Por Que os Chips da Apple São Mais Rápidos que os da Qualcomm?

As pontuações de benchmark do processador mais recente da Apple são impressionantes. Mas por que a Apple está tão à frente da concorrência?

Geralmente, sempre que a Apple anuncia um novo iPhone, ela também anuncia um novo System-on-a-Chip. Inevitavelmente, são feitas comparações entre o SoC mais recente da Apple e as ofertas mais recentes da Qualcomm, Samsung, Google e MediaTek. Normalmente não demora muito para que os números do benchmark apareçam e a Apple seja declarada vencedora.

Então, por que os SoCs da Apple sempre parecem vencer a concorrência? Por que os processadores usados ​​pelo Android estão aparentemente tão atrasados? Os chips da Apple são realmente tão bons? Bem, deixe-me explicar.

Silício da Apple

A Apple projeta processadores que usam a arquitetura de instruções de 64 bits da Arm. Isso significa que os chips da Apple usam a mesma arquitetura RISC subjacente da Qualcomm, Samsung e Google. A diferença é que a Apple possui licença de arquitetura com a Arm, o que lhe permite projetar seus próprios chips do zero. O primeiro processador Arm interno de 64 bits da Apple foi o Apple A7, usado no iPhone 5S. Ele tinha uma CPU dual-core, com clock de 1,4 GHz, e uma GPU PowerVR G6430 quad-core. Foi fabricado usando um processo de 28 nm.

Avançando vários anos e as ofertas mais recentes da Apple para dispositivos móveis, use uma CPU hexa-core, usando multiprocessamento heterogêneo (HMP) e uma GPU interna (depois que a Apple decidiu parar de usar a GPU da Imagination, enquanto ainda licenciava a tecnologia subjacente de Imaginação). Os seis núcleos da CPU são compostos por dois núcleos de alto desempenho e quatro núcleos com eficiência energética.

O A16 contém 16 bilhões de transistores, um Neural Engine de 16 núcleos e um codec de vídeo com suporte para codificação e decodificação ProRes, HEVC e H.264, bem como suporte de decodificação para MP4, VP8 e VP9. É fabricado usando o processo de fabricação de 4 nm da TSMC, conhecido como N4P.

Comparação

Robert Triggs / Autoridade Android

Mas o que tudo isso significa? Aqui está uma visão geral de como as gerações recentes de processadores da Apple se comparam aos melhores da Qualcomm, Samsung e Google:

Nota: O Geekbench testa apenas a pontuação da CPU. Ele não exercita a GPU de forma alguma nem testa a capacidade de quaisquer outros componentes integrados no SoC, incluindo DSP, ISP ou quaisquer mecanismos de rede neural.

Resumindo, as gerações recentes de processadores da Apple oferecem melhor desempenho de CPU do que qualquer outro processador de smartphone, de qualquer empresa.

Por que?

No papel, as pontuações dos processadores da Apple (que possuem apenas 6 núcleos) são mais rápidas do que as pontuações octa-core de todos os processadores. E não apenas por uma geração, mas por duas, ou até três. Porém, como mencionei acima, o Geekbench não testa outras partes do SoC. Coisas como GPU, DSP, ISP e quaisquer funções relacionadas à IA. Essas outras partes do SoC influenciarão a experiência diária de qualquer dispositivo que use esses processadores. No entanto, quando se trata de velocidade bruta da CPU, a Apple é a vencedora.

Isso pode ser um pouco difícil para os fãs do Android. Então qual é o motivo? Primeiro, precisamos de uma pequena lição de história.

Linha do tempo

É justo dizer que a Apple pegou a Qualcomm dormindo quando anunciou o A7 de 64 bits em 2013. Até então, a Apple e a Qualcomm vendiam processadores Armv7 de 32 bits para uso em dispositivos móveis. A Qualcomm estava liderando o campo com seu SoC Snapdragon 800 de 32 bits. Ele usou um núcleo Krait 400 interno junto com a GPU Adreno 330. A vida era boa para a Qualcomm.

