驍龍865為啥最厲害？CPU和GPU架構瞭解下！

　　手機的“心臟”只有指甲蓋大小，但憑藉着高集成度的SoC身份，這種芯片卻完美詮釋了“麻雀雖小五臟俱全”的定義。

　　如果説指令集架構和製程工藝決定了SoC的天賦（詳見《硬核科普！為啥説SoC的性能取決於架構和工藝？》），那SoC的直觀戰鬥力則全看CPU GPU模塊的規格了。驍龍865之所以是Android手機圈綜合性能最強的SoC，就是源於其集成的GPU更加強悍。

　　接下來，我們就將SoC分解，並先來看看影響其絕對性能的這兩個關鍵模塊。

　　CPU：性能基石

　　在SoC的組成部分中，CPU是最關鍵的核心單元之一，我們可以將它理解為PC上的酷睿處理器，而它的強弱主要受到以下幾個參數的影響。

　　手機專用的SoC都屬於“ARM處理器”，而ARM公司與芯片廠商的合作則存在3種形式：

　　原生Cortex-A系列架構

　　ARM公司平均每年都會推出全新的“原生”（公版）架構，包括性能級的Cortex-A7x，以及效能級的Cortex-A5x，前者可以作為CPU中的“大核”，目前SoC正好處於Cortex-A76向Cortex-A77之間的過渡階段，2020年中旬ARM還將祭出Cortex-A78架構。

　　Cortex-A架構版本越高，性能越強

　　後者則屬於CPU中的“小核”，Cortex-A73或更早期的大核都會與Cortex-A53搭配，從Cortex-A75開始則與Cortex-A55“聯姻”，短期內ARM還沒有更新效能級核心架構的計劃。

　　基於Cortex的半定製化架構

　　芯片商在拿到ARM原生Cortex-A的架構後，可以對其進行一定程度的改造，從而實現更高性能、更多功能或更低功耗。

　　高通旗下的驍龍SoC總會採用名為“Kryo”的核心架構，而它們就都是基於原生Cortex-A架構半定製化而來，業內人士還習慣將這種形式稱為“魔改”。

　　華為從麒麟980開始，包括最新推出的麒麟820，也是主打Cortex-A Based，理論上也是一種半定製化的魔改。

　　基於指令集的自研架構

　　如果芯片商只憑借ARM的指令集授權，並在此基礎上研發芯片，則可被歸類到“自研”架構。

　　比如驍龍820採用的Kryo核心、三星貓鼬（Mongoose）核心、蘋果從A5往後的SoC就都採用了在ARM指令集基礎上的自研CPU架構。

　　從ARM授權的成本角度來看，採用原生架構的授權費用最低，魔改次之，基於指令集的授權最高，而且芯片商想在ARM指令集基礎上加以定製優化以形成自己獨特的設計，還需要強大的研發實力，所以目前只有蘋果、高通和三星有所涉獵。

　　從性能的角度來看，不同時期的架構之間則存在明顯的性能壓制，比如Cortex-A77天生就比Cortex-A76更強，但同一時期的原生、魔改和自研架構之間的差異其實並不大，主要還是受制於核心數量、多叢集和最高主頻方面的影響。

　　多叢集設計

　　我們都知道Cortex-A7x性能比Cortex-A5x更強，為什麼沒有SoC採用全部由Cortex-A7x打造的多核處理器？

　　答案很簡單，高性能的背後就是高功耗，為了讓智能手機可以具備至少一天一充的續航底線，手機SoC必然要採取“大小核”（Cortex-A73之前稱Big.Little，Cortex-A75之後為DynamIQ Big.Little）的搭配策略。

　　從Cortex-A75開始，DynamIQ技術可以實現更靈活的核心搭配

　　為了更好地權衡性能和功耗，手機SoC在“大小核”的基礎上還引入了“多叢集”的概念，比如聯發科天璣1000就是了“4 4”雙叢集的代表，由4×Cortex-A77和4×Cortex-A55共計8個CPU核心構成。

　　麒麟990和驍龍865都是三叢集代表，差異是前者採用了“2 2 4”（2×A76 2×A76 4×A55），後者則是“1 3 4”（1×Kryo 585 3×Kryo 585 4×Kryo 585），即大核 中核 小核三種核心搭配的策略。

　　在不考慮功耗的前提下，自然是大核架構越先進，數量越多性能越強。

　　驍龍865的三叢集設計

　　但是，現實中SoC在全速運行（玩遊戲）時CPU非常容易因過熱而觸發降頻機制，從而導致性能驟降引起卡頓問題。

　　因此，“2 6”的雙叢集和“1 3 4”或“2 2 4”的三叢集設計正逐漸成為主流。

　　運行頻率

　　CPU的性能強弱，除了受制於核心架構和多叢集設計，運行頻率的影響總是更加立竿見影。

　　我們都知道Cortex-A77架構比Cortex-A76架構強，但2019底才剛剛量產的聯發科1000L（大核為Cortex-A77）的CPU性能卻還不如2018年底上市的麒麟980（大核為Cortex-A76）。

　　原因很簡單，聯發科1000L的大核主頻只有2.2GHz，而麒麟980的主頻則高達2.6GHz，更高的主頻足以彌補核心架構和大核數量上的劣勢。

　　相同SoC的手機之間，散熱設計越好的手機性能往往也是最強的

　　因此，對於同期同級別的SoC而言，誰的CPU主頻更高，往往更容易取得性能上優勢。當然，前提是手機自身的散熱設計必須過硬，可以讓CPU長時間運行在預設的最高主頻上。

