新旗艦手機(jī)的動(dòng)力之源

三強(qiáng)爭(zhēng)霸再度上演

2019年5月底對(duì)處理器產(chǎn)業(yè)的影響無(wú)疑是巨大的——英特爾發(fā)布了基于10nm工藝和Sunny Cove微架構(gòu)打造的第十代移動(dòng)酷睿lce Lake平臺(tái)，AMD通過(guò)7nm工藝讓Ryzen3000系列的消費(fèi)級(jí)處理器進(jìn)入了12核時(shí)代。作為X86陣營(yíng)的最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，ARM自然也不能讓兩大X86廠商獨(dú)美于前，意欲通過(guò)全新的Cortex-A77CPU和Mali-G77 GPU，進(jìn)一步釋放移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算潛力。

不同的聚焦點(diǎn)

在近十年的X86處理器之爭(zhēng)中，AMD-直扮演著英特爾跟隨者的角色，直至Ryzen（銳龍）誕生才真正影響到了英特爾在該行業(yè)的霸主地位。得益于7nm制程工藝，全新的Ryzen 3000（桌面版）終于實(shí)現(xiàn)了對(duì)英特爾同級(jí)別處理器的性能反超（圖1），并通過(guò)更低的售價(jià)博得了一眾DIY玩家的青睞，為在英特爾陰影下匍匐已久的用戶“伸張正義”。此外，AMD最新的移動(dòng)版Ryzen 3000（U系列）也具備不俗的實(shí)力，其CPU性能可以媲美八代酷睿，GPU性能則堪比入門級(jí)獨(dú)立顯卡，并在輕薄本領(lǐng)域闖出了不小的聲望。

然而，英特爾的布局較之AMD更加深遠(yuǎn)，除了追求更強(qiáng)的性能之外，英特爾近年來(lái)更專注于制定、完善和優(yōu)化計(jì)算設(shè)備的生態(tài)系統(tǒng)和周邊環(huán)境。以最新的lce Lake平臺(tái)為例，它雖然定位于超低功耗的輕薄本戰(zhàn)場(chǎng)，但卻集Wi-Fi 6 GIG+、雷電3、DLBoostAl加速于一身，并通過(guò)“ProjectAthena”（雅典娜計(jì)劃）來(lái)推動(dòng)統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。符合雅典娜計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都將具備一流的便攜性、快速響應(yīng)、持久續(xù)航和高速連接的特性，擺明了就是要入侵原本屬于ARM的平板電腦領(lǐng)域，彌補(bǔ)當(dāng)年英特爾通過(guò)Atom與ARM競(jìng)爭(zhēng)失利的遺憾（英特爾曾推出過(guò)適用于手機(jī)和平板電腦的Atom處理器，但均以失敗告終）。

ARM原本就在智能手機(jī)、穿戴式和嵌入式等移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域占?jí)艛嗟匚唬瑥慕陙?lái)Cortex-A系列CPU和Mali-G系列GPU的迭代更新來(lái)看，ARM更加專注于性能和效率的提高，并不斷提升足以影響未來(lái)的Al運(yùn)算能力。如今，ARM也不再滿足于傳統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備戰(zhàn)場(chǎng)，正在試圖染指Windows和Mac設(shè)備，讓更多的筆記本、二合一、臺(tái)式機(jī)用上ARM架構(gòu)的處理器。

以高通在2019年主打的驍龍8cx 5G移動(dòng)平臺(tái)（采用由Cortex-A76架構(gòu)魔改而來(lái)的Kryo 495核心）為例（圖3），其就已經(jīng)具備了不錯(cuò)的性能和電池續(xù)航能力，同時(shí)還擁有支持5G網(wǎng)絡(luò)和更低延遲等方面的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)Cortex-A77被塞進(jìn)筆記本后，無(wú)疑可以進(jìn)一步縮短與傳統(tǒng)X86PC在實(shí)際體驗(yàn)上的差距。

難以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)

X86和ARM現(xiàn)在正上演類似“圍城”的大戲，英特爾和AMD都想擠入移動(dòng)設(shè)備的圈子，而ARM卻想跳出移動(dòng)設(shè)備的圈子。至于最終誰(shuí)能先人一步，還得看Windows系統(tǒng)和軟件生態(tài)對(duì)ARM架構(gòu)的優(yōu)化程度，以及X86處理器何時(shí)能在功耗上降至接近ARM處理器的水平了。當(dāng)然，這些都是后話，咱們接下來(lái)要討論的，則是ARM最新CPU和GPU的特色，看看它們?cè)陟柟桃苿?dòng)市場(chǎng)的壟斷地位之后，是否還有余力去染指原本屬于X86的蛋糕呢？

