追本溯源 淺析Android玩游戲不如iPhone的原因

在智能手機領域，Android手機和蘋果iPhone始終是涇渭分明的兩大陣營。就硬件規(guī)格的表面參數來看，Android手機似乎始終凌駕于iPhone之上。比如iPhone 7 PlUS才用上3GB內存，但Android卻用上了6GB甚至8GB；iPhone 7剛用上四核，Android的八核/十核卻早已普及。問題來了，雖然Android陣營參數層面優(yōu)勢明顯，但在實際的游戲體驗中為何依舊落后于對手？

先從安兔兔排行說起

自從安兔兔推出跨平臺（Android和iOS）的軟件版本之后，綜合排行榜的前兩位就始終被iPhone 6/7和iPhone 6/7Plus所霸占，雷打不動（圖1）。問題來了，以最新的iPhone 7Plus為例，這款手機搭載的A10Fusion只是一顆四核處理器，為什么它的性能卻能超越Android領域的一眾八核/十核處理器？

無論是蘋果、三星、高通、聯(lián)發(fā)科還是海思、松果，所有生產手機處理器芯片的廠商都離不開ARM的授權。只是，ARM授權方案分為兩種：

源于自主研發(fā)的實力

第一種是ARM直接授權設計好的IP內核，比如Cortex-A53、Cortex-A72和Cortex-A73等（圖2），芯片廠拿到IP內核授權后，只要按需選擇核心數量、互聯(lián)總線、緩存等就能完成CPU部分的設計。當再塞進GPU、通訊基帶和電源管理等模塊后就是一個完整的SoC了（圖3）。我們習慣將這種IP內核授權稱為“公版架構”，聯(lián)發(fā)科、海思和松果處理器就都以公版架構為主。

第二種是ARM僅授權指令集，比如ARMv7和ARMv8（圖4），芯片廠拿到這些指令集后，再自行進行IP內核的設計，然后才能完成CPU部分的搭建。而這種基于指令集授權而設計的內核，我們習慣將其稱為“自主架構”。蘋果、高通和三星旗下的頂級處理器就都以自主架構為主，比如高通驍龍810/820/835就都采用了自主的Krait（金環(huán)蛇）架構，三星E×vnos 8890/8895就采用了自主的Monqoose（貓鼬）架構（圖5）。

一般來說，能搞自主架構的都是更具實力的芯片廠而自主架構的CPU核心，在同頻率的性能上都會領先于ARM的公版架構。但是，既然是自主研發(fā)的架構，自然也意味著性能的不對等。至少在與高通Krait和三星Mongoose的較量中，蘋果A10 Fusion（基于ARMv8指令集）就有著性能上的優(yōu)勢。

曾有媒體拿A10 Fusion和驍龍821進行了詳盡的對比測試，結果是A10 Fusion實現了對驍龍821的全程碾壓，特別是CPU性能的領先幅度更是驚人（表1）。

要知道，雖然A10 Fusion和驍龍821都是四核處理器，但二者的運行機制卻有著云泥之別。其中，包括驍龍821在內的Android陣營頂級處理器都采用了類似big.LITTLE大小核技術，比如驍龍820就是雙核2.2GHz+雙核1.6GHz，在跑分時四個核心可以協(xié)同作戰(zhàn)（圖7）。

A1 0 Fusion也采用了兩大兩小的結構核心設計（圖8），兩個高性能核心應對高負載，兩個低性能核心用于日常任務處理，以此來降低整體功耗，提升續(xù)航能力。但與big.LITTLE技術不同之處在于，A10 Fusion最多只能同時跑兩個核心，即要么是兩個大核，要么是兩個小核。換句話說，A10 Fusion只靠兩個大核就能超越對手四核、八核或十核的協(xié)同作戰(zhàn)，其自主架構核心的效率可見一斑。

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iPhone是何時開始自主研發(fā)的

蘋果在iPhone 4之前都是直接采用芯片廠提供的處理器成品，比如iPhone 3GS搭載的就是三星S5PC100處理器。此后蘋果改變了策略，開始采用ARM指令集授權、蘋果自行設計、三星或者臺積電代工的方式來研發(fā)生產（圖6）。所以，iPhone 4之后的歷代iPhone才能在性能上始終保持領先。

