iPhone 和 iPad 使用的 GPU一直都是 Imagination Technologies 供應的 PowerVR GPU，蘋果甚至擁有該供應商 10% 的股份，為后者創造了大約 30% 的營收。曾經蘋果在移動設備上使用的 ARM CPU，不過他們現在都已經自己設計移動處理器，因此行業認為蘋果已經逐漸從 PowerVR 授權轉變為設計定制 GPU。在 iPhone 6 的 A8 處理器中我們可以看到蘋果的定制 GPU，iPhone 6s 和 iPhone 7 中 A9 和 A10 Fusion 處理器也使用了定制 GPU。
iPhone 和 iPad 中使用的現代 GPU 需要三個重要組成部分協調工作才能渲染一個場景。第一個是固定功能圖形硬件，其主要負責的任務包括處理 API 指令、三角光柵以及光柵輸出。第二個是渲染核心，它相當于 GPU 的心臟，執行可編程著色（Programmable Shaders）任務。最后一個是顯卡驅動器——在 CPU 上運行的軟件，它將所有東西緊密結合在一起，協調 GPU 上的活動。驅動器將寫在 Metal 或 OpenGL ES API 中的圖形應用轉化成一系列指令，以便固定功能圖形硬件和執行可編程著色在渲染核心上執行這些指令。驅動器上最大的部件就是編譯器，它能夠生成可在渲染核心上運行的機器代碼。
以前蘋果使用的固定功能圖形硬件、渲染核心和驅動器均是由 Imagination Technologies 授權的。但是過去 6-7 年蘋果公司從 AMD、英特爾、谷歌和英偉達等公司挖走了大量顯卡工程師和驅動器、編譯器工程師，以設計定制 GPU。比如此前有消息稱今年早些時候蘋果公司從 Imagination Technologies 公司挖走了大約 25 名工程師。蘋果的 GPU 顯然還在使用 PowerVR 的部分固定功能圖形硬件。但是從目前曝光的各種整合看來，蘋果已經在 GPU 中使用他們自己開發的可編程著色核心，它的效率更高、性能也更強。
如果想要充分發揮定制渲染核心的優勢，那么蘋果必須自己開發驅動器和編譯器，以生成適合其架構的代碼。結果就是蘋果的 GPU 和 PowerVR 會有一些相似點。不過它的設計非常獨特，是世界級的設計，性能和功率都很強。從移動顯卡跑分來看，A9 處理器可以說幾乎每個方面都拿到了最高分，而 A10 Fusion 在這個基礎上又更快，為 40-50%。
到目前蘋果 GPU 架構都沒有比較詳盡的文字記錄，為了讓開發者可以充分利用這個 GPU，他們需要了解如何針對 Metal 和 OpenGL 編譯器來編寫著色器程序。在 2016 年 WWDC 大會上，蘋果公司工程師進行了一場名為“Advanced Metal Shader Optimization”的演示，其中就有關于最新定制 GPU 的詳細調優指南以及架構細節。PowerVR Series 6 GPU 架構的相關文字介紹也很少，不過 Imagination Technologies 公開過一些基本的編譯器和優化指南。通過對比這兩者我們可以發現它們之間的差別很大。特別是蘋果的寄存器文件和數據轉換功能更適于提升性能和效能，也是一個更簡單的編譯器目標。
蘋果用更小的寄存器來提升性能和效能
OpenGL ES 移動顯卡 API 和蘋果的 Metal API 支持圖像數據和計算的 16 位半精度浮點格式，與 32 位單精度計算相比，它能耗更少。在某些情況下，半精度計算會比單精度計算更快失去準確度。但是對于很多顯卡、圖像處理和機器學習負載來說，半精度計算足以得到正確的結果——特別是大部分屏幕的每像素動態范圍只是 8-12 位。
根據蘋果工程師的演示我們了解到，蘋果 GPU 的寄存器文件主要由 16 位寄存器組成——非常適合半精度數據。單精度浮點值和其他 32 位數據需要兩個寄存器。因此寄存器文件可以保存的 16 位寄存器是 32 位寄存器的兩倍。蘋果工程師強調與單精度相比，半精度的性能和能效更強，這也就說明半精度是蘋果的首要設計點。
