Apple A 시리즈

개요

애플에서 자사의 아이폰, 아이패드, 아이팟과 애플 워치 등의 모바일 기기에서 사용하기 위한 목적으로 설계한 SoC 및 SiP이다.

ARM사의 CPU 아키텍처로 설계하거나 아예 명령어셋을 받아서 자체 커스텀 프로세서를 내장하고 있고, GPU는 이매지네이션 테크놀로지의 PowerVR 시리즈를 선호한다. 타 AP 설계사와는 다르게 설계 사상 자체가 보통 높은 GPU 성능과 적은 수의 CPU 구성을 선호한다.

Apple A4부터 A9X까지의 다이 사이즈 증감, 대략적인 내부 구조도, 메모리 대역폭은 각 링크의 이미지에서 볼 수 있다. 이미지의 해상도가 크므로 모바일 데이터로 열람할 시에는 주의가 필요하다.

하이실리콘 Kirin처럼 자사 제품 전용으로 매우 폐쇄적으로 공급되고 타 사에 공급되지 않는 AP이다. 애플은 이 AP를 개발하고 사용하면서 2015년 기준 반도체 업체중 매출 기준 14위를 차지하였다.

안드로이드 계열의 스마트폰에 탑재되는 애플리케이션 프로세서와 지향점이 많이 달라서 아래 항목에서 볼 수 있듯이 많은 논란거리를 만들고 있는 AP 이다.

애플 A 시리즈 내의 자체적으로 설계하는 CPU를 보면 PC의 CPU와 구조면에서 많은 유사점을 가지고 있다. 물론 성능까지 데스크탑급이라고 보기에는 아직 무리가 있다는게 중론.

Apple A로 검색해도 이 문서에 들어올 수 있다. 예를 들면 Apple A8이라는 내용에 Apple A8 이런식으로 하이퍼링크를 달 수 있다. Apple S로 검색하면 밑의 해당 항목으로 리다이렉트 된다. Apple S1이라는 내용에 Apple S1 이런식으로 하이퍼링크를 달 수 있다.

상세 스펙

스마트폰, 태블릿, TV용 A 시리즈

• 아이폰 3GS 보다 이전 세대의 아이폰에 탑재된 AP는 삼성 S3C, S5L, S5P 라인업 항목으로.

• S5PC100 (허밍버드)

아이폰 3GS에 탑재되었고 그 당시 가장 높은 성능을 가진 모바일 AP중 하나였다. 아주 가끔씩 Apple A3 이라고 불리는 경우가 있다. 자세한 기술 제원은 엑시노스 항목으로.

• Apple A4

CPU	GPU
ARM Cortex-A8 싱글코어 800 ~ 1000MHz	IT PowerVR SGX 535 ***MHz
생산 공정	램 대역폭
삼성 45nm	LPDDR1 듀얼채널
통신 칩 없음
아이폰 4(0.8 Ghz), 아이패드/1세대(1 Ghz)

삼성전자의 LSI 사업부와 애플이 후에 인수한 인트리시티에서 설계한 AP이다. 같은 회사에서 설계된 사촌 AP인 허밍버드(S5PC100, 엑시노스 3110)과 매우 유사한 스펙을 가지고 있다.

CPU는 애플의 전작 제품에 끼워진 S5PC100과 같이 ARM Cortex-A8 싱글코어를 탑재하였지만, 공정 미세화로 클럭을 더욱 상승시킬수 있었다. 전작의 600MHz에서 800MHz ~ 1 Ghz까지 성능을 끌어 올렸고, 그 당시 고성능 AP의 한 축에 들었다.

GPU는 삼성전자의 엑시노스 3110의 PowerVR SGX 540 보다 낮은 성능을 가진 SGX 535를 탑재했지만, 이 정도 성능으로도 아이패드/1세대의 XGA 해상도를 구동시키기에는 충분한 성능이었다.

설계 주체에 관한 논란은 아래 항목에서 볼 수 있다.

