CPU-Architektur: Darum ist Apples A7 so schnell

Anandtech hat anhand von Apples Kommentaren in einem Compiler und eigenen Programmen Apples A7-SoC im iPhone 5S und im iPad Air analysiert. Das Ergebnis: Apples ARM-Kerne orientieren sich viel stärker an großen PC-Prozessoren, als man bisher annehmen konnte.

Artikel veröffentlicht am 1. April 2014, 12:20 Uhr, Nico Ernst

Der A7 auf dem Mainboard des iPhone 5S (Bild: Ifixit.com)

Mit dem ARM-SoC A7, das erstmals im iPhone 5S zum Einsatz kam, hat Apple die Rechenleistung seiner selbst entwickelten Chips in etwa verdoppelt - ein Kunststück, das heute von einer Architektur zur nächsten nicht mehr selbstverständlich ist. Anders als andere Prozessorentwickler wie AMD, IBM und Intel dokumentiert Apple seine Designs aber nicht öffentlich, mit der Zeit kommen einige Details aber doch ans Licht. Das ist unter anderem durch Kommentare im Quelltext des LLVM-Compilers der Fall, den Apple einsetzt. Damit Programmierer die Vorzüge einer neuen Architektur kennen, müssen sie ihren Code entsprechend auslegen, sonst bleiben die Techniken, die mehr Tempo möglich machen, ungenutzt.

So kommt auch Anand Lal Shimpi zu dem Schluss: "Bisher gibt es fast keine Anwendung unter iOS, welche die Rechenleistung des Prozessors ausnutzt." Dazu hat Shimpi sowohl die Kommentare im Compiler untersucht als auch auf Tipps von anderen Programmierern gehört und seine Theorien mit einigen Beispielprogrammen untersucht.

Die Architektur des A7 trägt den Codenamen "Cyclone", der Vorgänger heißt "Swift". Dabei fand auch ein Wechsel des ARM-Designs v7 auf v8 statt, ARM-v8 ist die erste 64-Bit-Architektur für die kleinen Kerne - obwohl klein hier nicht mehr ganz passt: Der A7 besteht aus über einer Milliarde Transistoren und ist 102 Quadratmillimeter groß.

Diese große Die-Fläche hat Apple zunächst für das Offensichtliche genutzt, denn die L1-Caches für Daten und Befehle wurden von je 32 auf 64 KByte verdoppelt. Der L2-Cache blieb mit 1 MByte unverändert, zusätzlich gibt es aber noch einen L3-Cache von 4 MByte. Damit spart Apple viele Zugriffe auf den Hauptspeicher ein, da dieser bei den ARM-Designs wie auch bei PCs in der vergangenen Zeit kaum schneller wird.

Vor allem aber hat Apple die Parallelität in den CPU-Kernen stark erhöht. Wie auch moderne PC-CPUs sind die ARM-Cores superskalar, sie können mehr als einen Befehl in einem Takt abarbeiten. Außerdem arbeiten sie mit Micro-Ops, welche im Out-of-Order-Verfahren umsortiert werden können. Die Grundlagen solcher Architekturen hat Golem.de am Beispiel von Intels erster Core-Architektur ausführlich erklärt.

Gegenüber dem A6 kann der A7 ganze sechs statt drei Befehle gleichzeitig verarbeiten. Der Puffer, in dem die Micro-Ops in eine optimale Reihenfolge gebracht werden können, fasst nun 192 statt 45 Einträge. Zum Vergleich: Selbst bei Intels aktueller Architektur Haswell ist dieser Reorder-Buffer nicht größer.