相比之下 PowerVR Series 6 和 7 GPU 使用 32 位寄存器，是針對單精度計算設計的。在 Series 6 中，最常見的指令比如 FMAD、FMUL 和 FADD 都是在單精度數據上運行的。有些指令是在一個寄存器的兩個 16 位 SIMD 元素上執行的，但是 SIMD 執行指令和使用 16 位寄存器進行標量執行更是不同的。于 PowerVR 而言，以 16 位格式存儲數據會浪費寄存器部分空間，而且也不能自動將變量的數目變成雙倍，以在寄存器文件中使用。因此使用 16 位數據可以減少內存帶寬和能耗，但是不能像蘋果 GPU 那樣強化性能或者提高效能。
16 位數據一個常見的難題是雖然精度降低，大部分計算還是沒有問題的，但有時候有些計算需要更大的精度。比如，著色器計算大像素塊的顏色，然后計算平均值時，它可以針對單個像素使用 16 位數據，但是求總和時卻需要 32 位數據。如果將像素數據從 16 位轉換到 32 位，成本太高，整個著色器會使用 32 位數據去計算出正確的答案。
蘋果的 GPU 支持在不同數據類型之間轉換進行混合精度計算，為更高性能和低能耗的 16 位計算創造更多機會。從蘋果公司的演示來看，數據類型的轉換非常自由，也就說轉換硬件是在標準數據路徑之中。雖然從硬件的角度來說這種解決方案成本更高，但是它大大簡化了編譯器，程序員也可以更容易地寫出好的軟件。
PowerVR Series 6 和 7 可以轉換不同精度的數據類型，但是這種轉換不是自由的。他們指出這種數據轉換會產生成本，因此建議開發者編寫著色器程序是能夠盡量減小需要轉換的次數。
蘋果定制GPU的技術差別
蘋果和 Imagination GPU 的寄存文件和數據轉換之間的差別很大。寄存文件組織對于渲染核心來說是最基礎的，它影響到所有東西的設計，從渲染核心指令集架構到執行單元和時序邏輯。比如，寄存器大小決定數據路徑和渲染核心中的線路。數據轉換并沒有什么重大影響，但是對于編譯器和開發者來說就不一樣了。PowerVR Series 7 GPU 與它的上一代相比，只要使用 32 位寄存器。根據這些差別，我們可以得出一個比較符合邏輯的結論，蘋果的 GPU 使用的是他們內部自己設計的渲染核心，也就是說蘋果也自己為 OpenGL ES 和 Metal API 開發自主著色程序編譯器，而且很有可能還有自主顯卡驅動器。
有些跑分測試已經發現了這些端倪。GFXBench 跑分出現的結果直接將 iPhone 7 中的 GPU 命名為 G9。通過對比直接測試 Metal 和 PowerVR GPU 的 OpenGL ES 的著色器的結果，你就能發現蘋果 GPU 和 PowerVR 之間的很多不同。也有可能是 Metal 上有一些獨特的特性并不適合使用在 PowerVR GPU 上。但是其中的一些不同可能沒法突出不同的硬件選擇。比如蘋果 GPU 最高支持 OpenGL ES 3.0，而 PowerVR GPU 則能支持最新版本。不過這些不同主要是因為軟件和驅動器，而不是因為硬件。
自主設計的戰略優勢
在消費者電子行業，蘋果的垂直整合戰略顯得非常特別。在 iPhone 和 iPad 上蘋果可以說是掌握了一切——從基本的線路設計、處理器、操作系統到面向消費者的服務，比如地圖、 iMessage 和相機等。這些控制和整合讓蘋果的軟件和硬件團隊獲得一些其他競爭對手無法企及的優勢。
從第一代 iPhone 發布到現在，總體趨勢非常明顯——每走一步蘋果對平臺和生態系統的控制就更嚴格。起初蘋果使用的是標準的 ARM CPU，而且將大部分訂單外包給三星，但最終他們自主設計兼容 ARMv8 的 CPU 核心，性能遠遠優于競爭對手。同樣地蘋果收購了 Anobit 利用他們的團隊和技術，為 iPhone 和 iPad 閃存自主開發控制存儲器。對于蘋果來說，設計定制 GPU 將會是順理成章的一步，從而創造持續性戰略優勢。
最明顯的優勢之一就是蘋果的 GPU 比移動行業中競爭對手的更好，包括 ARM 或 Imagination 授權的 GPU，也比高通的更好。強大的性能將能帶來更好的用戶體驗，以及更長的游戲續航，圖形和機器學習應用體驗也更好。
