Quand Apple a présenté le système-sur-puce (SoC) conçu en interne et qui équipe les iPhone de 2018, le constructeur a fait preuve d’une certaine modestie, qui pouvait laisser attendre des gains tout autant modestes.

Déjà, en choisissant le même surnom pour l’Apple A12 que l’Apple A11 : ils sont tous les deux « Bionic », cela renforçait l'idée d'une évolution du SoC de l’année dernière. Ensuite, parce que le passage à une gravure de 7 nm, une première dans l’industrie, semblait avant tout lié à des optimisations énergétiques.

Pour le processeur (CPU), Apple utilise toujours six cœurs, deux puissants et quatre économes. Les chiffres donnés pendant la conférence ne sont pas renversants : les deux cœurs puissants, nommés Vortex, sont jusqu’à 15 % plus rapides et les quatre cœurs économes, surnommés Tempest, n’évoluent même pas en termes de performances. En revanche, les gains énergétiques sont plus importants : jusqu’à 40 % de mieux pour les gros, 50 % de progrès pour les quatre petits. Les gains énergétiques sont essentiels dans un smartphone, naturellement, mais ces 15 % évoquaient une évolution limitée côté performances.

C’est mieux pour la puce graphique (GPU), qui affiche des performances jusqu’à 50 % plus élevées, et qui passe à quatre cœurs dans l’Apple A12. Mais la vraie star était ailleurs. Pendant sa présentation, Phil Schiller a surtout évoqué le moteur neuronal du SoC, c’est l’élément qui a le plus changé par rapport à l’an dernier. Passant de deux cœurs à huit, il est extrêmement plus puissant et peut gérer 5000 milliards d’opérations à la seconde, contre 600 milliards « seulement » pour le moteur de l’an dernier.

Au total, on avait le sentiment qu’Apple avait surtout concentré ses efforts cette année sur le moteur neuronal de l’Apple A12, sur le GPU, mais pas vraiment sur le CPU. Ce qui n’était pas très grave au fond, l’Apple A11 était déjà un monstre, bien plus puissant que tout ce que la concurrence pouvait offrir à l’époque, et encore aujourd'hui (lire : Pourquoi les processeurs d’Apple sont-ils les plus rapides ?).

Sauf qu’Apple a sous-vendu son nouveau SoC. AnandTech a publié son test des nouveaux iPhone, et fidèle à son habitude, le site s’est appliqué à passer en revue les aspects extrêmement techniques, avec une analyse approfondie de l’Apple A12 et de ses secrets. Conclusion du site : les gains de performances sont plus importants que ceux qu’Apple a mis en avant, en particulier pour le processeur qui progresse, cette année encore, de manière significative.

On fait le point sur leurs découvertes !

CPU : une évolution majeure du côté de la mémoire

L’une des différences majeures entre les processeurs dessinés par Apple et ses concurrents tient dans la quantité de mémoire allouée au processeur et gravée directement dans le SoC. Pour résumer très rapidement, la mémoire vive est bien trop lente pour suivre la cadence et tous les processeurs utilisent un cache, placé juste à côté physiquement et nettement plus performant que la RAM. C’est une mémoire qui coûte aussi très cher, mais qu’Apple a toujours utilisée abondamment dans ses puces. Au contraire de Qualcomm, Samsung et les autres concepteurs de SoC Android, où la mémoire processeur a toujours été plus limitée.

Cette tendance ne va certainement pas s’inverser avant un moment, et l’Apple A12 représente une nouvelle étape significative. Au total, le SoC intègre 16 Mo de mémoire, soit deux fois plus que l’Apple A11. À titre de comparaison, le Snapdragon 845, le SoC haut de gamme proposé actuellement par Qualcomm, intègre 6,5 Mo de cache seulement. Autre comparaison, pour vous donner une idée de la quantité de cache dans l’Apple A12 : un iMac Pro de base, équipé d’un processeur Intel Xeon W à huit cœurs, dispose d’un cache de 11 Mo, cinq de moins que ce processeur conçu pour des smartphones et tablettes.

