蘋果在2008 年4 月23 日，冒著極大風險硬著頭皮發表初代iPhone 的隔年，耗費2 億7,800 萬美元，購并了專注開發高效能Power 處理器的PA Semi，組成其處理器研發團隊的骨干，然后在2012 年9 月發表的iPhone 5，其心臟「A6」處理器，終于不再使用來自ARM 授權的核心，采用自家的「Swift」微架構（Micro Architecture）。

再以世界上首款搶灘登陸智慧型手機與平板的64 位元ARM 處理器「A7」（Cyclone 微架構）為起點，蘋果自家SoC 開始逐漸展現壓倒ARM Cortex 家族（與躺著中槍的Qualcomm 自有核心）效能優勢，且隨著時間演進，差距越拉越開。

接著，每代iPhone 發表后，各大科技媒體網站的報導，與底下的讀者回應，只會有兩種制式的單細胞生物反應：

文章高高掛著「眾人都驚呆了，連開發效能測試軟件的人都不知道發生了什么事」如內容農場般的標題，再來繼續機械化的炒作「蘋果會不會用自家芯片取代Intel處理器」的多年冷飯。

底下的讀者留言雞同鴨吵成一團，上演「Android 自由主義」和「蘋果神權政治」信徒大對決，沒有人講到任何值得注意的重點，連一絲一毫的學理成分都沒有，宗教信仰就是如此奇妙。

筆者不啰唆，直接在這里講結論：

藉由牢牢把持軟硬件平臺的「封閉性」先天優勢，蘋果掌握了ARM 指令集邁向64 位元帶來的機會，打造出一系列同時間能夠有效處理更多指令的先進微架構。

看起來好像微言大義到接近廢話的程度？如果你真的這樣想，那你就更有繼續讀下去的必要。

撥亂反正：做為電腦語言的「指令集架構」vs. 執行語言載具的「處理器核心微架構」

近年來拜ARM 為首的授權IP 商業模式之所賜，越來越多人搞不懂這兩者的差別，完全混在一起，這些年來筆者已經聽過太多讓人完全笑不出來的笑話，所以在此特別重述一次。

支配智慧型手機市場的ARM 又是怎么一回事呢？以32 位元ARMv7-A 指令集為例，在手機上常見的微架構（核心），總計有：

ARM 本家賣IP 授權給別人的Cortex-A5 / A7 / A9 / A12 / A15 / A17 這幾種核心微架構。

Qualcomm 自行打造的Scorpio / Krait。

蘋果并購PA Semi 后關起門來搞出的A6「Swift」，iPhone 5 的心臟。

換成64 位元ARMv8-A，就變成以下場景：

ARM 本家賣IP 授權給別人的Cortex-A35 / A53 / A57 / A72 / A73 這幾種核心微架構。

增加半精度浮點支援和系統可靠度機能的ARMv8.2-A 指令集：Cortex-A55 / A75。

Qualcomm 自行打造的Kyro。

nVidia 的Project Denver。

蘋果繼續關起門來搞出的A7「Cyclone」，與之后的眾多芯片，如A8「Typhoon」、A9「Twister」、A10「Fusion」（Hurricane + Zephyr）、A11「Bionic」（Monsoon + Mistra） 。

為了伺服器而量身訂做的特殊微架構，如Qualcomm Centriq 2400 的「Falkor」，和Cavium Thunder X 系列的核心。

只要作業系統相同（如同版本Android 或iOS），這些核心微架構應當正確執行使用ARM 指令集撰寫或編譯出來的軟件，講的更專業或更假掰一點，它們擁有相同的應用程式二進位執行檔介面（ABI，Application Binary Interface），如同Intel 與AMD 的x86 處理器都應可正確安裝Windows 作業系統，理所當然執行Office 等應用軟件和Battlefield 等套裝游戲。