• Apple A5

CPU	GPU
ARM Cortex-A9 싱글코어 or 듀얼코어 800 ~ 1100MHz	IT PowerVR SGX 543 듀얼코어 ***MHz
생산 공정	램 대역폭
삼성 45nm → 삼성 32nm HKMG LP	듀얼채널 LPDDR2 800MHz
통신 칩 없음
아이폰 4s, 아이팟 터치/5세대(800MHz) 아이패드/2세대, 아이패드 미니/1세대(1 Ghz) 애플 TV/3세대(1.1 Ghz)

Apple A4의 설계는 밑 항목에 적힌것 처럼 삼성전자의 기여분이 매우 크다는 것이 정설이지만 Apple A5의 설계사가 어느 쪽인지, 양사 간의 기여분이 어느 정도였는지는 아직도 알려진 바가 없다. 아마 일반 소비자 입장에서는 영원히 알 수 없는 정보일듯 하다.

Apple A4의 후속으로 삼성의 45nm 팹에서 생산되었다가 후기 생산품에는 삼성의 32nm HKMG LP 공정으로 변경되었다. 이 공정은 HKMG 기술이 적용되어 퀄컴의 28nm SiON LP 공정보다도 훨씬 전력 효율이 좋았다.

CPU는 Cortex-A9를 듀얼코어 구성으로 탑재되었다. 애플 TV 3세대에 탑재될때는 코어 하나를 비활성화 시키는 것으로 알려져 있다.

탑재된 Cortex-A9가 비교적 낮은 클럭으로 작동하고 IPC 자체도 낮은 편이라서 Apple A5(1 Ghz)의 최상위 벤치 결과와 경쟁 AP인 엑시노스 4210, TI OMAP 4460와의 벤치마크로 측정된 연산 성능이 꽤나 차이가 난다. 심지어는 Cortex-A9와 Cortex-A8 사이의 IPC가 큰 차이가 있음에도 불구하고 800MHz로 작동하는 Apple A5이 동일한 클럭으로 작동하는 Apple A4의 CPU 싱글코어 성능과 동일한 수준으로 측정되고 있다.

그러나 순수한 연산성능이 아닌 실제 벤치마크에서는 저런 단점이 드러나지 않고, 오히려 각종 벤치마크에서 모바일 AP 사이에서 높은 자리를 차지하고 있다.

GPU로는 당대 AP에 탑재된 GPU중 가장 강력한 PowerVR의 SGX 543을 듀얼코어 구성으로 탑재해서 다른 모바일 AP를 우주관광 보냈다. 동 시대의 AP중 엑시노스 4210만이 지속적인 최적화로 동급의 자리까지 올라왔지만 그 사이의 기간 동안 A5가 차지한 성능 우위나 실제 체감으로 느껴지는 성능 면에서는 A5가 판정승. 자세한 기술적 제원은 PowerVR 문서에 볼 수 있다.

• Apple A5X

CPU	GPU
ARM Cortex-A9 듀얼코어 1000MHz	IT PowerVR SGX 543 쿼드코어 ***MHz
생산 공정	램 대역폭
삼성 45nm	2 x 듀얼채널 LPDDR2 800MHz
통신 칩 없음
아이패드/3세대

Apple A 제품군중 최초로 태블릿 전용의 모바일 AP이다. 태블릿용 AP는 네이밍 뒤에 "X"자가 붙고, 기존 A 시리즈의 AP보다 GPU 성능이 크게 강화되어 있고 그만큼 소비전력, 열 배출량, 다이 사이즈, 메모리 대역폭 등등이 늘어난다.

일단 Apple A5X의 CPU 성능과 구성은 기존의 Apple A5와 동일하다. 기존의 Apple A5보다 강화된 부분인 GPU 성능은 Apple A5에 비해 GPU 성능을 2배 상승 시켰고, 램 대역폭 또한 A5의 2배인 12.8 GB/s 까지 끌어 올려서 2K 해상도를 감당할 수 있게 되었다. 이러한 성능 향상으로 이 시기에 2K 해상도 화면 출력을 담당할 수 있는 모바일 AP는 엑시노스 5250과 Apple A5X 이외에는 존재하지 않았다.

물론 공정 미세화가 동반되지 않은 성능향상이 이루어 졌기 때문에 다이사이즈도 현용 PC의 CPU 수준인 163mm²까지 상승했다. 램도 PoP 구성으로 탑재되는게 불가능해서 AP에서 따로 분리되었다.