On parle de cache processeur, mais il n’y en a pas qu’un seul type. On dénombre plusieurs catégories, notées L1, L2 et L3, qui servent des rôles différents. Précisons, avant de continuer, qu’Apple donne très peu d’informations sur ses processeurs, et qu’on ne connaît pas les valeurs de chaque niveau de cache. Les chiffres qui suivent sont des estimations d’AnandTech, mais le site est suffisamment sérieux et bien renseigné pour les considérer fiables.

Depuis l’Apple A11, le constructeur n’utilise plus de cache L3, la catégorie la plus lente des trois, mais augmente au contraire les deux autres. Le cache L2 est identique sur les deux générations pour les deux cœurs Vortex, avec 8 Mo de mémoire à disposition du processeur. En revanche, Apple a doublé le cache L2 des quatre cœurs efficients, avec 2 Mo au total dédiés uniquement aux cœurs Tempest.

Plus significatif encore, le cache L1 dédié aux deux cœurs puissants a doublé, passant de 64 Ko à 128 Ko. Cela semble bien peu, mais c’est une quantité impressionnante de cache L1 et c’est plus que ce que l’on trouve dans bon nombre de processeurs concurrents. Et on ne parle pas uniquement des processeurs de smartphones : ce cache est deux fois plus grand que celui des processeurs Intel Coffee Lake utilisés dans les MacBook Pro de 2018, par exemple.

Outre les caches spécifiques à chaque cœur ou bloc de cœurs, Apple a aussi doublé la quantité du cache système : de la mémoire supplémentaire qui sert à l’ensemble du SoC, au processeur, mais aussi à la puce graphique, et qui fait aussi le lien avec la mémoire vive de l’appareil. Il y en avait 4 Mo sur l’Apple A11, il y en a désormais 8 et cette mémoire occupe une place significative dans le SoC, comme on peut le voir sur cette image. On note aussi sa position centrale, entre le CPU et la GPU.

En doublant la quantité de cache système, l’Apple A12 a moins besoin d’interroger la RAM de l’appareil, ce qui réduit sa consommation énergétique. Interroger le cache système plutôt que la mémoire vive est plus économe et c’est aussi un gain en termes de performances, ce cache plus rapide étant aussi placé plus près du CPU et du GPU.

AnandTech note au passage que le constructeur a largement modifié le cache système. C’est même le plus gros changement concernant cette mémoire depuis son apparition, dans l’Apple A7. Jusque-là, le cache système était composé de deux blocs de mémoire. Celui de l’Apple A12 est composé de quatre parties distinctes, un doublement qui permet d’améliorer les performances, surtout en matière de latence.

C’est d’ailleurs un constat global. Les gains de performance ne proviennent pas tant d’une augmentation de la fréquence des cœurs qui composent le CPU de l’Apple A12, mais surtout d’une meilleure gestion de la mémoire. La fréquence augmente légèrement pour les deux cœurs Vortex, les plus puissants donc, mais elle diminue tout aussi légèrement pour les quatre Tempest. En revanche, le cache bénéficie d’une latence réduite, qui accélère le traitement des opérations et offre ainsi de bien meilleures performances que ce que l’augmentation des fréquences seule pouvait offrir.