至于Qualcomm、蘋果和nVidia，是否根本自身特殊需求，自行定義「非官方」ARM 指令，那就后頭有空再討論了。

高效能之路：讓核心微架構同時間內能夠有效處理更多的指令

在執行相同指令集「語言」的前提之上，相容處理器的效能要能夠勝出，只有微架構設計能否比競爭對手有效處理更多的指令。方向不外乎：

更高的時脈：雖然往往計算機概論會教你「指令管線階段越多，代表處理器同時執行更多的指令，只是這些指令位處于不同的階段」，但實際上最多還是一個時脈周期「吐出」一個被執行完畢的指令，所以現實層面的「加深指令管線」，實際上跟「提高運行時脈」講的是同一件事。很不幸的，智慧型手機因嚴格的功耗限制，透過積極追求高時脈以提高效能，是比較不切實際的方向。

更寬的管線：一個便當吃不夠，你可以吃第二個，嫌執行一個指令不夠看，你也可以同時執行第二個，這就是源自1966年CDC6600的「超純量」（Superscalar）架構。另外也有純軟件方式、讓編譯器去一個蘿卜一個坑塞指令到不同執行單元的「超長指令集」（VLIW），這就不在本文的討論范圍內了。

足以喂飽嗷嗷待哺執行單元的高效能記憶體子系統：包含系統主記憶體、快取記憶體、連結多個處理器核心的匯流排、舉足輕重的快取記憶體資料一致性協定（Cache Coherence Protocol） ，甚至可以非循序的存取記憶體位址（Memory Disambiguation），都是不可或缺的「基礎建設」。

天底下沒有白吃的午餐：兩種該死的「相依性」

但「指令管線化」與「指令執行平行化」也帶來了新的挑戰。

控制相依性：電腦有別于計算器的最重要特征在于「條件判斷」的能力，根據不同的條件執行不同的指令流，處理器如碰到分支（Branch）或跳躍（Jump），就須改變指令執行的流程，清除已經進入管線的指令，從另一個記憶體位址擷取指令，重新執行并存取相關的資料（或稱為「運算元」，意指運算的目標，如特定資料暫存器或記憶體位址），而具備條件判斷的分支，造成的傷害更大，因為需要管線停下來等待其結果、或著事先預測并「先斬后奏」。

解決方案：分支預測（Branch Prediction），與后面會提到、釜底抽薪減少分支指令的「條件執行」（Conditional Execution）。

資料相依性：當同時執行多個指令，最忌諱遭遇「撞衫」同時存取相同的資料暫存器與記憶體位址，特別是當指令集定義可操作的資料暫存器越少，軟件手段可以盡量排除的空間越少，發生的機率也越高。

解決方案：以暫存器重新更名機制（Register Rename）為中心的非循序指令執行（Out-Of-Order Execution）。

然后根據分支預測結果而先斬后奏「預測性執行指令」（Speculative Execution），是分支預測與非循序指令執行的結合體。總之，我們盡其所能的讓管線「順暢」的像生產線不停的運轉，實現最高的指令執行效率。

理所當然的，指令管線越深，一旦「筊杯」失敗，要復原管線并恢復指令執行的代價，也越像火燒摩天樓一樣恐怖，這也是高時脈深管線近年來不太受歡迎的另類主因，因為現實世界的應用程式，其實有很多難以預測的分支行為，越高的「代價」，更意味著更差勁的「效能／功耗」比。

LLVM 開發環境參數透露的神秘訊息

講了那么多原理，蘋果從來不公開自主微架構的技術細節，那該如何掌握他們追求高效能的設計方向？

2014 年初，當多數世人正「驚呆」A7 的64 位元與驚人的性能表現時，有人注意到蘋果提交的LLVM 原始代碼，不僅透露了微架構代號是「Cyclone」，更包含眾多重要的規格參數：