擴(kuò)展閱讀

ARM不再是唯一

除了我們熟悉的ARM和X86以外，還有一種名為“RISC-V”的架構(gòu)正逐漸崛起。RISC-V是一種基于精簡(jiǎn)指令集（ RISC）原則的開(kāi)源指令集架構(gòu)（ISA），它沒(méi)有ARM架構(gòu)高昂的授權(quán)費(fèi)，憑借開(kāi)源、開(kāi)放、精簡(jiǎn)、靈活的特性，受到了包括谷歌、華為、IBM、鎂光、英偉達(dá)、高通、三星、西部數(shù)據(jù)和特斯拉在內(nèi)的數(shù)百家高科技企業(yè)的加盟。

按照SiFive當(dāng)前的設(shè)計(jì)能力，開(kāi)發(fā)ARM架構(gòu)的芯片往往需要1年甚至更久，而開(kāi)發(fā)一套R(shí)ISC-V架構(gòu)的新IP卻僅需1個(gè)月到3個(gè)月，這就是RISC-V極為精簡(jiǎn)技術(shù)特性的魅力。目前，我國(guó)已經(jīng)相繼成立了“中國(guó)RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”和“中國(guó)開(kāi)放指令生態(tài)系統(tǒng)（RISC-V）聯(lián)盟”，華米公司自研的面向穿戴式設(shè)備的黃山一號(hào)處理器就是基于RISC-V架構(gòu)打造的（圖4）。隨著前不久ARM與華為終止合作的傳言，勢(shì)必促使更多科技企業(yè)進(jìn)入RISC-V的生態(tài)圈，作為未來(lái)可替代ARM架構(gòu)的“備胎”，而我們也希望RISC-V有朝一日可以成為繼ARM和×86之后的又一種主流架構(gòu)。

解讀Cortex-A77 CPU

在解讀Cortex-A77之前，我們需要先來(lái)回顧—下它的兩個(gè)前輩，如此才能更好地了解這個(gè)全新的CPU架構(gòu)。

站在巨人的肩膀上

在ARM近些年的CPU架構(gòu)更新中，Cortex-A75和Cortex-A76都是極具歷史地位的。其中，Cortex-A75在big.LITTLE的基礎(chǔ)上引入了DynamIQ技術(shù)，最大限度提升了架構(gòu)的靈活性與擴(kuò)展性，讓2（大核，即A75） +6（小核）、3+5、1+7這種更高效大小核的組合變成了可能（圖5）。同時(shí)，同步升級(jí)到Cortex-A55架構(gòu)的“小核”也不再是性能孱弱的代名詞，當(dāng)不同數(shù)量的小核和大核搭配后，可以達(dá)到一個(gè)相對(duì)完美的（性）能（功）耗平衡。

作為Cortex-A73和A75的接班人，Cortex-A76采用從零開(kāi)始、全新打造的CPU微架構(gòu)（基于ARM v8.2指令集設(shè)計(jì)），并與臺(tái)積電7nm制程工藝強(qiáng)強(qiáng)攜手，帶來(lái)了ARM史上最大的性能和效率的飛躍——驍龍855較之驍龍845、麒麟980較之麒麟970都有著超過(guò)40%的CPU性能提升，同時(shí)電池壽命也有所延長(zhǎng)。用ARM的話來(lái)說(shuō)，Cortex-A76是一款“筆記本電腦”級(jí)別的高性能處理器架構(gòu)，同時(shí)還具有高效能，高通“驍龍牌筆記本”主打的“Always Connected PCs”概念就是這一優(yōu)勢(shì)的表現(xiàn)所在。

ARM最新發(fā)布的Cortex-A77，其代號(hào)為“Deimos（戴莫斯，畏懼之神），采用了和A76一脈相傳的CPU微架構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的優(yōu)化（圖6），并最終獲得了更高的IPC性能提升（有關(guān)IPC性能，請(qǐng)參考本刊上期的特別話題欄目）?？梢哉f(shuō)，A77架構(gòu)是站在“巨人肩膀”上的迭代之作，其性能自然值得期待。

再度提升的性能

由于Cortex-A77繼承了源自A76的微架構(gòu)，所以兩代核心在設(shè)計(jì)上存在很多共性。用ARM的話來(lái)說(shuō)，就是芯片供應(yīng)商（如高通、聯(lián)發(fā)科等）在構(gòu)建核心時(shí)可以非常容易地升級(jí)SoC的IP設(shè)計(jì)，不會(huì)花費(fèi)太多精力和成本，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期。

和Cortex-A76相比，A77核心的前端擁有更高的讀取帶寬，分支預(yù)測(cè)器的目標(biāo)緩沖容量提升了33%，從而降低了分支的誤判，提高了預(yù)測(cè)精度。同時(shí)，A77還帶來(lái)了全新的Macro-Op緩存結(jié)構(gòu)，添加了額外的整數(shù)ALU，新增了一個(gè)名為“系統(tǒng)感知預(yù)取”的功能，可避免不必要地沖擊共享緩存，從而提高整體系統(tǒng)性能。