Quando a Apple anunciou repentinamente uma CPU Armv8 de 64 bits, a Qualcomm não tinha nada. Na época, um de seus executivos chamou o A7 de 64 bits de “truque de marketing” , mas não demorou muito para que a Qualcomm apresentasse sua própria estratégia para 64 bits.

Em abril de 2014, a Qualcomm lançou o Snapdragon 810 com quatro núcleos Cortex-A57 e quatro núcleos Cortex-A53. A linha de núcleos “Cortex” vem diretamente da Arm, a guardiã da arquitetura Arm. Mas naquele mesmo ano, a Apple anunciou o A8, sua CPU interna de 64 bits de segunda geração. Somente em março de 2015 a Qualcomm conseguiu anunciar sua CPU interna de primeira geração de 64 bits, o Snapdragon 820, com seu núcleo de CPU Kryo personalizado.

Em setembro do mesmo ano, a Apple lançou o iPhone 6S usando o processador A9, CPU interna de 64 bits de terceira geração da Apple. De repente, a Qualcomm estava duas gerações atrás da Apple.

Em 2016, a oferta da Qualcomm voltou a ser da Arm, mas teve uma reviravolta. A Arm criou um novo programa de licenciamento que permitiu aos seus parceiros mais confiáveis ​​acesso antecipado aos seus mais recentes designs de CPU e até mesmo alguma medida de personalização. O resultado foi o núcleo da CPU Kryo 280. De acordo com a folha de especificações, o Snapdragon 835 usa oito núcleos Kryo 280, no entanto, é geralmente aceito que possui quatro núcleos Cortex-A73 (com ajustes) mais quatro núcleos Cortex-A53 (com ajustes). Para o Snapdragon 835, a Qualcomm mudou o anúncio da primavera para o inverno, o que significa que o 835 foi anunciado depois do Apple A10 e do iPhone 7.

O primeiro CPU de 64 bits da Qualcomm chegou no mesmo ano que o terceiro da Apple.

Esta partida de pingue-pongue continua. As coisas mudaram um pouco quando Arm introduziu a linha Cortex-X. Esses núcleos de CPU foram projetados para diminuir a lacuna entre os processadores do Android e os da Apple. As CPUs Cortex-X são projetadas primeiro para oferecer o mais alto desempenho, mesmo correndo o risco de maior consumo de energia. É por isso que normalmente há apenas um núcleo Cortex-X em um processador móvel e, em seguida, três núcleos Cortex-A de última geração e, em seguida, quatro núcleos de eficiência energética. Uma configuração 1+3+4.

Mas a configuração 1+3+4 não é a única variação usada. O Google Tensor G1 e G2 usam dois núcleos Cortex-X. O G1 usa dois núcleos Cortex-X1 junto com dois núcleos Cortex-A76 mais antigos. Já o G2 usa novamente dois núcleos Cortex-X1, mas agora com dois núcleos Cortex-A78. A Qualcomm usou uma configuração diferente no Snapdragon 8 Gen 2. Há um núcleo Cortex-X3, dois núcleos Cortex-A715, dois núcleos Cortex-A710 (para compatibilidade de 32 bits) e três núcleos Cortex-A510. Uma configuração 1+2+2+3.Fornecido pela Qualcomm

O que há de diferente nos núcleos da CPU da Apple?

Há várias coisas importantes a serem reconhecidas sobre os núcleos da CPU da Apple.

Primeiro, a Apple teve uma vantagem sobre quase todo mundo quando se trata de CPUs baseadas em Arm de 64 bits. Embora a própria Arm tenha anunciado o Cortex-A57 em outubro de 2012, o cronograma proposto era que os parceiros da Arm enviassem os primeiros processadores em 2014. Mas a Apple tinha uma CPU Arm de 64 bits em dispositivos durante 2013. Desde então, a empresa conseguiu capitalizar essa liderança inicial e produziu um novo design de núcleo de CPU a cada ano.