CPU : l’Apple A12 laisse la concurrence sur place

Tous ces changements apportés au CPU se retrouvent évidemment dans les tests de performances. L’Apple A12 est plus puissant que son prédécesseur, avec un écart supérieur aux 15 % donnés par Apple, et que ses concurrents. Mais surtout, AnandTech montre que ces meilleures performances brutes ne se font pas au détriment de la consommation électrique. C’est même tout le contraire : « Les SoC d’Apple ont une meilleure efficacité énergétique que tous les SoC Android récents, tout en offrant des performances près de deux fois plus élevées. »

Pour le montrer, le site a utilisé le benchmark SPEC CPU2006, une série de mesures de performances bien plus exigeante et sophistiquée que ce qu’un Geekbench peut offrir. Ce test peut nécessiter jusqu’à deux heures d’exécution et il est capable de mesurer des informations nettement plus précises, notamment en matière de gestion du cache processeur. Et surtout, il permet d’évaluer la quantité d’énergie nécessaire à chaque test, ce qui distingue les processeurs en fonction de leur efficacité énergétique, et pas seulement de leurs performances brutes.

Ces deux graphiques peuvent faire peur, mais ils sont en fait très simples à comprendre. Chaque ligne de deux blocs de barres correspond à un test spécifique, et à chaque fois vous avez deux informations : à gauche, les barres indiquent la quantité d’énergie consommée ; à droite, le score de performances pour chaque test. Sur les deux graphiques, les processeurs d’Apple sont en gris, foncé pour l’Apple A12, clair pour l’Apple A11. Les trois bleus sont des processeurs Samsung (Exynos 9810 du Galaxy S9 et Exynos 8895 du Galaxy S8), les deux oranges sont des processeurs Qualcomm (Snapdragon 845 de 2018 et Snapdragon 835 de 2017).

Ces graphiques donnent ainsi une évaluation du paysage des smartphones ces deux dernières années, avec le meilleur de ce que propose Apple, et le meilleur de ce que l’on a dans l’écosystème Android. Et à chaque fois, les SoC conçus à Cupertino s’en sortent haut la main, en offrant des performances supérieures et une consommation énergétique inférieure. Certains tests affichent des différences mesurées, d’autres sont beaucoup plus spectaculaires :

Dans le détail, AnandTech note que les gains les plus significatifs entre les deux générations de processeurs Apple concernent les tests particulièrement sensibles à la gestion de la mémoire. Pour ces tests-là, les gains dépassent largement les 15 % annoncés par le constructeur, jusqu’à 75 % de mieux sur l’un des tests. En moyenne, l’Apple A12 fait 24 % mieux que l’Apple A11 sur une série de tests, 28 % sur l’autre.

Et ce gain de performances ne se fait pas au détriment de la consommation énergétique. Grâce aux gains apportés par le passage à 7 nm, Apple peut améliorer les performances brutes de l’Apple A12, tout en réduisant sa consommation globale par rapport à celle de l’Apple A11. Ce dernier était déjà plus performant que les meilleures puces utilisées par les smartphones Android, le SoC 2018 d’Apple creuse encore l’écart sur les deux tableaux.

Pour prendre un exemple concret, l’Exynos 9810 de Samsung consomme deux fois plus d’énergie que les processeurs d’Apple (20 121 joules en tout, contre 10 644 pour l’A11 et 9 521 pour l’A12), tout en offrant des performances pratiquement deux fois inférieures au SoC Apple de 2018. L’écart avec l’Apple A11 est particulièrement cruel pour Samsung, puisque ce SoC est sorti plusieurs mois avant le sien, présenté en janvier 2018.

Apple n’a pas besoin de gonfler les performances de son processeur, le constructeur peut privilégier l’autonomie et battre encore tous ses concurrents. AnandTech estime que si l’on pouvait calibrer le processeur de l’iPhone pour consommer autant d’énergie qu’un SoC Android, il obtiendrait probablement des performances trois fois supérieures, et pas « seulement » deux fois, comme c’est le cas aujourd'hui.

Et pour parachever le tout, le site note que l’Apple A12 se rapproche dangereusement d’un processeur Intel dédié aux ordinateurs de bureau, au moins sur les tests avec un seul cœur. Ce n’est pas nouveau, mais encore une fois, ce benchmark est nettement plus exigeant. Les processeurs Intel ont souvent moins de mémoire cache et elle est souvent moins rapide et moins optimisée que celle d’Apple, ce qui explique la différence.