GPU緣何一騎絕塵

在Android陣營中，高通驍龍集成的Adreno GPU是性能之王。但是，當高通驍龍碰到蘋果A系列處理器后，Adreno GPU卻面臨著被“吊打”的尷尬境遇。原因很簡單，雖然蘋果暫時沒有自主研發(fā)GPU技術，但旗下處理器卻始終牽手Imaginaition（圖9），通過PowerVR系列GPU實現游戲性能的一騎絕塵（表2）。

以蘋果iPhone 7搭載的A10 Fusion處理器為例，它就集成了Imagination PowerVR GT7600 GPU，擁有6個計算核心，即PowerVR GT7600MP6。細心的讀者肯定發(fā)現了，A10Fusion和A9的GPU型號一樣，但前者的3D性能卻有了明顯的提升。原因是蘋果對A10 Fusion的GPU進行了超頻，從而在某些測試場景下實現了相較A9近50%的性能增益。

Android陣營也能用PowerVR GPU

既然蘋果能得到Imagination的授權，高通、三星、聯(lián)發(fā)科、海思、松果為什么不能和Imagination合作？

實際上，除了高通始終堅持自家的Ad reno GPU技術，其他很多芯片廠商也都與lmaqination有過合作。三星早期的蜂烏處理器就以集成PowerVR SGX5系列GPU為榮，聯(lián)發(fā)科在2014年推出的MT6595（集成PowerVRG6200MP2）、201 5年推出的Helio X10（集成PowerVR G6200MP2）以及2017年即將發(fā)布的10nm旗艦Helio X30（集成PowerVR 7XTP-MP4）也都已攜手Imagination。

問題來了，既然聯(lián)發(fā)科MT6595和Helio X10都集成了口碑最好的PowerVR系列GPU，為啥它們的圖形性能別說比不上同期的蘋果A系列處理器了，就連同期的高通驍龍、三星獵戶座集成的GPU也打不過呢？

此時就是體現出芯片廠商底蘊的時刻了。蘋果每一代iPhone的銷量都數以億計，因此蘋果可以在三星或臺積電手中搶到最新最先進的制程工藝資源，同時不計成本地從Imagination簽來最好的獨享的GPU核心，這些都是其他芯片廠商所不具備的底氣。比如MT6595和Helio×10集成的都是Imagination低端級別的PowerVR G6200，而且僅有2個計算核心。而同期的蘋果A7/A8處理器卻用上了更高端的PowerVR GX6430和PowerVR GX6450，而且還配備74個計算核心。性能孰優(yōu)孰劣就不用筆者多說了吧（圖10）？

PowerVR GPU又將進化

由于蘋果A系列處理器始終與Imagination保持著聯(lián)姻關系，所以Imagination每一次GPU技術革新，自然也意味著下一代iPhone將擁有更為強悍的3D性能。好消息是，前不久Imagination終于發(fā)布了2010年以來的第一個真正全新的GPU架構，代號“Furian”。

7年以前，Imagination推出的“Roque”架構首次引入了統(tǒng)一著色器設計，PowerVR 6/7/8系列都是基于它衍生來的。只是PowerVR 8現在還沒有被手機處理器所用，業(yè)內普遍預測它將被集成在下一代iPhone 8所用的處理器中。

Imagination最新發(fā)布的“Furian”架構是“Rogue”架構的升級版，首要目標是改進功耗和性能，具體來說就是每毫瓦性能、每平方毫米性能，號稱相比于7XTPlUS可提升35%的著色器性能、80%的填充率性能、70%～90%的綜合性能（圖11）。

簡單來說，“Furian”并非從零開始設計的新架構，而是在“Rogue”的基礎上翻新而來。它依舊采用了區(qū)塊延遲渲染，但幾乎每個模塊單元、數據流、整體布局都是新設計的，比如支持多線程多任務數據執(zhí)行、微內核固件控制、幀緩沖和幾何無損壓縮、新的安全和虛擬化技術、增強的擴展性、支持還未定案的OpenCL 2.x計算標準，全面支持Vulkan、OpenVX等等（圖12）。

此外，“Furian”將每個叢簇的流水線從16級擴展為32級，每時鐘周期的雙線性采樣翻番到8個，同時還改進了算術邏輯單元叢簇（ALU Cluster），原先成對的MAD ALU需要更多資源才能喂飽，但“Furian”卻改用了1個MAD ALU（可做加法和乘法）+1個MUL ALU（只做乘法）的結構，從而提升了效率并降低了功耗。