蘋果的 Metal Performance Shaders 庫中包括十幾個高度優化的著色器，給開發者帶來豐富的工具集。這些著色器包括神經網絡分類，比如卷積、池化和修整線性單元層。Metal Performance Shaders 庫中還有處理內核，比如通過Lanczos 重采樣算法來重新調整圖片大小，相比圖形線性采樣，這種算法能夠生成更高質量的圖像。比如 Instagram 利用蘋果的 GPU 進行色調映射和本地對比強化，甚至蘋果相機應用可以利用 GPU 生成各種不同圖像效果。對于成像和神經網絡，半精度計算堪稱良配。相比 PowerVR 的渲染核心，蘋果的著色器架構能給這些應用提供更好的性能和效能。
第二個好處是蘋果可以在 GPU 中增加新的特性，修復漏洞，而他們的競爭對手是無法享受到這些好處的。另一方面，有了標準第三方 IP，任何時候蘋果修復漏洞或者需要新的特性，那么 Imagination Technology 客戶如三星、Mediatek 等也很快就能獲得這些好處。
第三個好處是上市時間和調度。蘋果 A 系列處理器就是根據 iPhone 一年一更新的節奏而每年都更新。因為 iPhone 是一款非常重要的產品，蘋果必須給顧客提供強大的性能，以及明顯的代間升級以刺激需求，因此蘋果一般都會帶來最新的處理技術，當然這其中也包含著巨大的風險。只要可以自主開發 GPU，蘋果就可以選擇投資必要的時間和資源去開發，以便趕上芯片發布的時間，相比之下 Imagination 就沒有那么強大的財力和豐富的人力資源。
蘋果如果想要一炮打響自己的 GPU 品牌，那么他們就必須在設計、監管、量產以及總的軟件生態系統間進行協調。在新品正式發布前，他們需要發現和修復漏洞，升級圖形硬件和軟件。因為 GPU 設計大多是自主完成，蘋果可以對其更新循環進行直接控制，減少對外界的依賴，從而可以確保新品按時發布上市。
假設蘋果工程師在渲染核心中發現了一個嚴重的邏輯錯誤，他們可以當天修復，然后再尋找解決方案。如果使用第三方 IP，那么在遇到問題時 IP 供應商必須首先考慮如何解決，同意蘋果的解決方案，這可能就需要花一點時間了，因為 IP 供應商還需要協調他們的其他客戶。三星的 Exynos 5410 就是一個很好的例子，它同時使用 ARM 的 Cortex A15 和 A7 核心，其中的一個一致性錯誤迫使三星不得不禁用它的節能功能。自主設計就可以大大降低這種風險，因為其中不存在利益競爭，而且公司之內交流解決方案總比和第三方交流方便。
最后一個好處就是可以減少對供應商的依賴，這樣蘋果在談判中將能占據更有利的位置，降低商業風險。在重要供應商之外再給自己找一家供應商，對于蘋果來說這簡直是鐵律。就如今年，以前一直只用高通 LTE 調制解調器的他們，突然就把英特爾也納入供應商名單之中。從長遠角度來說，這種做法能讓進一步壓低成本，也給他們創造更多機會。
其實蘋果目前已經組建了 GPU 設計團隊和驅動器團隊，A8、A9 和 A10 中的 GPU 有很大一部分都是這些團隊參與設計的。如果 Imagination Technologies 被收購了或者是技術趕不上行業發展水平，那么蘋果只要再自主設計固定供應顯卡硬件，替代 PowerVR IP 即可。
蘋果下一步怎么走
未來蘋果將有三種選擇。目前是由 Imagination Technologies 授權以使用他們的固定圖形硬件，以補充蘋果自主設計的部件，比如渲染核心。這種情況下，蘋果可能最終會升級到更新的 PowerVR。第二種是買下 Imagination Technologies，不過這么一場收購會帶來一些蘋果并不需要的東西（比如 MIPS 處理器產品線），在今年早些時候已經排除了收購的可能性。另一方面，蘋果可以從更大程度上定制他們的 GPU——直到超過 Imagination Technologies。最終蘋果就要確定自己是否足以設計出更好的 GPU，不再需要任何合作伙伴，從蘋果開發 A 系列處理器的歷史來看，他們還是有可能在這個新的領域獲得成功的。