Как Apple создала самый крутой чип на рынке

17.09.2017

В сентябре Apple представила линейку новых iPhone (8, 8 Plus и X), сердцем которых является мощнейший чипсет A11 Bionic, сравнившийся по производительности с MacBook Pro 13" образца 2017 года. Нам бы хватило и этого, чтобы в очередной раз восхититься гением Apple, но эксперт ресурса Mashable Ланс Уланофф (Lance Ulanoff) решил копнуть глубже и выяснить нюансы создания и возможностей столь производительного устройства.


Команда BIG GEEK, как обычно, не смогла обойти стороной столь интересную тему, поэтому встречайте новый перевод!

Вас можно понять, если после двухчасовой презентации продуктов техногиганта Apple, вы запомнили лишь сногсшибательный iPhone X. Он особенный. Но он также ничего бы из себя не представлял без чипсета A11 Bionic.

A11 же, в свою очередь, — ничто без «кремниевой команды Apple».

У меня набралось много вопросов об A11 Bionic — процессоре, установленном не только в iPhone X, который доберётся до прилавков лишь в ноябре, но также и в iPhone 8/8 Plus — в основном, о том, как много функций включает в себя этот самостоятельный микрокомпьютер (однокристальная система или SoC). Джонни Сроуджи (Johny Srouji), руководящий командой разработки чипов («кремниевой командой»), и Фил Шиллер (Phil Schiller), старший вице-президент Apple по маркетингу, посвятили меня в эту тему настолько глубоко, насколько Apple может раскрыть свои технологические тайны.

A11 Bionic — очередной пример невероятного контроля Apple над всем процессом создания устройства. Речь идёт не только о новом блестящем стеклянном корпусе iPhone или обновлённой версии iOS. Apple думает и работает на гораздо более глубоком уровне независимо от того, создают ли они всё самостоятельно или работают с партнерами для разработки собственного SoC, — Apple полностью контролирует ситуацию.

«Мы начали создавать собственный кремний ещё 10 лет назад, потому что это наилучший способ идеально оптимизировать аппаратное и программное обеспечение продуктов Apple», — сказал Сроуджи.


Для Apple разработка кристалла является неотъемлемой частью процесса создания iPhone. «Это нечто большее, чем то, вокруг чего вы строите девайс», — сказал Шиллер.

Во время презентации последних iPhone Шиллер объявил о ряде интересных особенностей этих смартфонов, таких как новый графический процессор собственного производства, обновленный алгоритм обработки изображений и «недооценённый» движок на базе нейросетей. С каждым очередным тезисом Фил кратко демонстрировал слайд с чипом, на котором определённая часть была выделена зелёным цветом. Вскоре я понял, что всё это — одно и то же изображение A11 Bionic, напоминающее различные комнаты внутри одного гигантского «процессорного» дома.


Рендер: новый графический процессор в A11 Bionic


Рендер: два улучшенных производительных ядра в A11 Bionic

Может ли один чипсет выполнять столько задач? Может ли кто-то создать так много частей в одном устройстве, включающих обновлённые камеры, модуль TrueDepth, отвечающий за Face ID и операционную систему, одновременно проектируя процессор, который будет контролировать работу всех этих систем и удовлетворять потребностям разработчиков?

Сроуджи сказал мне, что A11 Bionic находился в разработке три года — таким образом, Apple начала работу над чипом ещё с того момента, как был представлен iPhone 6 на процессоре A8. В то время мы даже и не думали об искусственном интеллекте, но Сроуджи добавил: «Вкладываясь в развитие нейросетей, мы делали ставку на три года вперёд».

Тем не менее, ставить на это — очень рискованная затея, если не следовать по пути Apple в данном вопросе. Чтобы внести ясность, скажу, что Apple не производит процессоры. Она по-прежнему работает со сторонними заводами. Заводы работают по письменным инструкциям компании. Чтобы поддерживать подобного рода связь, Сроуджи, очевидно, имеет небольшую технологическую команду, которая сотрудничает непосредственно с цехами по таким вещам, как графика и подбор транзисторов.

Коммуникация является ключевым компонентом в работе Apple. Шиллер и Сроуджи рассказывали об отдельных командах, работающих порознь, которым каким-то образом удавалось применять совместный подход и приходить к согласию. Однако трёхлетняя дорожная карта может изменяться по ходу разработки (в разумных пределах).