GPU : une évolution plus mineure

Contrairement au CPU, Apple a promis une évolution significative des performances pour le GPU intégré à l’Apple A12. Jusqu’à 50 % de mieux par rapport à l’année dernière, ce n’est pas rien. Par ailleurs, on sait que l’entreprise a prévu de créer ses propres puces graphiques, comme elle l’a fait depuis plusieurs années pour le CPU, pour remplacer celles de PowerVR qui ont servi jusqu’à l’Apple A10.

Pour autant, la puce graphique conçue par Apple en 2018 n’est pas un changement radical, mais plutôt une évolution de celle de l’Apple A11. Et cette dernière était bien la première conçue par Apple, mais à partir d’un modèle de PowerVR. Comme le note AnandTech, la firme de Cupertino n’a pas encore créé sa propre puce graphique à partir d’une feuille blanche et sans utiliser les technologies de son partenaire. Les différents composants du GPU sont placés au même endroit et la conception générale est quasiment identique à celle de l’an dernier.

Dès lors, comment Apple peut revendiquer des gains de performances de l’ordre de 50 % par rapport à l’Apple A11 ? Deux changements concrets alimentent cette amélioration, à commencer par l’ajout d’un cœur, puisque le GPU passe de trois cœurs à quatre sur l’Apple A12. Ce changement a été permis par la gravure plus fine, et d’ailleurs, la totalité de la puce graphique est plus petite cette année, alors même qu’elle a un cœur de plus.

Dans un GPU, les tâches fonctionnent en général en parallèle, si bien que l’ajout d’un cœur améliore presque mécaniquement les performances. Mais le site pense que le gain le plus important provient de la compression de la mémoire, une fonction courante sur les cartes graphiques des ordinateurs et même de plus en plus sur les GPU des smartphones. Apple ne l’utilisait pas jusque-là et, pour le coup, le constructeur était plutôt en retard. En l’ajoutant cette année, l’Apple A12 bénéficie d’un boost de performances plus significatif.

Et même si Apple semblait avoir du retard en soi sur la gestion de la mémoire pour son GPU, c’est un retard tout théorique. Les tests de performances effectués par AnandTech montrent que la puce graphique de Cupertino n’a pas à rougir face à ses concurrents dans ce domaine. Le site va même jusqu’à affirmer que « les iPhone XS et XS Max, grâce au nouveau SoC A12, affichent des performances et une efficacité énergétique au meilleur niveau et ils sont actuellement la meilleure plateforme mobile pour jouer, point final. »

L’Apple A12 n’a pas été le meilleur dans tous les tests, quelques smartphones, comme le OnePlus 6 ou le LG G7, ont de meilleures performances brutes sur certains benchmarks. Néanmoins, le GPU d’Apple se rattrape sur la consommation électrique et c’est celui qui est le plus efficace par Watt. Un iPhone XS fait pratiquement deux fois mieux qu’un Galaxy S9+ sur le test GFXBench Manhattan 3.1 Offscreen, avec plus de 20 fps par Watt, contre 12 fps environ pour son concurrent.

Le GPU de l’Apple A12 consomme moins que ses concurrents, ce qui lui permet de moins chauffer, et donc de tourner à une vitesse plus élevée, plus longtemps. Le site ajoute que le GPU ne sert pas qu’aux jeux et qu’Apple a optimisé le module graphique utilisé dans ses derniers iPhone pour tous les autres usages où la demande reste très brève. Pendant une petite période de temps, le GPU va tourner à une vitesse supérieure et offrir des performances plus importantes, avant de se stabiliser à une vitesse de croisière maintenue ensuite sur la durée.