A5X에 탑재된 PowerVR SGX 543 쿼드코어의 성능은 당연히 타 모바일 AP를 압살하는 수준이었다. A5의 SGX 543 듀얼코어로도 상대하기 벅찼는데 GPU 코어 수가 2배로 상승한 A5X의 GPU 성능은 다음 세대의 AP와 비견될 수준. 자세한 기술적 제원은 PowerVR 문서에서 볼 수 있다.

• Apple A6

CPU	GPU
(CPU 종류, 코어 수) ****MHz	(GPU 종류) ***MHz
생산 공정	램 대역폭
(파운드리 회사) ** nm (공정명)	(램 대역폭)
통신 칩 없음
(이 AP를 사용하는 기기)

(AP 상세 설명)

Apple A6 출시 이래로 일어진 유구한 논란인 싱글코어 vs 멀티코어 성능 우위론은 밑의 기타 항목에서 볼 수 있다.

• Apple A6X

CPU	GPU
(CPU 종류, 코어 수) ****MHz	(GPU 종류) ***MHz
생산 공정	램 대역폭
(파운드리 회사) ** nm (공정명)	(램 대역폭)
통신 칩 없음
(이 AP를 사용하는 기기)

(AP 상세 설명)

• Apple A7

CPU	GPU
Cyclone 듀얼코어 1300 ~ 1400MHz	IT PowerVR G6430 450MHz
생산 공정	램 대역폭
삼성 28nm HKMG	싱글채널 LPDDR3
통신 칩 없음
아이폰 5s, 아이패드 에어

모바일 AP중 최초로 64비트 명령어셋을 지원하는 CPU 아키텍처인 Cyclone을 탑재했다. 그동안 애플의 AP들의 CPU 성능이 상대적으로 저평가 되었으나, 이번 Apple A7에 자사의 새로운 자체 아키텍처를 사용하면서 지금까지의 평가를 뒤집게 되었다.

Geekbench 3 싱글코어 점수	Geekbench 3 멀티코어 점수

CPU의 구조는 고 IPC에 상대적으로 낮은 클럭으로 작동하는 64비트 사이클론 아키텍처를 듀얼코어 구성으로 탑재하였다. 애플은 이 CPU가 전작인 Apple A6 대비 2배의 성능을 가진다고 언급했고, 실제로 Anandtech에서 측정한 결과 위에서 볼수 있듯이 싱글코어 점수는 1400점대, 멀티코어 점수는 2500점대의 점수를 보여준다.

같은 2013년 말에 경쟁하는 퀄컴 스냅드래곤 800과 엑시노스 5420이 둘 다 싱글코어 점수 900점 후반에 멀티코어 점수 2000점대 후반~3000점대 초반을 기록한거와 비교하면 Apple A7은 코어수를 2개로 제한하면서 극단적으로 싱글코어 성능을 올렸다는 것을 알 수 있다.

GPU는 이매지네이션 테크놀로지社의 PowerVR 6 시리즈의 G6430을 탑재하고 있고 이는 4 클러스터 구조의 GPU이다. 동작 클럭은 450MHz으로 작동한다고 한다. 다른 경쟁사의 AP에 비해 GPU 성능으로는 우위를 점하고 있다. 자세한건 PowerVR 문서에서 볼 수 있다.

2015년 10월 13일에 A7 프로세서의 전력효율을 향상시키는 branch predictor가 미국 위스콘신 대학의 특허를 침해했다는 판결이 나왔다. 배상액은 한화로 약 9200 억원이라고 한다.

• Apple A8

CPU	GPU
Typhoon 듀얼코어 1100 ~ 1500MHz	IT PowerVR GX6450 450MHz
생산 공정	램 대역폭
TSMC 20nm SoC	싱글채널 LPDDR3 1600MHz
통신 칩 없음
아이폰 6, 아이폰 6 플러스, 아이패드 미니/4세대, 아이팟 터치/6세대, 애플 TV/4세대

2014년 말에 공개된 애플의 AP이다. 엄청난 판매 실적을 거둔 아이폰 6과 몇몇의 다른 제품에 탑재되었다. 기존 애플의 AP는 Apple A7까지 삼성의 팹에서 양산되었는데, A8이 최초로 TSMC 공정에서 양산된 AP이다. 애플은 A8이 전작 대비 25%의 CPU 성능 향상, 50%의 GPU 성능 향상을 이루었다고 했다.

