Apple A10 Fusion: tutti i dettagli tecnici sulla CPU di iPhone 7

Il SoC A10 Fusion di iPhone 7 è per Apple un balzo in avanti notevole in termini architetturali, e nasconde tante scelte innovative.

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I SoC AX di Apple si sono dimostrati nel tempo potenti e affidabili. Seppur i chip di Cupertino non abbiano un design totalmente fatto in casa, le strade intraprese dall'azienda le hanno sempre dato ragione, portandola a realizzare dei processori creati su misura per i propri device. Con l'introduzione di iPhone 7 e iPhone 7 Plus, abbiamo assistito ad un approccio simile a quello adottato in passato: i due nuovi modelli hanno infatti al loro interno un chip ARM progettato da Apple, che la società ha chiamato A10 Fusion, il primo quad core mai realizzato per iPhone, che ha fatto fare al melafonino un grande salto prestazionale.

Il passaggio ai quattro core

Con il system-on-a-chip A10 Fusion, Apple è finalmente passata ad un processore a quattro core, visto che in passato ha sempre puntato su due sole unità di calcolo. La casa di Cupertino è sempre stata conservativa in merito a processori con più di due core, poiché il suo software e il suo hardware sono fortemente integrati. Passare ai quattro core avrebbe forzato l'azienda a rivedere parte del suo sistema operativo, affinché esso potesse trarre beneficio dalla nuova configurazione. Con la crescita della complessità dei giochi e delle applicazioni, Apple era cosciente del fatto che prima o poi sarebbe stata spinta a passare ad una CPU dotata di quattro core, e quindi ha deciso, proprio con iPhone 7, di evolvere il suo ecosistema mobile.
Il SoC A10 Fusion è basato sul processo produttivo FinFET a 16 nm, messo a disposizione dalla fonderia TSMC. A differenza del suo concorrente Samsung, che ha utilizzato i 14 nm FinFET, la compagnia statunitense ha deciso di andare su un nodo produttivo più maturo e più comprovato, piuttosto che abbassare la lunghezza dei transistor di 2 nm. L'A10 Fusion non è però solo incremento del core count, ma rappresenta anche l'attenzione che Apple ha riposto nel ridefinire architetturalmente l'intera board. Il system-on-a-chip dell'iPhone 7 ha un die da 125 mm², in contrasto alle dimensioni dell'A9, che si fermano a 96 mm². Considerando però il fatto che adesso il SoC della società di Cupertino possiede quattro core, se confrontiamo l'A10 Fusion alla generazione precedente possiamo confermare che gli ingegneri di Apple abbiano compiuto un lavoro molto buono nell'estrapolare spazio da riempire con componenti utili alle performance. Abbiamo comunque due core più piccoli che sono stati integrati in una zona molto prossima a quella delle altrettante unità più grosse. Le frequenze operative arrivano a un massimo di 2,33 GHz, ben più degli 1,85 GHz dell'A9. I transistor sono invece a 3,3 miliardi, il 50% in più rispetto a quelli posseduti dall'A8, che vanno a comporre anche il rivisto Image Signal Processor (ISP). Gli ingegneri di Cupertino hanno anche aumentato la cache L3, portandola da 4 ad 8 MB, questione che ha avuto sicuramente un impatto sulla grandezza del die.
L'aumento delle frequenze operative è stato realizzato grazie anche all'utilizzo di transistor con static leakage (piccolo assorbimento di corrente in condizioni di non operatività) più elevato, che istintivamente potrebbe rappresentare un malus. In realtà, lo static leakage è una condizione obbligata nella scelta di semiconduttori più veloci, che però può essere ridotto con un'adeguata pianificazione del circuito elettronico. Possiamo quindi dire che un aumento dello static leakage è stato il compromesso a cui Apple è dovuta andare incontro per aumentare le frequenze operative. In realtà, la società americana ha tenuto a bada il leakage e le sue implicazioni termiche non solo con tecniche circuitali ad hoc, ma il tutto è stato anche controllato riducendo lo spessore dell'intero package e con l'utilizzo di core a frequenza più bassa rispetto a quelli più veloci, che vengono accesi solo quando necessario.