　　GPU：遊戲引擎

　　GPU是SoC中重要性僅次於CPU的單元，我們可以將它理解為PC上的獨立顯卡，一款手機能支持多高的分辨率、刷新率、玩遊戲能跑出多少幀數，幾乎都需要看GPU的臉色。

　　GPU品牌

　　和SoC中的CPU單元由ARM一家獨大不同，其集成的GPU單元還未江湖一統，在Android手機領域正處於“三國爭霸”的格局——高通旗下的驍龍SoC全部集成自家Adreno品牌的GPU，華為/三星旗下的SoC則青睞ARM公司推出的Mali品牌GPU，聯發科則經常“腳踏兩隻船”，ARM Mali GPU和Imagination公司的PowerVR GPU都有所涉獵。

　　據悉，三星已經攜手AMD，在未來Exynos SoC很可能會集成由AMD授權的RDNA架構GPU，而華為也正在開展自研GPU的項目。

　　核心架構

　　和ARM CPU架構總在不斷升級一樣，各個品牌的GPU每隔1年~2年也會完成一次迭代。

　　其中，高通Adreno GPU剛剛完成了Adreno 500向Adreno 600的全面升級，從定位中低端的驍龍665（Adreno 610）到最新的頂級旗艦驍龍865（Adreno 650），Adreno 6x0中的“x”數字越大代表性能越強。

　　ARM Mali品牌的高端GPU正經歷由Mali-G76（與Cortex-A76 CPU搭配）向Mali-G77（與Cortex-A77 CPU搭配）過渡，而中端GPU很快也要從Mali-G52升級到Mali-G53。

　　ARM Mali GPU的發展路線

　　在大的方向上，Mali-G7x肯定強過Mali-G5x，並同樣是“x”數字越大代表性能越強。Imagination GPU很快也要從第九代（PowerVR 9）過渡到第十代（PowerVR IMG A），考慮到該系列GPU比較小眾，我們就不在本文贅述了。

　　如果你想了解更多手機GPU的歷史和相關技術，請參考《手機處理器的GPU誰最強？看完這篇文章你就懂了！》這篇文章。

　　計算單元

　　在現實中，很多GPU都採用相同架構的核心，但它們的GPU性能卻存在很大的差異。

　　比如，驍龍675（Adreno 612）和驍龍730（Adreno 618）集成的都是Adreno 61x系列GPU，麒麟990和Exynos 980集成的也都是Mali-G76 GPU，但它們兩兩之間的3D性能卻不可同日而語。

　　DIY用户都知道，PC領域的獨立顯卡會根據不同數量的“流處理器”來劃分檔次。

　　手機SoC內的GPU也是如此，只是這裏的“流處理器”叫法不同，高通Adreno GPU稱做“ALUs”，ARM Mali GPU則叫“Shader Core”，我們習慣將它們統稱為“計算單元”。

　　還是以麒麟990和Exynos 980為例，前者為Mali-G76 GPU搭配了16個計算單元，即Mali-G76MP16，而後者的計算單元數量只有5個，即Mali-G76MP5，所以麒麟990的3D性能至少2倍~3倍於Exynos 980。

　　圖形接口

　　在3D遊戲的開發中，API圖形接口越先進，GPU的執行效率越高。

　　如果手機GPU恰好支持這種API，就能最大限度避免“負優化”，還有機會實現“越級挑戰”。

　　手機SoC GPU所支持的API主要以OpenCL、OpenGL、Vulkan和DirectX為主，目前它們最新的版本分別為OpenCL 2.0FP、OpenGL ES3.2、Vulkan 1.1和DX12，很多最新的GPU加入了多神經網絡加速器的優化，可配合NPU單元進一步加速AI運算。

　　從2018年底開始很多中端手機玩《王者榮耀》也能啓動60FPS模式並比同時期的旗艦級還要流暢，就是因為該遊戲推出了Vulkan API的優化版，可以進一步釋放新款GPU的全部潛力。

　　和CPU一樣，GPU的強弱除了架構之外，也受到運行頻率的牽制。聯發科Helio G90、驍龍730和驍龍765是最具代表性的SoC，它們都存在一個後綴帶“G”的型號，通過提升CPU和GPU的頻率獲得了更強的性能（表2）。

　　如果你只關注絕對性能，看到這裏就能告一段落了。

　　當我們看到一款陌生的SoC時，可以先看製程工藝，如果它能採用7nm或7nm EUV就代表它具備更加節能省電的特性。

　　然後看CPU架構和主頻，Cortex-A77和Kryo 500核心代表着當前架構的最強音，當CPU主頻高於2.6GHz那它就具備旗艦級的CPU性能，如果低於2.4GHz就是中等偏上。

　　如果你喜歡玩遊戲，就需要看它的GPU是Mali-G7x還是Mali-G5x，並數一下計算單元的數量，多多益善。

　　然而，手機並不僅限於跑分和玩遊戲，在追求更強性能之餘，它在日常應用環境下的表現，往往要比絕對的性能更加重要。比如，基帶、DSP、ISP等單元，如果你對它們的作用感興趣，請關注CFan的後續報道。