CPU는 Cyclone 아키텍처를 개선한 Typhoon 아키텍처를 듀얼코어 구성으로 탑재하였다. Cyclone과 Typhoon의 차이는 Swift와 Cyclone의 차이처럼 급진적인 차이가 나는 새로운 아키텍처는 아니지만 몇몇 차이점이 존재한다. 단지 Cyclone에서 클럭을 올린 정도로 취급될 아키텍처는 아니다. 처음에는 IT 웹진에서 'Enhanced Cyclone'으로 언급되었으나, 후에 Typhoon이라고 불리게 되었다.

CPU의 성능은 CPU 아키텍처 자체적인 개선과 메모리 대역폭의 미세한 상승, 그리고 L3 캐시, 메모리 레이턴시 쪽의 개선으로 인해 동클럭에서 Cyclone보다 약 8~10% 높은 성능을 가진다고 한다. 클럭 향상으로 인해 Geekbench 3에서의 CPU 점수 측정치는 아이폰 5s의 A7 대비 싱글코어에서 +14%, 멀티코어에서 +12%라고 한다. 이 자료는 애플의 공식 발표 수치와 좀 차이가 있지만, 아난드텍의 Geekbench 측정치를 보면 어느정도 맞아 떨어진다. 그 외에 공정 미세화로 인해 쓰로틀링 감소를 기대해 볼 수 있다고 한다.

GPU는 역시 이매지네이션 테크놀로지의 PowerVR 시리즈 6XT에 속하는 GX6450을 탑재했다고 한다. 똑같은 450MHz의 클럭으로 작동한다고 알려져 있지만 GFX벤치 3.0 맨해튼 기준 1fps 정도 아이폰 6 플러스의 결과가 더 높게 나온다고 한다. 다만 미세한 차이라서 별로 신경쓸것은 없다. OpenGL ES 3.1 상의 성능이 유독 낮지만, 나머지 API 상에서는 경쟁 AP들보다 더 높은 성능을 보여준다. 자세한 기술적인 사항은 PowerVR 문서에서 볼 수 있다.

• Apple A8X

CPU	GPU
(CPU 종류, 코어 수) ****MHz	(GPU 종류) ***MHz
생산 공정	램 대역폭
(파운드리 회사) ** nm (공정명)	(램 대역폭)
통신 칩 없음
(이 AP를 사용하는 기기)

(AP 상세 설명)

• Apple A9

CPU	GPU
Twister 듀얼코어 1850MHz	IT PowerVR GT7600 600MHz
생산 공정	램 대역폭
삼성 14nm LPE, TSMC 16nm (불명)	듀얼채널 LPDDR4
통신 칩 없음
아이폰 6s, 아이폰 6s Plus, 아이폰 SE

14/16nm 공정에 생산된 최초의 AP인 삼성전자의 엑시노스 7420이 출시된지 반년 후에 애플에서 설계하고 14/16nm 공정에서 생산된 두번째 AP이다. 반년간의 수율 증가로 인해 78mm²의 면적을 가진 엑시노스 7420보다 더 넓은 100mm²대의 다이사이즈를 가질수 있게 되었다.

CPU의 구성은 많은 IT 웹진과 리뷰어의 예상을 깨고 기존의 듀얼코어 구성을 그대로 유지하였다. 대다수의 예측은 Cyclone/Typhoon 아키텍처의 동작 클럭을 올리고 트리플코어 구성으로 내놓을 거라는 의견이 대세였으나, ARMv7 기반의 Swift와 ARMv8-A 기반의 Cyclone/Typhoon 아키텍처에 이어 애플이 3번째로 개발한 새로운 자체 ARM 아키텍처인 Twister를 사용하였다. 기존의 애플 AP의 설계 사상에 부합하게 저클럭, 고 IPC로 높은 싱글코어 성능을 지향했다.