Apple si affida design big.LITTLE

Come abbiamo detto poco fa, Apple ha introdotto due core ad alte prestazioni e due invece meno prestanti, utilizzando una configurazione simile alla big.LITTLE vista su Android, che non prevede l'utilizzo di tutti i core contemporaneamente. In pratica, i core più potenti vengono utilizzati solo quando serve, in caso contrario entrano in gioco quelli a basso assorbimento energetico.
Con l'introduzione delle unità di calcolo più piccole, la società di Cupertino è andata tra l'altro su tecnologie quali dynamic voltage e frequency scaling, metodologie che consentono al system-on-a-chip di disabilitare i core e addirittura alcune loro sotto parti, quando necessario. Apple ha preso l'architettura ARM e progettato da sé alcune sezioni, tra i quali il controller della cache, che nel caso dell'A10 Fusion non deve effettuare check periodicamente sul contenuto degli altri livelli per aggiornare le proprie tabelle. Questo meccanismo si chiama in realtà cache coherency e non fa altro che aumentare la coesione fra tutte le cache per aumentare la loro efficienza, tenendo traccia di tutte le informazioni contenute in ogni livello senza continui controlli.

Più sottigliezza e potenza grafica

In termini di puro design, l'A10 somiglia molto all'A8, più di quanto faccia il suo diretto predecessore. Il chip utilizza un package molto sottile, che chiaramente non è dovuto al gate scaling - cioè, all'opera di miniaturizzazione - ma piuttosto ad una ottima opera di ingegnerizzazione del SoC.
I punti di contatto fra il die e la CPU sono stati decrementati notevolmente: questo riduce le perdite di corrente all'interno dello stesso chip. Tale scelta progettuale porta a due benefici, di cui il primo l'abbiamo già visto ed è relativo al ridotto spessore del system-on-a-chip completo, mentre il secondo riguarda un mero aumento delle performance finali.
Un'altra delle decisioni degli ingegneri di Apple, e che ha condotto ad una maggiore sottigliezza, è stata quella di eliminare completamente il substrato fra la logica del chip e il package I/O. Tra l'altro, questo si è tradotto per la società in una riduzione dei costi di produzione, se comparati a quelli richiesti da un chip composto da substrati organici. I benefici della riduzione dello spessore del package in genere si traducono anche in temperature di esercizio più basse, e di conseguenza meno thermal throttling.
Per la sezione GPU, invece, l'Apple A10 Fusion beneficia di sei core, con un progetto curato da Imagination Technologies, azienda da sempre partner di Apple. La cache grafica, sia L1 che L2, non sembrerebbe essere stata toccata, né nell'iPhone 7 né nell'iPhone 7 Plus, nonostante la casa madre abbia fatto sapere che gli incrementi prestazionali sono significativi. Probabile quindi che i progettisti della parte GPU abbiano settato dei clock molto aggressivi per le unità di calcolo, seppur la società abbia dichiarato che la grafica dell'A10 Fusion consumi solo 2/3 della potenza richiesta dalla sezione video dell'Apple A9.

Apple L’hardware è un’area in cui la società americana ha fatto grossi progressi sin dall’annuncio dell’A8X. L’A10 Fusion è l’emblema della continuazione della roadmap di Apple, portando le prestazioni di processore e GPU a un livello molto più elevato che in passato, che ha permesso ad iPhone 7 di primeggiare nei benchmark. Il lavoro svolto da Apple ha è stato quindi ottimo con l’A10 Fusion, mettendosi nuovamente in luce e proponendo al pubblico un system-on-a-chip, anche architetturalmente, solido ed efficiente.