根據(jù)ARM公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，在同樣使用7nm制程工藝、同樣運(yùn)行在3GHz頻率下時(shí)（僅限于理論，實(shí)際量產(chǎn)的旗艦SoC主頻多在2.6GHz-2.8GHz之間），新的Cortex-A77比起前代的Cortex-A76，內(nèi)存帶寬提升了20%，在SPEC int2006和Geekbench 4有著20%的性能提升，浮點(diǎn)性能則有30% -35%的提升（圖7）。在智能手機(jī)領(lǐng)域，網(wǎng)頁(yè)瀏覽恰巧是考驗(yàn)浮點(diǎn)運(yùn)算的殺手級(jí)應(yīng)用，所以A77浮點(diǎn)性能的大幅提升應(yīng)該可以進(jìn)一步提升實(shí)際體驗(yàn)。參考當(dāng)前驍龍855和麒麟980的表現(xiàn)，Cortex-A77的CPU性能應(yīng)該足以超過(guò)蘋果A12，并有望和蘋果還未發(fā)布的A13以及三星的下一代自研貓鼬M5核心競(jìng)爭(zhēng)。

了解Mali-G77 GPU

你被ARM Cortex-A77較前輩A76有著20%-25%的IPC性能提升且能耗保持不變驚到了？實(shí)際上，ARM最新的Mali-G77 GPU較前輩提升的幅度更大。

全新架構(gòu)的誘惑

與高通和蘋果SoC集成的GPU相比（如Adreno GPU），ARM自家的Mali系列GPU一直處于不溫不火的狀態(tài)，如果不是ARM的“親兒子”，其影響力可能還不如PowerVR系列GPU。為了彌補(bǔ)自家GPU在圖形領(lǐng)域的遺憾，ARM Mali-G77放棄了從Mali-G71到G76始終在“Bifrost”架構(gòu)上縫縫補(bǔ)補(bǔ)的策略，而是改用了名為“Valhall”的新一代架構(gòu)（圖8），其支持全新的ISA總線和計(jì)算核心設(shè)計(jì)，針對(duì)Al運(yùn)算設(shè)計(jì)了獨(dú)立的單元，著重增強(qiáng)了抗鋸齒、高分辨率以及Al輔助計(jì)算方面的性能，可以更好地適配未來(lái)4K分辨率的屏幕以及支持HDR游戲的頂級(jí)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)ARM的官方數(shù)據(jù)顯示，Mali-G77較之Mali-G76可以提升30%的性能和能效，Al性能更是提升了60%，每平方毫米的性能是G76的1.4倍（圖9）。和更早期的Mali-G72相比，Mali-G77的功耗還下降了50%，當(dāng)然，這個(gè)功耗部分大家不必太過(guò)在意，畢竟與Mali-G72搭配的還是10nm工藝，而Mali-G77即將用上最新的第二代7nm EUV工藝，功耗下降是必然的。

換句話說(shuō)，Mali-G77終于有了和高通855集成的Adreno 640 GPU抗衡的底蘊(yùn)。但是，ARM Mali系列GPU性能到底可以發(fā)揮幾何，最終還得看芯片供應(yīng)商為其配備多少計(jì)算核心，比如麒麟980和三星Exynos 9820都集成了Mali-G76，但麒麟980只為其準(zhǔn)備了10個(gè)計(jì)算核心，也就是Mali-G76MPlO，而Exynos 9820則用上了12個(gè)計(jì)算核心，即Mali-G76MP12，所以就3D性能而言還是后者更占優(yōu)勢(shì)。

此外，Mali-G77即將面對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，也將升級(jí)到驍龍865和蘋果A13，這些對(duì)手的GPU只會(huì)更強(qiáng)，屆時(shí)它們和Mali-G77相比孰優(yōu)孰劣？還得等時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。

小結(jié)

目前，聯(lián)發(fā)科已經(jīng)正式發(fā)布了全球首款采用Cortex-A77 CPU和Mali-G77 GPU打造的5G移動(dòng)平臺(tái)（圖10），而高通下一代驍龍865也將繼續(xù)基于Cortex-A77核心“魔改”。作為消費(fèi)者，我們當(dāng)然期待ARM官方給出的性能指標(biāo)不合水分，讓下一代旗艦手機(jī)可以更強(qiáng)。

至于ARM全新的CPU和GPU架構(gòu)能否威脅到X86在筆記本領(lǐng)域的統(tǒng)治？答案是很難，因?yàn)橛⑻貭栆呀?jīng)對(duì)主打低功耗的U系列移動(dòng)酷睿全面升級(jí)到了四核時(shí)代（圖11），結(jié)合AVX512、DL Boost等新指令集和Gen 11核心顯卡的加持，ARM面對(duì)的將是一個(gè)更強(qiáng)悍的對(duì)手。ARM在傳統(tǒng)PC領(lǐng)域最大的機(jī)會(huì)，應(yīng)該是極致輕薄、持久續(xù)航、專注輕辦公應(yīng)用環(huán)境的細(xì)分市場(chǎng)，它們只能作為原有市場(chǎng)的補(bǔ)充，而不是扮演現(xiàn)有產(chǎn)品替代者的角色。