Такие команды как маркетинговая группа Шиллера и команда, отвечающая за разработку дисплеев, приходят к Сроуджи, описывая своё видение того, чего, по их мнению, захотят клиенты через три года. «Этот процесс достаточно гибок для изменений», — сказал Сроуджи, работающий в Apple со времён первого iPhone. — Если команда приходит с просьбой, которая не была частью первоначальной дорожной карты, то мы должны выслушать её. Мы не говорим: "Нет, следуйте строго моему плану, и через пять лет вы увидите результат"».


Рендер: процессор обработки изображений в A11 Bionic

Шиллер и Сроуджи обычно не рассказывают подобного рода вещи, но Фил признался мне: «За последние несколько лет было много важных событий, связанных с тем, что мы просили команду Джона изменить график и план работы, которого та придерживалась многие годы, и члены команды действительно переворачивали всё с ног на голову — это удивительное зрелище».

Конечно, Apple не всегда начинает всё с чистого листа. «В качестве основы для нового поколения мы берём архитектуру от предыдущего и, в зависимости от поставленных задач, решаем, достаточно ли будет просто что-то улучшить или следует начать с нуля», — поведал Джон. Шиллер и Сроуджи подтвердили, что даже A11 Bionic, название которого является отсылкой к технологиям искусственного интеллекта, основывается на многих достижениях и разработках, впервые представленных в A10 Fusion.

Шиллер описал A11 Bionic как сочетание изменений в дизайне, архитектуре и технологиях — некоторые совершенно новые, а некоторые являются усовершенствованными версиями уже существующих конструкций.

Высокопроизводительные и энергоэффективные ядра, реализованные в чипсете A10 Fusion, получили итеративное обновление, включающее, в том числе, два дополнительных ядра и возможность обработки группы нескольких разных процессов, то есть чип может активировать 1, 2, 3, 4, 5 или 6 ядер одновременно. Управление ядром на 10-нанометровом техпроцессе является одной из причин, по которой A11 Bionic, согласно Apple, на 70% энергоэффективнее, будучи на 25% быстрее, чем A10 Fusion. По какому принципу система распределяет баланс использования энергоэффективных и максимально производительных ядер, не совсем понятно.

Сроуджи сказал, что, конечно, игры требуют задействования всех ядер, но что-то столь же простое, как контекстные подсказки (система предлагает ввести следующее слово, возможно подходящее по смыслу), может также потребовать высокой производительности.

Обновлённый процессор обработки изображений, работающий в паре с камерами, помогает вытянуть из снимков более насыщенные цвета и улучшает их качество в условиях недостаточной освещённости. Это помогает задействовать новый режим «Портретное освещение» (доступно как для основной, так и для фронтальной камеры), который использует две различные формы 3D-обработки лица для эффектной имитации студийных световых приборов в реальном времени.

Прокаченное видеокодирование теперь справляется с более высокой частотой кадров и обрабатывает замедленные видео в улучшенном качестве.

Элемент, отвечающий за безопасность, был также заменён, но подробности не раскрыли: «Не вдаваясь в конкретику, мы очень серьезно относимся к безопасности», — сказал Шиллер.

Нейронный и графический движки — совершенно новые.

Я спросил у Джонни, почему Apple решила после многих лет использования сторонних графических процессоров (GPU), последним из которых был GT7600 GPU PowerVTR, построить и интегрировать свой собственный. Ответ был вполне ожидаем.

«Взгляните на наш чипсет, центральный процессор, дисплей или интернет-модуль. Мы используем сторонние компоненты только в том случае, если они соответствуют должному для нас уровню качества и оптимизации. Мы последовательно работаем так последние 30 лет».


Построение собственного GPU также является ещё одним ключом к владению полным пакетом компонентов. Шиллер отметил, что теперь у Apple есть всё: от графического оборудования до языков программирования и ОС (включая платформы и библиотеки).

Эффективная команда

Чем больше Apple задействована в производстве iPhone и процессоров, тем более эффективно она может делать это.

«Кремниевая команда» Apple, например, одержима энергоэффективностью, но никогда не в ущерб производительности. 