Geekbench 3에서 측정된 CPU 성능을 보면, 1.85 Ghz 라는 낮은 클럭에도 불구하고, 싱글코어 성능이 2500점대 후반으로 측정된다. 타사의 자체 아키텍처인 Kryo 2.15 Ghz보다 7% 높고, Exynos M1(몽구스) 2.6 Ghz보다 약 15% 높은 성능으로 실사용시 2016년 초에 나오는 AP와 비교해도 부족하지 않는 모습을 보여주고 있다. 멀티코어 성능은 4400점 후반으로 측정되고 세부 점수에서의 멀티코어 효율은 약 1.9배 초반으로 양호한 수준이다.

GPU는 역시 이매지네이션 테크놀로지社의 PowerVR 7XT 시리즈의 GT7600을 탑재하고 있고 이는 6 클러스터 구조이다. 600MHz로 작동하고 준수한 GPU 성능을 보여준다. 성능 비교에 대한 자세한 정보는 PowerVR 문서에서 볼 수 있다.

Apple A9 AP의 생산공정 혼용에 대한 논란은 아래의 문서에서 볼 수 있다.

• Apple A9X

CPU	GPU
(CPU 종류, 코어 수) ****MHz	(GPU 종류) ***MHz
생산 공정	램 대역폭
(파운드리 회사) ** nm (공정명)	(램 대역폭)
통신 칩 없음
아이패드 프로(12.9인치, 9.7인치 모델)

(AP 상세 설명)

• Apple A10 Fusion

CPU	GPU
(CPU 종류, 코어 수) ****MHz	(GPU 종류) ***MHz
생산 공정	램 대역폭
(파운드리 회사) ** nm (공정명)	(램 대역폭)
통신 칩 없음
iPhone 7, iPhone 7+

4코어다.

A10 Fusion 칩의 CPU는 두 개의 고성능 코어와 두 개의 고효율 코어를 갖추었습니다.

스마트 워치 전용 S 시리즈

• Apple S1

CPU	GPU
(CPU 종류, 코어 수) ****MHz	(GPU 종류) ***MHz
생산 공정	램 대역폭
(파운드리 회사) ** nm (공정명)	(램 대역폭)
(통신 규격)
(이 AP를 사용하는 기기)

(AP 상세 설명)

논란과 비판과 키보드 배틀 떡밥들

스마트폰의 애플리케이션 프로세서들의 성능 비교에 대한 키보드 배틀은 유사 이래 쭉 이어져 왔지만 이 떡밥들은 단순히 성능 비교 키배가 아니라 각 운영체제를 지원하는 팬덤들의 화력까지 곁들어 지는 경우가 백에 백이라서 키배 떡밥중 엄청난 화력(...)을 자랑했고 앞으로도 이럴 것이다.

반론이 있다면 내용을 반달하지 말고 하위 항목을 생성해서 반론을 달고 그에 재반론을 계속 다는 방식으로 의견을 제기하자.

설계 주체에 대한 논란

Apple A4를 보면 삼성전자의 허밍버드(엑시노스 3110)과 많은 유사점이 보이고 있다. 그후 애플이 인트리시티를 인수하고, Apple A5 시리즈까지는 삼성전자에서 설계를 맡기고 삼성전자의 팹에서 생산이 되었지만 Apple A6부터는 자체 설계인 Swift CPU 아키텍처를 이용해서 애플이 자체적으로 설계했다는게 중론이다. 그 후 Apple A8부터 파운드리 쪽도 탈 삼성전자 기조를 유지하고 있는것으로 보인다.

싱글코어 성능 vs 멀티코어 성능

Apple A 시리즈는 A6때부터 타 AP와는 다르게 설계 사상 자체가 싱글코어 성능을 우선시 하고 있고, 이로 인해서 Apple A7이 최초의 ARMv8-A 명령어를 사용하는 Cyclone 아키텍처를 탑재해서 타 AP와의 싱글코어 성능 격차를 꽤 벌린 이후로 이 논란이 본격화 되었다. 그 후 현재까지 애플 팬덤과 안드로이드 팬덤 사이에서 갑론을박이 벌어지고 있는 상황.