先別急著高興，現在連“Rogue”架構的PowerVR 8還沒能商業(yè)化，就別提它的接班人了。只能說“Furian”架構是面向未來的，可以滿足7nm工藝、VR游戲、4K超高清、120fps高幀率、HDR高動態(tài)畫面、神經網絡等等的需求。至于基于新架構的實際產品，差不多得到2019年的iPhone才有機會嘗鮮了。

但是，蘋果一直都是lmaqination的最大客戶之一，所以未來“Furian”架構GPU商業(yè)化時，蘋果A系列處理器還應該是首發(fā)，繼續(xù)保持對Android陣營處理器的GPU性能壓制。

那么，Android陣營的芯片廠商就沒有辦法了嗎？

Android陣營如何應對

答案是當然有，那就是緊抱ARM的“大腿”。因為ARM除了提供底層架構外，也可捆綁自家的GPU技術（圖13），也就是我們熟悉的Mali系列GPU。

在Cortex-A57時代，ARM打包的GPU技術為Mali-T700系列，比如三星獵戶座Exynos 7420（Galaxy S6）集成的就是Mali-T760MP8；到了Cortex-A72時代，ARM打包的GPU升級到了Mali-T800系列，比如聯(lián)發(fā)科HelioX20和麒麟950集成的就是Mall-T880MP4；到了Cortex-A73時代，ARM再次祭出了全新的Mali-G71，比如麒麟960集成的就是Mali-G71MP8。

需要注意的是，ARM每一代的GPU也都會分成不同檔次，比如Mali-T880、T860、T830、T820。而且每個檔次的GPU也能通過塞進不同數量的計算核心進一步拉開性能差距。理論上講，Mali系列GPU完全有機會和Imagination展開競爭。

以最新的Mail-G71系列GPU為例，它基于Bifrost微架構設計，ARM允許其核心數從單核堆積到最高32核（MP32）（圖14）。要知道，麒麟960（Mali-G71MP8）的1生能就接近驍龍821了，而三星即將推出的10nm旗艦處理器Exynos 8895將集成20個核心的Mali-G71 MP20，理論3D性能是麒麟960的2倍多！

如果以后哪款手機處理器能用上Mali-G71 MP32，別說PowerVR8了，估計就連Imagination最新的“Furian”架構GPU都能一較長短DR？

競爭結果取決于整體實力

問題來了，ARM Mali系列GPU的核心數量可不是想堆就堆的。GPU核心數量越多，處理器發(fā)熱量和功耗也就越大。在現有的14/16nm工藝下，Mali-G71 M P8已經是手機處理器的極限了，而Mali-G71MP20也許則是10nm的極限。想強上Mali-G71M P32？沒有7nm工藝休想鎮(zhèn)壓（或者10nm工藝+散熱風扇輔助，反正小身板的手機是駕馭不了的）！

說來說去，手機處理器的競爭最終還是體現在整體實力上。財大氣粗的蘋果，可以自己搞自主處理器架構，GPU也能從Imagination要來最好的資源，也不怕找不到匹配的晶圓廠代工。所以，Android手機陣營想在整體性能上壓過蘋果，難度還真不是一般的大呢。

好消息是，Android陣營的芯片廠商也一直沒有放棄追趕的腳步。聯(lián)發(fā)科采用的策略是以數量換質量，有消息稱聯(lián)發(fā)科12核處理器已在路上；高通和三星也都在想辦法提升自主架構的執(zhí)行效率，縮短與蘋果處理器之間的距離。海思和松果雖然依舊以公版架構為主，但這也是為自主架構的研發(fā)進行的必要（經驗）積累。

總之，未來手機處理器之爭，唯有擁有自主架構才能顯得越發(fā)從容：每一款智能手機的軟硬件設計都從底層芯片上開始優(yōu)化，自主架構可以讓優(yōu)化進行得更為徹底（圖15）。至于想塞進更強的GPU，就需要搶占最先進的晶圓廠代工，并從ARM或Imagination手中爭取優(yōu)質資源了。而想實現上述目標，足夠的研發(fā)實力和資金支持一個都不能少。

那么，高通、三星、聯(lián)發(fā)科、海思、松果，這些為Android造芯的品牌，你更看好誰呢？