拆解分析：揭開A4處理器的奧秘-控制技術-電子工程專輯

拆解分析：揭開A4處理器的奧秘-控制技術-電子工程專輯
拆解分析：揭開A4處理器的奧秘
上網時間: 2010年05月11日

關鍵字： iPad A4處理器 奧秘 世界因為有了Apple新產品iPad而變得更迷人？EETimes美國版的姐妹研究機構UBM TechInsights除了拆解iPad，也針對其內部由Apple自行開發的A4處理器進行深入了解；以下分析師Young Choi將帶領讀者解剖A4奧秘。
在看A4之前，先回顧一下Apple的應用處理器開發史；從2007年的第一代iPhone起，Apple每年都推出兩款新的行動產品，而且是iPhone與iPod Touch系列交錯出現，依序是iPhone、第一代iPod Touch、iPhone 3G、第二代iPod Touch、iPhone 3GS、第三代iPod Touch，然後就是iPad。這些產品內部的應用處理器如下表：
根據UBM TechInsights針對這些應用處理器所做的晶片分析，Apple會在iPhone系列之前先在iPod Touch系列產品(沒有蜂巢式無線通訊功能)採用新技術。iPhone與iPhone 3G的應用處理器都是使用Samsung的90奈米嵌入式DRAM製程，而第二代iPod Touch的應用處理器是首度採用65奈米製程，然後iPhone 3GS才使用相同的製程技術；接下來第三代iPod Touch也是率先採用45奈米應用處理器，並不是iPad。
檢視Apple的每款行動產品，可以很快發現A4處理器所採用的製程節點與晶圓代工廠，都是前幾代應用處理器的智慧累積。雖然製程節點技術分析並不難，但要確認晶片的晶圓代工廠或是製造來源向來頗具挑戰性；持續關注各主要晶圓代工廠的製程節點發展，會是這方面的一個成功關鍵。
UBM TechInsights所採用的方法是將A4的晶粒邊角封條(die edge seals)、保護層(passivation)與介電材料，與各製造商的已知識別記號相互比對，發現第三代iPod Touch與iPad的這款45奈米處理器有許多一致之處，因此確信A4應該也是由三星代工。而在確知晶圓代工廠以及節點技術後，接下來就可進一步分析製程特性(process characteristics)、元件庫(cell libraries)等，決定一顆處理器在設計的創新性上對性能與功耗有所貢獻的關鍵。
iPad配備了一組25瓦特小時(Watt-hour)的電池，號稱續航力可超過10小時；這是一個在產品差異化方面很重要的條件，也值得著手進一步調查，尤其是A4處理器的功耗值。Apple所收購的Intrinsity與PA Semi兩家IC設計公司，都具備改善處理器性能與功耗的潛力。
透過執行功能測試以及功耗量測，UBM TechInsights獲得更多有關iPad功耗特性的資訊(參考下表)；根據完整的產品拆解分析，端看面板的亮度設定，iPad的LCD模組大約消耗1W~3.5W；在使用網路瀏覽功能(也是iPad的典型應用之一)、並將螢幕亮度設定為中等時，耗電量稍稍超過2W。
綜合各項結果並交叉參考數字，估計iPad的主機板耗電量約為1W，其中有50%~80%的耗電是來自A4處理器，因此推估在iPad透過Wi-Fi無線連結執行網路瀏覽功能時，該處理器的耗電量約在500mW~800mW之間。
至於執行音樂或視訊播放功能時，iPad的耗電量約為1.5W~1.7W (此時LCD螢幕的亮度調為最低)；在將LCD的耗電排除之後，iPad主機板功耗約為450mW~650mW，此時同樣估計處理器耗電量佔據50%~80%比例，推估約為250mW~520mW。
由以上數據整體看來，A4是一款省電的處理器，與所發表的規格相當；採用ARM核心、以先進製程節點生產，並在特定關鍵路徑的最佳化上加入一些創新，Apple可說是以這樣的元件推出量產設備的市場第一家廠商。
要確認A4的特性是否與傳言中的創新手法一致，接下來UBM TechInsights所做的是進行細晶片以及韌體的分析，來看看是否有任何專利技術進展被放在晶片中。該機構所使用的方法，包括深入到晶片基板層級的功能性佈線分析(functional layout analysis)，也讓該處理器的各個功能區塊曝光；此外還執行了一些特定的基準測試(benchmarking tests)。
在功能性佈線分析方面，確認了不同的記憶體與邏輯功能區塊，也識別出記憶體核心；透過不同的基準測試，UBM TechInsights得出了許多有關A4處理器的細節，如下表：
根據ARM所提供的資訊，採用Cortex-A8核心、65奈米製程技術，可達到1GHz運作的性能；A4是一款45奈米節點元件，因此該處理器在性能與功耗之間顯然達到了最佳化的平衡。另外也確認A4處理器支援ARM的Neon多媒體指令集延伸。
到目前為止，UBM TechInsights確認了透過先進的核心技術、微縮的製程節點，帶來可預見的處理性能提升，以及在速度與功耗之間取得謹慎的結構性平衡；但也發現，CPU功耗的進一步降低，所帶來的影響力其實稍嫌有限。因為分析指出，LCD背光仍是iPad耗電量最大的部份，因此唯有等到顯示器技術能在功耗上有大幅度的進展，消費者才能確實感受到電池續航力的顯著改善。
(參考原文： Analysis gives first look inside Apple's A4 processor；by Young Choi, UBM TechInsights)