전자 측의 극단적인 의견 중 하나는 싱글스레드 성능이 모든 종류의 실제 성능을 대변한다고 하고 이 논쟁을 인텔의 코어 i 시리즈와 AMD의 불도저에 비유하고 있지만, 이 비유가 올바르지 못한게 불도저 아키텍처는 전 세대인 투반과 비교될 정도로 망한 아키텍처라서 단순히 옥타코어라는 점으로만 까이는게 아니라는 것이다. 게다가 안드로이드 진영의 AP 생산공정 발전 속도는 AMD처럼 느리지 않다. 그리고 8코어 AP중 대부분은 big.LITTLE 구조를 사용하는데 실질적으로 성능을 담당하는 부분은 빅 클러스터의 4코어인 경우가 많다.

물론 후자측의 의견도 문제가 있는것이, 애플리케이션중 다중 스레드를 잘 활용하는 어플도 있지만 다중 스레드를 잘 활용하지 못하는 애플리케이션도 많다. 그리고 보통 브라우저 벤치를 돌릴때 싱글코어 성능과 강력한 GPU 성능을 가진 iOS 계열의 디바이스들이 최상위 순위를 차지하고 있다. 그리고 멀티코어 성능이 높은게 무조건 좋은거라면 미디어텍 Helio X10이나 X20도 여러 꼼수를 통해 멀티코어 점수를 각각 5000점, 7000점을 얻어냈는데 과연 이것이 실성능에 반영되는가? 하는 의문점이 생긴다.

굳이 이 논쟁을 데스크탑의 CPU로 비교한다면, 성능면으로는 코어 2 듀오 E8400 vs 코어 2 쿼드 Q6600에 비유할 수 있다. 실제로 이 떡밥에 관해서도 사이트들마다 의견이 나뉘는 상황. 비유를 더 추가하자면, 애플의 AP가 싱글코어 성능을 극단적으로 높이고 멀티코어 성능에 신경 쓰지 않는다는 점은 코어 M 시리즈와 유사하다고 볼 수도 있다. 이쪽은 TDP가 4.5W로 제한되어 있었지만...

결론적으로 말하자면 정답은 없다. OS, 기기, 구동하는 어플의 종류에 따라 어느쪽이 더 좋은지는 항상 달라진다.

Apple A9의 TSMC, 삼성 팹 혼용

아이폰 6s에 사용된 Apple A9가 삼성전자와 TSMC 양쪽 팹에서 동시에 생산이 되고 성능차이가 있냐 없냐로 논란이 있었지만 Geekbench 3에서 풀로드로 구동되는 상황을 제외하고 실사용에서는 두쪽 다 별 차이가 없다. GFX 벤치의 배터리 테스트에서도 비슷한 결과가 나와서 GPU 풀로드시에는 전력소모 차이가 눈에 안띄는데 CPU 풀로드시에는 전력소모가 차이가 나는 상황이어서 팹의 문제가 아닌 설계사인 애플의 설계미스라는 주장도 있다. 삼성전자와 애플 어느쪽이 잘못인지 책임론으로 논란이 있었지만 시간이 지나고 떡밥이 식었다. 저클럭에서는 삼성팹이 유리하고 고클럭에서는 TSMC 팹이 유리할 가능성도 제기되는 상황. MLC vs TLC 논란과는 다르게 이번 팹 논란은 실사용에서는 차이가 없으니 안심하고 그냥 써도 된다.

2016년 3월 말 기준, 현재까지의 아이폰 6s 및 아이폰 6s 플러스에 탑재된 A9의 파운드리사 별 비율은 삼성제가 약 60%, TSMC제가 약 40%를 차지하고 있다. 이 사이트에서 5분마다 갱신되는 비율을 볼 수 있다. 총 표본수가 40만개 후반대에 달하므로 신뢰도가 매우 높은 표본조사이다.

이 후에 Geekbench 3을 통한 CPU 쓰로틀링 테스트를 시행한 웹진에서 표본수를 조금 더 늘리고 측정한 결과, 팹 회사간의 편차보다 그냥 각각의 칩 간의 편차가 훨씬 더 크다는 것으로 드러났다.