先從三星和AMD的攜手談起

在2019年6月初，手機(jī)圈傳出了一個(gè)重磅的消息——AMD與三星聯(lián)合宣布達(dá)成多年戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，三星將獲得AMD Radeon圖形API授權(quán)并專注于加強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備（只限智能手機(jī)和平板電腦等AMD沒(méi)有參與競(jìng)爭(zhēng)的細(xì)分市場(chǎng)）創(chuàng)新至關(guān)重要的高級(jí)圖形技術(shù)和解決方案（圖2）。官方透露的細(xì)節(jié)不多，暫時(shí)只能確認(rèn)AMD會(huì)將“高度可擴(kuò)展的RDNA圖形架構(gòu)”對(duì)三星授權(quán)。

那么，RDNA是什么？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，RDNA（Radeon DNA）是AMD在顯卡領(lǐng)域推出的最新GPU架構(gòu)，它是史上最長(zhǎng)壽GPU架構(gòu)“GCN”（2011年?2019年）的接班人，其在CU計(jì)算單元、緩存、流水線等方面都進(jìn)行了革新，擁有更好的性能（滿足現(xiàn)代游戲的負(fù)載需求）、能效（充分優(yōu)化功耗和帶寬利用率）、功能（壯大相關(guān)生態(tài)）和擴(kuò)展能力（通吃移動(dòng)、桌面和云端）。可以說(shuō)，RDNA是一個(gè)全方位重新設(shè)計(jì)的架構(gòu)，也開(kāi)啟了AMD顯卡歷史上第五個(gè)重大架構(gòu)的新時(shí)代。

那么，三星未來(lái)的Exynos（獵戶座）移動(dòng)平臺(tái)會(huì)直接集成RDNA架構(gòu)的GPU嗎？

答案自然是否定的。AMD長(zhǎng)期以來(lái)都缺乏ARM生態(tài)的經(jīng)驗(yàn)（AMD曾涉足過(guò)ARM服務(wù)器，但很快就放棄了），而手機(jī)SoC集成GPU最核心的要求就是低功耗和高能效，AMD現(xiàn)有的GPU技術(shù)顯然不符合移動(dòng)設(shè)備的基本訴求。

實(shí)際上，三星近些年一直在進(jìn)行CPU和GPU的自研（自主研發(fā)）工作，在CPU架構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)有了基于ARM指令集自研成功的“貓鼬”（Mongoose，如Exynos M3/M4）核心，并通過(guò)Exynos 9810和Exynos 9820等移動(dòng)平臺(tái)打出了不小的聲望（圖3）。

在GPU領(lǐng)域，有消息稱三星早在2012年就開(kāi)展了自研“S-GPU”的項(xiàng)目（圖4），此次三星與AMD方面合作，需要的只是在GPU中融入AMD Radeon的部分圖形IP，不可能照搬整個(gè)RDNA架構(gòu)。同時(shí)，雙方合作還涉及到相關(guān)的專利授權(quán)，規(guī)避將來(lái)可能的法律糾紛，畢竟聯(lián)發(fā)科就是一個(gè)很好的前車之鑒。

擴(kuò)展閱讀

2015年的MWC大展上，有消息稱聯(lián)發(fā)科在移動(dòng)SoC圖形計(jì)算領(lǐng)域與AMD達(dá)成合作，而這則消息最終也沒(méi)有被官方證實(shí)。2019年初，AMD將聯(lián)發(fā)科告上了法庭，稱聯(lián)發(fā)科的智能設(shè)備侵犯了其APU和GPU相關(guān)的多項(xiàng)專利。要知道，聯(lián)發(fā)科旗下的SoC集成的都是ARM或Imagination旗下的GPU。

有了AMD圖形IP的注入，可以讓三星將更多的精力投入到對(duì)自研CPU核心“貓鼬”的打磨之中，而AMD在PC領(lǐng)域的知名度，也可幫助三星與高通、華為和聯(lián)發(fā)科展開(kāi)差異化競(jìng)爭(zhēng)——看到?jīng)]？我集成的可是AMD GPU！與此同時(shí)，當(dāng)三星Exynos CPU和集成AMD RDNA基因的GPU搭配后，也許還會(huì)對(duì)一個(gè)產(chǎn)業(yè)造成沖擊，它就是以任天堂Switch為代表的游戲掌機(jī)（圖5）。三星+AMD能否取代英偉達(dá)Tegra X1和其后續(xù)芯片在掌機(jī)領(lǐng)域的獨(dú)占？讓我們拭目以待吧。

高通和AMD不得不說(shuō)的故事

高通驍龍移動(dòng)平臺(tái)集成的Adreno GPU，應(yīng)該是Android手機(jī)領(lǐng)域的最強(qiáng)音，也是唯一可以和同期蘋果A系列芯片集成GPU抗衡的存在。但你可曾知道，作為高通獨(dú)有的“自研”GPU，Adreno原本也是AMD的“血脈”嗎？