Em segundo lugar, os esforços da Apple em SoC estão fortemente acoplados aos lançamentos de seus aparelhos. Projetar uma CPU móvel de alto desempenho é difícil. É difícil para a Apple; para braço; para Qualcomm; para todos. Porque é difícil, leva muito tempo. O Cortex-A57 foi anunciado em outubro de 2012, mas só apareceu em um smartphone em abril de 2014. Esse é um longo prazo.

No entanto, esse prazo está mudando. A cadência atual parece ser que a Arm anuncia seus novos designs de CPU no final da primavera e os OEMs começam a anunciar dispositivos no final do ano ou no início do próximo ano. Normalmente cerca de 6 a 8 meses após o anúncio dos designs da CPU. É claro que os fabricantes de smartphones não ouvem falar dos processadores mais novos quando nós, eles ficam atentos ao que está acontecendo talvez nos próximos 18 meses.

Terceiro, as CPUs da Apple são grandes e, neste jogo, grande significa caro. O Apple A15 tem 15 bilhões de transistores e o A16 é ainda maior, com 16 bilhões de transistores. A chave aqui é que a Apple vende smartphones, não chips. Como resultado, pode tornar os SoCs mais caros e recuperar o dinheiro em outros lugares, incluindo o preço final de varejo.

Arm e Qualcomm, no entanto, estão no negócio de venda de chips. Arm faz o design do núcleo da CPU para a Qualcomm (e outras como MediaTek) e a Qualcomm projeta os chips, que, por sua vez, vende para fabricantes de celulares como Samsung, OnePlus, Sony, etc. A Qualcomm precisa ter lucro. Todos os OEMs precisam ter lucros. O resultado prático é que a Qualcomm não pode se dar ao luxo de fabricar processadores excessivamente caros ou os OEMs começarão a procurar outro lugar.

A Apple pode se dar ao luxo de tornar seus SoCs mais caros e recuperar o dinheiro no preço final de varejo do iPhone. Arm e Qualcomm não podem.

Quarto, as CPUs da Apple possuem grandes caches. O silício custa dinheiro e, para alguns fabricantes de chips, a sua margem de lucro pode ser encontrada em apenas 0,5 mm2 de silício poupado. Como no terceiro ponto acima, a Apple é capaz de fabricar chips maiores (em termos de custos de silício) e isso inclui caches grandes.

O Apple A16 tem 16 MB de cache para núcleos de desempenho, 4 MB de cache L2 para núcleos de eficiência e enormes 24 MB de cache de sistema. Isso é um total de 44 MB de cache! Esses caches são enormes em comparação com o Snapdragon 8 Gen 2, que estima-se que tenha cerca de um quarto disso.

Se você quiser mais informações sobre caches em geral, consulte: o que é memória cache – explica Gary .

Quinto e último, o plano da Apple de fabricar processadores com pipelines amplos em velocidades de clock (inicialmente) mais baixas se concretizou. Em termos muito gerais, os fabricantes de SoC podem fazer um núcleo de CPU com um tubo estreito, mas operar esse tubo em altas frequências de clock; ou use um tubo mais largo, mas em velocidades de clock mais baixas. Como um cano de água do mundo real, você pode bombear água em alta pressão através de um cano mais estreito ou em baixa pressão através de um cano mais largo. Em ambos os casos, teoricamente, você pode obter o mesmo rendimento. Os processadores Arms tendem a usar tubos mais estreitos (mas isso mudou ligeiramente com a linha Cortex-X), enquanto a Apple está no campo de pipeline mais amplo.Robert Triggs / Autoridade Android

Núvia

Uma maneira pela qual a Qualcomm poderia pegar a Apple seria contratar alguns ex-engenheiros da Apple que trabalharam nos processadores da Apple e fazê-los projetar um processador Qualcomm. Bem, foi exatamente isso que a Qualcomm fez, quase.