«Мы не хотим, чтобы тратился заряд батареи вашего iPhone, когда вы не используете его», — заявил Сроуджи. Однако это не значит, что в режиме покоя iPhone погружается в некий глубокий сон. Когда вы поднимаете iPhone, он мгновенно просыпается — чип всегда наготове.


Это касается не только iPhone. Команда Джона занимается также разработкой чипсета для Apple Watch Series 3, где, по словам Шиллера, она «ведёт обсуждения о квадратных миллиметрах», например: «Сколько квадратных миллиметров я могу сэкономить на мощности?». Разработчики сумели добиться прежней автономности (18 часов работы), несмотря на добавление LTE и удвоение количества ядер. Частью решения стал новый, более энергоэффективный чип W2.

«Мозг» с искусственным интеллектом

Внимание к производству процессоров, помимо прочего, позволяет реализовать свежие функции, как, например, «Нейронный двигатель».

Эта интригующая частичка инноваций претендует на звание самой важной среди всех прочих в A11 Bionic. Ведь это ничто иное, как искусственный интеллект внутри мобильного чипа, который «думает» иначе, чем все остальные компоненты системы.

Туда входит новая фишка отслеживания лица в Face ID, а также распознавание объектов для работы дополненной реальности. Все они используют нейронные сети, машинное обучение или глубокое обучение (которое является частью машинного обучения). Такая нейронная обработка может выполняться на центральном процессоре или, предпочтительно, на графическом процессоре.


Секретный ингредиент «Нейронного двигателя», отличающий его от других частей A11 Bionic, заключается в способности умножать матрицы и обрабатывать математические процессы с плавающей запятой.

Apple, однако, не даёт разработчикам в полной мере использовать потенциал данной функции: «Нейронный двигатель существует для определённого набора задач, а не для общего использования», — пояснил Шиллер. 

Одной из таких задач является отслеживание лиц, используемое для очаровательных «Анимодзи» (анимированных «Эмодзи», повторяющих мимику пользователя).These adorable animoji's track your face in real time thanks to the A11 Bionic and its new Neural Engine. 
«Анимодзи»

Разработчики, однако, могут касаться движка поверхностно через любое приложение по распознаванию лиц, созданное ими с помощью инструментария Apple, такого как ARKit.

Есть и другие элементы управления A11 Bionic, о которых Apple не часто говорит, в том числе контроллер хранения, который включает пользовательские алгоритмы исправления ошибок кода (ECC).  «Выносливость и производительность хранилища наших девайсов будет оставаться максимальной на всём периоде эксплуатации», — поделился со мной Сроуджи.

Новый чипсет также стал домом для цифрового сигнального процессора, отвечающего за качество звука. «Мы очень много работаем в этой области», — сказал Шиллер, добавив: «У меня есть друзья, являющиеся заядлыми меломанами, любящими проверять, насколько чист аудиосигнал».

За десятилетия разработок Apple добилась большого «кремниевого» прогресса, перейдя от 65-нанометрового техпроцесса к 10-нм и от примерно 100 миллионов транзисторов к 4,31 миллиардам.

Кремний, тем не менее, подбирается к своим физическим пределам, поэтому многие отрасли уже ищут новые материалы и технологии, в том числе квантовые вычисления.

Я спросил у Сроуджи, в следующем поколении компания рассматривает разработку на основе кремния или без него, на что он ответил: «Мы думаем о будущем, и всё, что я могу сказать — мы не будем себя ограничивать», а потом добавил словно постскриптум: «Становится всё труднее».

Итог

Из года в год мобильные гаджеты учатся выполнять всё более удивительные вещи. Сейчас мы стоим на том рубеже, когда приставка «смарт» в слове «смартфон» начинает приобретать иной, гораздо более глубокий смысл. Смартфоны, планшеты и прочие умные девайсы теперь отличает не только возможность выходить в интернет и предоставлять пользователям контент на качественно новом уровне, чем это было до 2007 или 2010 года (до выхода первого iPhone и первого iPad соответственно). «Смарт» — это отныне собственный «разум» таких устройств, благодаря которому они вскоре станут настоящими компаньонами для людей.

Новейший чипсет A11 Bionic, в частности, показывает, что технологии развиваются в правильном направлении.

Иван Кудинов, Big Geek
По материалам: Mashable