Adreno的前身其實(shí)是誕生于2002年的ATllmageon系列低功耗GPU，原本是被用于預(yù)裝PalmOS系統(tǒng)的Zodiac掌機(jī)。ATI被AMD收購(gòu)后（圖6），AMD又將相關(guān)的移動(dòng)設(shè)備資產(chǎn)在2008年打包甩給了高通，于是后者就取得了AMD（ATI）的矢量繪圖與3D繪圖技術(shù)和相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了我們熟悉的Adreno GPU（圖7）。

如果AMD當(dāng)年沒(méi)有賣掉原ATI Imageon，英特爾當(dāng)年沒(méi)有出售XScale（擁有StrongARM與ARM架構(gòu)的完整授權(quán)）及手持設(shè)備芯片業(yè)務(wù)，這兩大X86芯片巨頭也許都會(huì)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代取得更大的成就。

Adreno GPU如何判斷強(qiáng)弱

在Android手機(jī)領(lǐng)域，高通驍龍移動(dòng)平臺(tái)占據(jù)了大半江山，Adreno也是我們熟悉和最不熟悉的GPU。說(shuō)它熟悉，是因?yàn)楦咄看伟l(fā)布新款驍龍移動(dòng)平臺(tái)時(shí)，媒體總會(huì)強(qiáng)調(diào)它集成了Adreno xxx型號(hào)的GPU（圖8），較上代提升了多少多少，耳朵都磨出繭了;說(shuō)它不熟悉，是因?yàn)锳dreno GPU型號(hào)太多太亂，以至于我們很難從名稱上去判斷同一代的Adreno GPU之間相對(duì)的性能等級(jí)。

這一點(diǎn)在Adreno 5系GPU時(shí)期表現(xiàn)得尤為明顯（表1）。比如，Adreno 506（驍龍625）從型號(hào)數(shù)字上只比Adreno 505（驍龍430）+1，但前者的性能卻較后者提升了幾乎2倍。Adreno 508（驍龍630）比Adreno 506+2，但其性能卻只提升了30%，完全沒(méi)有規(guī)律可言。

為了搞明白上面的問(wèn)題，我們需要了解影響Adreno GPU性能的關(guān)鍵參數(shù)。拋開(kāi)核心架構(gòu)、渲染方式和各種圖形接口不談，Adreno GPU的性能發(fā)揮主要受制于制程工藝、ALU（計(jì)算單元，又稱算數(shù)邏輯單元）的數(shù)量以及GPU頻率的高低。

我們可以將Adreno GPU集成的ALUs計(jì)算單元理解為PC顯卡中的“流處理器”，在架構(gòu)相同時(shí)數(shù)量越多性能越強(qiáng)。可惜，高通官方從來(lái)沒(méi)有公開(kāi)過(guò)Adreno GPU的ALUs數(shù)量，本文和網(wǎng)上相關(guān)的數(shù)據(jù)都是用戶自己檢測(cè)所得，因此僅供大家參考。

對(duì)GPU而言，制程工藝越先進(jìn)，在相同的發(fā)熱和功耗水平上就能以更高頻率運(yùn)行，對(duì)性能同樣有著較大的增益效果。Adreno 506相較Adreno 505有著巨大的性能提升，就是得益于更多的ALUs數(shù)量和工藝升級(jí)帶來(lái)的頻率提升。同理，Adreno 512相較Adreno 508、Adreno 530相較Adreno 512也都是受上述因素的影響。

如今，Adreno GPU已經(jīng)全面進(jìn)化到了Adreno 6系時(shí)代，其最大的特色是支持完整的OpenCL 2.0FP、OpenGL ES3.2、DX12和Vulkan1.1等圖形接口（圖9）。可惜，關(guān)于它們具體的ALUs數(shù)量和頻率，筆者并沒(méi)能找到準(zhǔn)確的資料，所以本文我們只通過(guò)3DMark和GFXBench這兩個(gè)專業(yè)測(cè)試軟件，對(duì)Adreno 6系GPU的理論性能進(jìn)行一番對(duì)比（表2）。

我們以驍龍6 6 0集成的Adreno 512作為基準(zhǔn)（100%），可以更加直觀地了解Adreno 6系GPU的差異。其中，Adreno 610和Adreno 612雖然數(shù)字序列更高，但綜合性能其實(shí)和Adreno 512相差無(wú)幾。從Adreno 615到Adreno 618之間的性能依次略增，在其背后就是不同的ALUs單元和GPU頻率組合帶來(lái)的差異。

作為高通2018年度的旗艦，驍龍845（Adreno 630）之所以具備秒殺高通最新推出的驍龍730（Adreno 618）的3D性能，是因?yàn)锳dreno 630集成了高達(dá)512個(gè)ALUs單元，而驍龍730的ALUs應(yīng)該是不足256個(gè)（很抱歉沒(méi)找到具體的參數(shù)）。

需要注意的是，從2018年下半年開(kāi)始，高通最新推出的驍龍SoC移動(dòng)平臺(tái)都強(qiáng)化了AI運(yùn)算能力，它們會(huì)借助一部分GPU內(nèi)的ALUs單元，再結(jié)合Hexagon內(nèi)集成的HVX單元，與CPU一起組成高通特有的驍龍AI Engine人工智能平臺(tái)（圖10）。