Nuvia foi uma empresa de design de CPU fundada em 2019 pelo ex-chefe de design de CPU da Apple, Gerard Williams, e John Bruno, um arquiteto de sistemas do Google que já havia trabalhado por cinco anos na Apple em uma função semelhante. Williams foi arquiteto-chefe de CPU da Apple. Ele trabalhou nas arquiteturas de CPU Cyclone, Typhoon, Twister, Hurricane, Monsoon e Vortex da empresa para vários SoCs da série A da Apple. Antes de trabalhar em Cupertino, Williams passou 12 anos como Arm Fellow, trabalhando nas arquiteturas Cortex-A8 e Cortex-A15.

No início de 2021, a Qualcomm comprou a Nuvia por US$ 1,4 bilhão.

Desde então a equipe da ex-Nuvia vem trabalhando em um novo processador para a Qualcomm. Será um design interno e suas iterações iniciais serão voltadas para laptops. A Qualcomm está planejando lançar o processador baseado em Nuvia em 2023, com os primeiros produtos de consumo chegando em 2024. Depois disso, a Qualcomm provavelmente tentará fazer uma versão para smartphone baseada na mesma tecnologia.

Embrulhar

Não há como negar que a Apple tem uma equipe de design de CPU de classe mundial que produziu consistentemente os melhores SoCs do mundo nos últimos anos. O sucesso da Apple não é mágico. É o resultado de uma excelente engenharia, um bom prazo de entrega em relação aos concorrentes e o luxo de fabricar SoCs com muito silício para um pequeno número de produtos.

Não veremos um SoC da Qualcomm, Samsung ou MediaTek que possa superar o mais recente SoC da Apple em termos de potência bruta da CPU, a menos que…

Prevejo que não veremos um SoC da Qualcomm, Samsung ou MediaTek que possa superar o SoC mais recente da Apple, em termos de potência bruta da CPU, a menos que aconteça uma das seguintes situações:

• A Apple tropeça e produz um SoC “ruim”. Isso significa que perderá a liderança em relação aos outros OEMs.
• Um dos principais fabricantes de chips decide construir uma CPU cara com uma grande área de superfície e muito silício dedicado a coisas como cache, etc.

Há sinais de que uma ou talvez ambas as condições possam acontecer em breve. O processador baseado em Nuvia é certamente algo a ser observado, e o fato de a Apple ter usado o A15 mais antigo no iPhone 14 e no iPhone 14 Plus significa que o A16 não oferece tanto salto de desempenho quanto as gerações anteriores. Curiosamente, ele usa apenas 1 bilhão de transistores a mais que o A15, o menor aumento de geração na contagem de transistores em muito tempo.

Mais uma coisa

Não é justo fechar aqui. Concentrei-me diretamente no desempenho da CPU medido pelo Geekbench. No entanto, um SoC não é apenas uma CPU. Há também a GPU, o DSP, o ISP e assim por diante. Esses componentes nos processadores da Apple também são impressionantes, mas também o são a GPU, o DSP e o ISP nos processadores da Qualcomm. Em última análise, tudo se resume à experiência do usuário. O iPhone com SoC da Apple oferece uma boa experiência ao usuário? Sim. O carro-chefe do Android mais recente usando o Snapdragon mais recente proporciona uma boa experiência ao usuário? Além disso, sim.

Mas aqui está a chave: as nossas expectativas estão a mudar. Os processadores atuais da Apple, Google, Qualcomm e Samsung contêm unidades de processamento neural (NPU) dedicadas. Eles executam tarefas como detecção de objetos, contorno de objetos, reconhecimento de objetos, detecção de rosto e reconhecimento de rosto, e fazem isso muito mais rápido que uma CPU. O uso de Machine Learning está se tornando parte fundamental da experiência do usuário e não depende muito do poder da CPU. Estamos caminhando lentamente para uma visão mais holística. É claro que o Google está promovendo a ideia de aprendizado de máquina primeiro em seus processadores de smartphones com seus chips Tensor G1 e G2.

O que isto significa é que agora é a hora de Qualcomm, Google, Samsung, MediaTek e Arm redefinirem o SoC tradicional e implementarem novos recursos como processamento neural. Se conseguirem fazer isso melhor do que a Apple, então há uma chance de que ganhem vantagem nos próximos anos.