Apple Watch智能手表芯片S1详细解析

qingyin

Apple Watch搭载的是S1芯片，在这款尺寸为 26 毫米×28 毫米的芯片内有  30 个独立的组件，这绝对称得上“让人惊叹”。其中还包括了 NXP 的 NFC 芯片、AMS 的 NFC  信号放大器及Maxin的音频放大器。今天外媒与我们一起从更专业的角度来了解这款芯片。目前开发和销售智能手表的 OEM  很多都是智能手机厂商，所以我们会看到这些厂商通常都是直接将智能手机的部件“塞到”智能手表里面。


　　很多Android Wear 手表使用的都是调制解调器的高通 Snapdragon 400 芯片。而 A7  芯片从散热设计功耗的角度来说是适合智能手表的。Android Wear 手表的电池容量大约为 400 mAh，可续航 1-2  天，但是对于市场来说这些手表太大，这种时候就需要特别针对智能手表的外形和大小设计的 SoC 片上系统。
　　对于 Apple Watch S1 芯片，目前还没有合适的跑分测试工具，但是从这款设备的拆解我们可以看到，该 SoC 使用的是三星 28nm LP  制程，使用的只可能是 HKMG 或 poly SiON 栅极结构。选择不同的结构功率效率也会不同，因为 HKMG 制程的漏泄功率更小。和使用 20/14nm  制程的成本相比，这两种制程的成本差异并不大，另外参考 TSMC 在 Snapdragon 600 和 800 芯片上从 28LP 制程换成 28HPm  后对电池续航的影响，基本可以确定苹果的这款芯片使用的是 HKMG 制程。


　　我们也已经知道二进制文件是为手表的 ARMv7k 处理器进行编译，可惜目前关于该指令集架构并没有相关记录。watchOS 是在 iOS/Darwin  的基础上开发出来的，也就是说为了获得存储保护和关键抽象，比如虚拟内存，它需要内存管理单元MMU，这就排除了使用像 ARMv7m 这样的 MCU ISA  的可能性，我们猜测苹果使用的可能是衍生的 ARMv7-A，精简掉不必要的指令，以减小功率消耗。
　　至于设备的 GPU 就不那么神秘了，从出现在 Apple Watch 中的 PowerVR 驱动器来看，S1使用的可能是 PowerVR Series  5 GPU，具体哪款尚未清楚，有可能是 PowerVR SGX543MP1。不过我更倾向于 PowerVR GX5300，因为它是特别针对穿戴设备优化的  GPU，使用的驱动器也一样。但是不管怎样，在 watchOS 2 到来之前 Apple Watch  都无法原生运行应用这一点来看，我们目前能够深入挖掘的东西很少，而且即使 watchOS 2 发布，图形跑分可能还是不好测试。
　　接下来我们可以来了解一下 CPU  的分级存储器体系，对于需要优化以确保代码能有足够时间和/或空间局部性来保证代码性能的应用来说，这是一项非常重要的信息。



　　如图所示， 在 DRAM 28KB 和 64KB 之间有一个非常大的波动变化，因为我们已经清除了 L1 数据缓存的本地最大值，我们基本可以确定 L1  数据缓存大小为32KB，目前市场上很多产品的 L1 数据缓存也在 32 和 64KB 之间。而在 224KB 左右的地方再次出现大变化，我们也可以确定 L2  的数据缓存为 256KB，和目前大型智能手机 CPU 的 1-2MB 共享缓存相比小了很多，但是和 A5 或者 A7 相比则恰好合适。
　　Apple Watch 的 CPU 最大频率是520  MHz。我们接下来看看它的架构。在关于整数运算这方面，整数添加延迟是一个循环，而整数乘法延迟则是三个循环。但是因为流水线整数乘法的吞吐量能输出一个时钟周期结果。同样的比特移位需要两个周期来完成，而吞吐只需要一个时钟周期。乘法和加法交错吞吐量将只有一半。我们可以猜测这是因为整数加法  block 和整数乘法 block 相同，然而这并没有什么意义，因为从逻辑层面来说，加法和乘法区别太大了。
　　从数据类型的角度来说，整数只是一个因素，还有布尔值、字符、字符串和不同大小的整数，但是说到十进制，应用程序仍然使用浮点来编译。像这款低功率  CPU，浮点通常比整数慢，因为浮点运算的相关法则比较复杂。


　　如果你打开的网页的延迟和吞吐时间是针对 Cortex A7 的，你可能猜测它是 Cortex A7，那你可能就猜对了。同时加载存储意味着这些是 XOR  运算，不能以平行方式执行。乘法运算和加法运算也是一样。虽然 Cortex A7 和 Cortex A5  有相同点，但也不能说明为什么可以每时钟周期可增加两次立即值/恒定值和累加寄存器。
　　从这些数据我们可以确定它就是单核 Cortex A7。虽然只是 Cortex A7  但是最大时钟速度较低，也就是说逻辑设计上相比性能他更重视功率效率。标准电池可以利用某些技术和风格，这些技术实际会影响 2+ GHz  芯片的性能，但是却非常适合使用在 520 MHz 芯片中、从衡量能源效率与性能的角度来说，Cortex A7 是一个有利于 perf/W（Performance  per Watt，每瓦性能）的设计，因此我认为未来关键的不同点将在于执行方法，而不是架构。虽然我也希望 Apple Watch 能够使用更为先进的制程，比如  14LPP/16FF+，但是在 Apple Watch 第二代或者第三代出来之前基本都没有这种可能。

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