指令發出寬度（Issue Width）：6

非循序指令執行緩沖區（Reorder Buffer）：192

記憶體載入延遲（Load Latency）：4

分支預測錯誤代價（Misprediction Penalty）：16（一般介于14~19）

在當時，這是非常驚人的規格，就算擺在今天也是同樣駭人，可同時處理的指令是同時期ARM 核心足足兩倍（即使64 位元的Cortex-A57 也只能3 個指令），非循序指令執行引擎的「深度」則是Intel Haswell 等級，指令管線深度則中規中矩的維持在16 階這一般水準。

相信有些讀者早已從其他網站看過相關的報導，但有個「江湖傳言」倒是值得注意：部分開發iOS 應用程式的程式設計者，做了一些指令輸出率的實驗，察覺到「A7 一旦執行32 位元程式碼，指令輸出率就腰斬了」，這個「特性」一路延續到A10，直到A11 根本沒有32 位元應用程式可執行為止。

后來蘋果當然就沒有繼續「規格大放送」，Wiki上蘋果處理器的規格表，一路從A7到A11，都是維持這些數字，有沒有經過實測考驗也不得而知，反正就大家一起無限回圈繼續驚呆，蘋果持之以恒的甩開和其他競爭者的差距。

唯一可以確定的是，筆者在自己的iPad Pro 9.7 吋A10X 上，透過配對簡單指令，測出每個時脈周期可同時輸出「4 個整數，2 個浮點，2 個記憶體載入」的可怕性能。此外，A10X 與A11 放棄第三階4MB 快取記憶體，而以大型化第二階8MB 取而代之，也暗示了蘋果極可能在快取記憶體技術有了重大的突破，可兼顧高容量與低延遲。

A11？筆者沒有iPhone 8 和iPhone X 可用，有機會再測測看。

讓我們重新畫出命案現場的人形粉筆圈，歸納出蘋果的產品設計取向：

微架構以64 位元效能為優先設計考量。

既然行動處理器受制于低功耗需求，難以透過提高時脈追求效能，索性以「更寬」的指令管線取勝。

同時執行更多指令，代表要耗費更多心思去解決暫存器相依的問題。

更強力的非循序指令執行引擎。

寄望指令集本身就定義更多的資料暫存器，降低「強碰」機率。

ARM 指令集走向64 位元帶來的重大改革

讓ARM 指令集邁向64 位元的ARMv8-A，并非只有「將整數邏輯暫存器寬度延長到64 位元」和「提供64 位元記憶體定址空間」這么簡單，拋棄昔日專注于嵌入式應用的遺產，更加的簡潔優雅，更利于打造高效能微架構，引領ARM 榮登高效能的天堂，是這次指令集改版最神圣不可侵犯的絕對使命。

ARMv8-A 修訂項目極多，但就筆者的角度，除了取消「加速重建儲存CPU 狀態的Context Switch 相關機制」（一堆就今日觀點實在很小家子氣的技術），和簡化例外處理與執行特權階層外，最重大的改革，只有兩項：

倍增通用暫存器（GPR）數量，這件事在當年AMD 讓x86 邁向64 位元時也發生過，意義重大。

取消涵蓋整套指令集的「條件執行」（Conditional Execution），這和前者互為表里，因為總算擠出了珍貴的指令編碼空間去增加暫存器數量。

其中又稱為「引述式執行」（Predicated Execution，或Guarded Exectuion）的后者，目的在于減少程式中的分支，指令集提供簡單扼要的條件執行指令，一次做完所有事情。

直接舉例比較快。原本一個簡單的If-Then-Else 循序條件判斷，會需要等待確認條件結果，或著強行進行分支預測，管線才會繼續動作：

if condition

then do this

else

do that

就變成這樣：

(condition) do this

(not condition) do that

有沒有感覺簡潔多了？講的玄一點，條件執行的中心精神在于「將控制相依性轉化為資料相依性」。

然后有鑒于過去的應用程式，在這種If-Then-Else 的條件判斷中，有60% 都是資料搬移指令，這也是為何指令集「事后」擴充條件執行功能，如DEC Alpha、MIPS、甚至x86，都以「條件搬移」（Conditional Move）為主。