Cela explique pourquoi AnandTech affiche systématiquement deux valeurs, une maximale (« Peak ») quand la mesure est effectuée à froid, et une autre moyenne (« Sustained ») qui est la valeur que vous aurez dans un jeu. Par rapport à l’iPhone X, les nouveaux modèles montrent aussi que l’écart est nettement moins grand entre ces deux valeurs. Ce qui veut dire que la puce graphique de l’Apple A12 tient mieux la charge sur la durée, tout en offrant de meilleures performances globales.

Sur le test GFXBench Aztec Ruins par exemple, les iPhone XS affichent des performances supérieures de l’ordre de 51 % par rapport à un iPhone X en valeur maximale. C’est conforme aux gains annoncés par Apple pendant le keynote, mais l’écart est plus grand encore pour le test sur la durée : dans ce cadre, l’Apple A12 est 61 % plus performant que l’Apple A11.

Comme pour le CPU, Apple privilégie la batterie au détriment des performances pures pour les graphismes et on pourrait certainement obtenir des résultats encore meilleurs en débridant l’Apple A12. Mais à quoi bon, dans la majorité des tests, c’est le GPU de Cupertino qui est en tête…

Pour conclure : de la théorie à la réalité

Toutes ces mesures mettent en évidence les progrès significatifs réalisés d’une génération à l’autre par Apple. Sur le papier, le processeur de l’Apple A12 est nettement plus puissant que ce qu’Apple a bien voulu dire, et le SoC dans l’ensemble affiche d’excellentes performances tout en réduisant sa consommation électrique. Mais est-ce pour autant que vous pouvez vous attendre à une autonomie en hausse ?

Pas forcément. D’ailleurs, le test d’autonomie d’AnandTech montre au contraire que les iPhone XS sont assez décevants sur ce point, avec des scores inférieurs à ceux des deux iPhone 8 pour le XS Max, et même inférieur à celui de l’iPhone X, pour le XS. Ce test simule une utilisation du navigateur, avec une série de pages qui sont chargées et un défilement de l’écran, le tout en Wi-Fi et avec une luminosité fixe.

Si l’Apple A12 est plus économe, comment expliquer ce résultat ? Les mesures de performances soumettent le CPU comme le GPU à une utilisation intensive qui ne représente quasiment jamais ce que l’on a en réalité. Ce n’est pas parce que le processeur a besoin de moins d’électricité pour tourner à 100 % de sa capacité, que c’est aussi le cas quand il est utilisé à 30 %. Et puis, le SoC est loin d’être le seul élément qui consomme de l’énergie dans un smartphone, c’est même en général loin d’être le plus gourmand.

L’écran est bien plus souvent le plus gros consommateur de l’énergie stockée par la batterie. Et en la matière, l’OLED est moins efficace que le LCD utilisé par les iPhone 8, ce qui explique en partie l’écart mesuré. Et ce qui justifie aussi, en passant, l’autonomie supérieure promise par Apple pour son iPhone XR qui est justement équipé d’une dalle LCD et non OLED. Par ailleurs, Apple a choisi de privilégier la qualité (couleurs 10 bits) au détriment de l’autonomie sur ce point, ce qui fait que la dalle OLED des iPhone XS consomme plus d’énergie que celle du Galaxy S9 de Samsung.

Enfin, le modem cellulaire est un autre gros consommateur et Apple a adopté un modem Intel sur toute la gamme cette année. Plus rapide, il est aussi a priori plus gourmand que les modèles de Qualcomm qui étaient encore utilisés sur certains iPhone de 2017.

Malgré tout, il ne faut pas sous-estimer les progrès réalisés cette année encore par Apple avec son SoC. Les iPhone XS et l’iPhone XR qui en sont équipés n’en profiteront pas nécessairement à plein, en tout cas pas au quotidien, mais ce travail est essentiel pour l’avenir. On pense à l’hypothèse d’un passage à ARM pour les Mac évidemment, mais à plus court terme, des iPad équipés d’un Apple A12 et moins contraints par la nécessité d’économiser l’énergie pourraient offrir des performances exceptionnelles.