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Apple A11 Bionic

Der Apple A11 Bionic ist ein 64-Bit High-End Hexa-Core-SoC, das am 12. September 2017 mit dem iPhone 8, iPhone 8 Plus und iPhone X vorgestellt wurde. Das SoC integriert eine ARM-basierte CPU mit 2 Hochleistungskernen und 4 Energieeffizienzkernen und Apples erste selbstentwickelte 3-Core GPU. Auf dem Chip ist zudem Apples „Neural Engine“ zu finden, die dem Chip auch den Namenszusatz „Bionic“ verleiht. Die Neural Engine ist ähnlich wie HiSilicons/Huaweis NPU für neurale Netzwerke und Machine Learning optimiert und erlaubt fortschrittliche Foto- und Videoeffekte sowie Objekterkennung. Das SoC wird mit dem 10 nm FinFET-Prozessknoten von TSMC gefertigt und kommt mit 2 GB oder 3 GB LPDDR4X-Speicher.

Architektur
Der Apple A11 Bionic benutzt ein Apple-eigenes CPU-Design, das auf der ARMv8-A-Architektur basiert. Die CPU integriert 2 Monsoon-Hochleistungskerne, die die Nachfolger der Hurricane-Kerne des Apple A10 sind, sowie 4 Mistral-Energieeffizienzkerne, die die Zeyphr-Kerne des A10 ersetzen. Jeder der Kerne hat einen 64 KB großen L1 Cache bestehend aus 32 KB Instruction Cache und 32 KB Data Cache. Alle Kerne teilen sich zudem einen 8 MB großen L2 Cache. Die CPU verfügt über einen Leistungs-Controller der 2. Generation, der die Verwendung aller 6 Kerne gleichzeitigt erlaubt, anders als im Vorgänger Apple A10, in dem nur 2 Kerne gleichzeitig benutzt werden konnten. Dadurch konnte die Leistung in Multithreaded-Workloads um bis zu 70% gesteigert werden. Mit dem Controller ist zudem asymmetrisches Multiprocessing möglich, d.h. dass je nachdem, was ausgeführt werden muss, eine beliebige Anzahl an Kernen benutzt werden kann. Der Apple A11 Bionic verfügt über einen neuen Bildsignalprozessor (ISP), der Computational Photography unterstützt und u.a. fortschrittliche Bildverarbeitung, ein breites Farbspektrum und Lighting Estimation für dreidimensionale Bildszenen ermöglicht. Der ISP benutzt dafür eine dedizierte Neurale-Netzwerke-Engine, die von Apple als „Neural Engine“ bezeichnet wird und mit ihren 2 Rechenkernen bis zu 600 Milliarden Operationen pro Sekunde ausführen kann. Die Neural Engine wird für rechenintensive Aufgaben wie das Ausführen der Gesichtserkennung per Face ID und von Animojis sowie für Machine Learning benutzt. In den Daten, die von dem Kamerasensor erfasst werden, werden tausende von Referenzpunkten berechnet, analysiert und verglichen. Damit können neben fortschrittlichen Lichteffekten auch Live-Effekte in Videos berechnet werden sowie Objekte erkannt werden. Ebenfalls auf dem SoC zu finden sind Apples eigenentwickelter Video-Encoder, der 4K Videos mit 60 FPS in HEVC codieren kann und ein M11 Bewegungs-Koprozessor. Das SoC wird direkt zusammen mit 2 GB LPDDR4X-Speicher für das iPhone 8 und mit 3 GB LPDDR4X-Speicher für das iPhone 8 Plus und das iPhone X gefertigt und integriert 4,3 Milliarden Transistoren auf einer Fläche von 87,66 mm2. Durch die Verwendung des 10 nm Prozessknotens ist der Apple A11 Bionic zudem 41% kleiner als der Apple A10.

Auf dem Chip ist Apples erste komplett selbstentworfene 3-Kern-GPU zu finden, die der Hersteller als GPU der Family 4 bezeichnet. Die GPU benutzt Tile-Based-Deferred-Rendering (TBDR), wodurch nur Objekte gerendert werden, die für den Benutzer in den 3D-Szenen auch sichtbar sind (im Unterschied zum sofortigen Rendering). Szenen werden in Stücke („Tiles“) zerlegt, um zu analysieren, was davon gerendert werden muss. Der Vorgang von Fragmentierung und anschließendem Rendering erlaubt eine sehr gleichmäßige Auslastung der GPU-Ressourcen. Die GPU unterstützt GPGPU mit Apples Metal 2 API.

Leistung
Laut Apple sind die Monsoon-Kerne 25% leistungsfähiger als die Hurricane-Kerne des A10 und die Mistral-Kerne 70% leistungsfähiger als die Zepyhr-Kerne. Anders ausgedrückt: will man mit dem Apple A11 Bionic die gleiche Leistung wie mit dem A10 erreichen, verbraucht der Chip lediglich halb so viel Strom wie sein Vorgänger. Im Geekbench-Test erreicht der Apple A11 Bionic im Vergleich zum A10 einen 25% höheren Single-Core-Wert und einen 80% höheren Multi-Core-Wert. Kein anderes SoC aus dem Jahr 2017 kommt auch nur annährend an diese hohen Werte heran. Auch die integrierte 3-GPU ist laut Apple 30% schneller als PowerVR-basierte GPU im A10. Das SoC bietet somit hervorragende Leistung für 3D-Gaming und Augmented Reality.
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Technische Daten
Erscheinungsdatum3. Quartal 2017
Anzahl der Kerne6
L2-Cache8 MB
Fertigungstechnologie10 nm
SpeicherunterstützungLPDDR4X

16 Smartphones mit Apple A11 Bionic

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