zu Apples A8-Chip im iPhone 6

1. September 2014, 16:04 Uhr | Frank Riemenschneider

Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Die A8-CPU-Prognose

Wenn man über die CPU-Designs von Apple spekuliert, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, welche Kompetenzen sie jetzt im Hause haben. Sie kauften unter anderem Intrinsity und PA Semi und die Einstellung von AMDs Top-CPU-Architekten zeigt, wie ernst Apple die leistungsstärksten, kundenspezifischen CPU-Lösungen nimmt.

Cyclone und Swift haben gegenüber ihren Vorgängern jeweils signifikante Leistungsspränge gemacht und es dürfte für Apple extrem schwer sein, einen solchen Sprung noch einmal zu wiederholen. Dementsprechend ist die CPU-Prognose diesmal recht unspektakulär. Der Wechsel zu einer 20-nm-Fertigung ausgehend von 28 nm wird sicherlich im Hinblick auf die Transistordichte und Geschwindigkeit bei gleicher Leistungsaufnahme helfen, aber Apples Historie der äußerst bescheidenen Taktfrequenzen wird sich auch beim A8 niederschlagen: Für das iPhone blieb Cyclone bei den 1,3 GHz, die schon Swift hatte, auch wenn am oberen Ende Android-Handys Quad-Core-Architekturen mit maximalen CPU-Geschwindigkeiten oberhalb von 2 GHz aufweisen. Der Grund für die Zurückhaltung bei der Taktfrequenz ist natürlich das Thema Energiesparen, dabei hilft es zu wissen, wie genau die Leistungsaufnahme reduziert wird.

Die Leistungsaufnahme eines Transistors kann nach der Gleichung P = f x C x U² berechnet werden, wobei f die Taktfrequenz, C die kapazitive Last des Elements, dass der Transistor treibt, und U die angelegte Spannung am Drain des Transistors, der von Masse aus hin- und herschaltet, ist. Es wird deutlich, dass der dominierende Faktor die Spannung ist, da sie quadratisch in die Formel eingeht. Was nicht unmittelbar klar ist, ist die Tatsache, dass die Frequenz, mit der Sie arbeiten können, direkt mit der Spannung zusammenhängt, weil sie direkt bestimmt, wie schnell man Elektronen bewegen kann, um Zustände zu wechseln. Indem man eine vergleichsweise niedrige Taktfrequenz wählt, kann Apple eine Versorgungsspannung nehmen, die mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit niedriger als die der Konkurrenten ist, welche ihre CPUs mit 2 GHz oder noch mehr takten.

Um eine ähnlich hohe Rechenleistung zu erhalten, musste Apple somit Cores mit einer höheren Durchsatzrate (Instruktionen pro Taktzyklus, IPC) bauen oder mehrere Cores einsetzen. Apples Dual-Core-Strategie hat die Antwort bereits gegeben: Es ist die IPC, wo jeder Konkurrent getoppt wurde. Mit sechs Instruktions-Dekodern ist Cyclone so breit wie Desktop-Designs wie Intels Sandy Bridge. Das zum Begriff "Desktop-Klasse", den Apple stolz in der letzten Keynote bei der A7-Präsentation verwendete.

Im nächsten Jahr bringt allerdings Nvidia seinen eigenen 64-Bit-ARMv8-A-kompatiblen Core mit sieben Dekodern auf den Markt. Diese "Denver" genannte CPU wird mit einer Mikrocode-Übersetzung Cyclone deutlich übertreffen, wie unsere Analyse zeigte. Zusammen mit Qualcomms Plänen für Dual-Core-ARM-Coretx-A57-basierenden SoCs zeigen Nvidias Pläne, dass große, komplexe CPUs in einer Dual-Core-Konfiguration offensichtlich für Mobilgeräte im Moment die optimale Lösung darstellen. Der einst von Nvidias Tegra-2 gestartete "Core-Krieg" scheint endlich dem Ende zuzugehen. Wir haben keinen Zweifel, dass mobile Umgebungen irgendwann in der Zukunft von vier Cores – logisch über Multithreading oder physikalisch – profitieren werden, aber es scheint, dass dies eher später als früher der Fall sein wird.

Apple befand sich bislang in einem regelrechten Sturm von Implementierungen eines neuen Befehlssatzes, neuen Referenz-Designs von ARM-Cores und kürzeren Zeiten bis zur Markteinführung. Zuerst kam die Cortex A8-Architektur und das damit verbundene ARMv7-ISA mit dem iPhone 3GS, zwei Jahre nachdem das Referenzdesign von ARM vorgestellt worden war. Der Cortex A8 hatte eine signifikant höhere IPC als sein Vorgänger ARM11, der das ARMv6-ISA implementierte. Im folgenden Jahr wurde ein anderes Cortex A8-Design verwendet, dieses Mal mit Intrinsity-Logik und 50 % schneller getaktet. Das war Apples erstes eigene SoC mit der Bezeichnung A4. Es folgte der Cortex-A9 mit einem Out-of-Order-Design für einen weiteren kräftigen Schub beim IPC. Apple baute bei stabiler Taktfrequenz zwei dieser Cores in seine A5-SoCs ein. Der Cortex-A15 folgte mit einigen ISA-Erweiterungen, die uns zu ARMv7s führen, von wo aus Apple sein erstes wirklich individuelles Design mit dem Codenamen "Swift" in den A6 verbaute. Damit konnte ein weiterer Schub um rund 50 % gegenüber dem A5 erreicht werden.

Letztlich wechselte Apple zu ARMv8-A, um den Cyclone-Core im A7 zu implementieren. Dieses Design verbesserte die Rechenleistung um Faktor 2 durch eine große IPC-Verbesserung und leistungsfähige 64-bit-Anweisungen, während die CPU-Frequenz konstant blieb. Angesichts dieser Entwicklung erwarten wir eine leichte Erhöhung der Taktfrequenz beim A8 auf maximal 1,6 GHz.

Die Situation ist so, dass Apple kein neues ISA implementieren muss, keinen neuen ARM-Referenz-Core verbessern muss, und keine offensichtlichen „niedrig hängenden Früchte“ in Form von Design-Verbesserungen gegenüber dem Vorgänger ernten kann. Die Anzahl der Instruktions-Dekoder wird wohl kaum erhöht, da das Design schon heute so breit wie viele Desktop-Designs ist. Weitere Versuche, den Core zu erweitern, würden wahrscheinlich zu nicht ausgelasteten Funktionseinheiten mit wenig Verbesserungen der tatsächlichen IPC führen. Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren wird es für Apple ziemlich schwer werden, ein drittes Mal in Folge eine Benchmark-Verbesserung um Faktor 2 zu erreichen, ohne die Taktfrequenz deutlich zu erhöhen.

Dies wird nach unserer Ansicht aber nicht eintreten. Stattdessen wird Apple vermutlich kleine, aber sinnvolle Verbesserungen im bestehenden Cyclone-Design dort machen, wo man die größten Schwächen sieht. Beispiele dafür kann ein besserer Verzweigungsprädiktor sein oder mehr individuelle Erweiterungen des ARMv8-A-ISA zur Beschleunigung häufig verwendeter Operationen, Speicherlatenzzeit-Verkürzungen oder eine Reduktion der benötigten Anzahl Taktzyklen für komplexe ALU-Operationen.

Prognose von Elektroniknet: Die CPU wird ein mit 1,6 GHz getakteter Dual-Core-„Cyclone-Plus“.