以Alpha 為例，其指令格式統一為cmovxx（xx 代表條件），一個簡單的條件搬移：

beq ra, label // if (ra) = 0, branch to 'label'

or rb, rb, rc // else move (rb) into rc

可以透過新指令，簡化如下：

cmovne ra, rb, rc

在ARMv8 之前，整套ARM 指令集每道指令，都包含了4 位元的條件碼，必須符合「某個條件」才會執行指令。如條件成立，執行此指令并寫回運算結果。反之，指令執行結果無效，或不予執行。

回到原點，條件執行的優點很明顯：

加速實際條件判斷的效率，因為實際上只要比較0 與1（Bitwise）。

減少簡單條件判斷的分支，可以提升指令平行化執行的潛力。這也是為何很多VLIW 指令集普遍支援條件執行。甚至定義存放引述碼（Predicate）的專用暫存器，以因應更復雜多樣的條件判斷，如攤平回圈的軟件管線（Software Pipeline）。

但為何ARM 要取消看似完美的條件執行？

占用4 位元指令編碼，實在是太浪費了，所以用「條件選擇」（Conditional Select）取而代之。

舉個范例：「CSEL W1, W2, W3, Cond」，如條件符合，W2 暫存器資料搬移到W1，如非，就W3 到W1。缺點是會稍微增加程式碼體積，但絕對劃算。

提高打造高效能非循序指令執行引擎的復雜度，在管線前端就要「預鎖」后面所需要的相關資源，也增加后方需要「更名」的暫存器，更不利提升時脈。

A11「極可能」是純64 位元的微架構

可確保處理器正確執行所有軟件的指令集回溯相容性，是商業上的「資產」，但也是設計處理器微架構的「包袱」。

我們有非常充分的理由相信，蘋果急著驅離「32 位元低階應用程式」，就是為了其處理器全力針對64 位元最佳化造橋鋪路，而A11 如此驚世駭俗的效能表現，除了它根本是純64 位元處理器，所有電晶體預算都砸在提升效能的刀口上，沒有其他合理的解釋了（新的異質多處理器排程也有影響，但沒那么絕對）。「就算」A11 具備32 位元相容性，其性能表現恐怕也僅聊勝于無，不足掛齒。

無獨有偶，Qualcomm 企圖搶攻伺服器市場的Centriq 2400，也是純64 位元的設計，這就是ARM 制定64 位元指令集擴充時，最希望看到的結果：雨后春筍般的高效能產品。

同場加映：Mac 改用自家芯片的可能性

關于這個「年經」（每年發表一支新iPhone）議題，筆者不會賭上爺爺的名譽做不負責任的推論，但只留下兩個留待讀者思考的問題：

蘋果能否承擔轉移的成本，尤其當Mac 用戶已非弱勢族群的當下。

蘋果是否仍希望「吸收」Windows PC 的使用者。

Mac 是否改用蘋果自家芯片這檔事，并不只是「效能夠好」就可以一筆輕松帶過的大哉問，請各位多多考量商業層面的因素。

蘋果同時掌握軟硬件的「不公平競爭」

最后，再重新貼出本文標題的答案：

「藉由牢牢把持軟硬件平臺的『封閉性』先天優勢，蘋果掌握了ARM 指令集邁向64 位元帶來的機會，打造出一系列同時間能夠有效處理更多指令的先進微架構。」

這「一體成形」的絕對優勢，在可見未來的深度學習之路上，會更加的牢不可破，這就是蘋果在iPhone 前景未明之際，就膽敢購并PA Semi 投資未來，所得到的豐碩成果，就算你不喜歡「果粉」，你也不能不佩服喬布斯的遠見。

至于PA Semi 究竟干過哪些值得蘋果冒險的好事，等以后有機會，再好好談談，如果真的還有機會。