換句話說(shuō)，在最新的驍龍移動(dòng)平臺(tái)中，更多的ALUs單元并不能換來(lái)等同的性能提升。以驍龍855為例，高通曾透露這顆芯片（較驍龍845）增加了50%的算數(shù)邏輯單元，也就是ALUs單元從512個(gè)提升到768個(gè)，但從Adreno 640和Adreno 630之間的實(shí)際性能差異來(lái)看，增加的50%的ALUs僅換來(lái)了20%左右的性能增益，顯然其中有不少被高通拿來(lái)用于AI運(yùn)算了。據(jù)一些專業(yè)人士測(cè)試分析，Adreno 630的512個(gè)ALUs中有一半（256個(gè)）都用做了異構(gòu)AI運(yùn)算，用于彌補(bǔ)驍龍移動(dòng)平臺(tái)沒(méi)有獨(dú)立NPU單元的缺陷。

總之，驍龍移動(dòng)平臺(tái)中“最能打”的無(wú)非就是驍龍845和驍龍855，驍龍7系和驍龍6系的GPU之間也存在不小的差距。因此，如果你希望購(gòu)買一款能以滿幀運(yùn)行絕大多數(shù)游戲的手機(jī)，認(rèn)準(zhǔn)驍龍8系還是很有必要的。至于驍龍6系，在驍龍710都降到千元價(jià)位之際，除非你不怎么玩游戲，否則還是敬而遠(yuǎn)之吧。

蘋果和Imagination的情仇

在智能手機(jī)領(lǐng)域，目前能憑自己打造GPU的芯片設(shè)計(jì)廠商只有高通和蘋果，高通的Adreno GPU源于AMD，而蘋果設(shè)備的GPU則離不開(kāi)Imagination Technologies公司的扶持。

Imagination也是很早就進(jìn)軍GPU市場(chǎng)的公司之一，只是為了避開(kāi)英偉達(dá)和ATI的鋒芒，該公司更加專注于對(duì)超低功耗移動(dòng)GPU的打磨，2001年推出的PowerVR MBX GPU曾被集成在英特爾、飛思卡爾、德州儀器和三星的SoC上，并成就了第一代iPhone、諾基亞N95和戴爾Axim X50v（PDA掌上電腦）這些經(jīng)典設(shè)備（圖11）。

Imagination的第五代PowerVR SGX系列應(yīng)該是知名度最高的GPU（如SGX530、SGX535），蘋果A4、三星Exynos和德儀0MAP3系列SoC都是它的客戶，索尼PSV掌機(jī)上集成的也是四核心的PowerVR SGX544MP4。隨后，PowerVR逐漸變成了蘋果“獨(dú)占”的GPU，其他品牌（如聯(lián)發(fā)科、全志、瑞芯微和晶晨等）即便偶有合作，集成的PowerVR GPU也多是低端型號(hào)，待遇與“金主”蘋果相差甚遠(yuǎn)。然而，也正是因?yàn)樘^(guò)依賴蘋果，為Imagination的沒(méi)落埋下了伏筆。

Apple A10處理器應(yīng)該算是蘋果和Imagination的最后一次合作，其集成的PowerVR GT7600 GPU甚至可以領(lǐng)先同期的Adreno 540（驍龍835），讓iPhone 7系列成為了當(dāng)年性能最強(qiáng)的智能手機(jī)（實(shí)際上每一代iPhone基本都是同期最強(qiáng)）。

可惜，從A11芯片開(kāi)始（圖12），蘋果正式拋棄Imagination而改用自研GPU，該芯片的GPU配置了6個(gè)著色器核心，每2個(gè)核心共享一個(gè)Texture單元，類似的設(shè)計(jì)和PowerVR GPU很像，所以有不少玩家都稱蘋果GPU是腳踏Imagination上位的? 蘋果自研GPU的消息傳出后，Imagination很快就陷入了運(yùn)營(yíng)危機(jī)，時(shí)至今日只有聯(lián)發(fā)科Helio P60（PowerVR GM9446）、P35和P22（PowerVR GE8320）等極少數(shù)SoC選擇與Imagination合作集成PowerVR GPU，從iOS生態(tài)圈的唯一霸主淪落到GPU領(lǐng)域的“其他”，Imagination的境遇令人唏噓不已。

目前Imagination最新的GPU解決方案包括PowerVR 9XEP/9XMP/9XTP（定位依次升高），9XEP和9XMP采用了較舊的Rogue架構(gòu)，主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是ARM旗下的Mali-G72。而9XTP則由最新的Furian架構(gòu)打造（圖13），每個(gè)ALU增加到40條流水線，支持4K 120FPS、HDR、Vulkan API、Android神經(jīng)計(jì)算API等先進(jìn)技術(shù)，理論上可以用來(lái)和ARM Mali-G76/G77抗衡。

ARM的“親兒子”Mali GPU

接下來(lái)就輪到ARM自己的“親兒子”——Mali系列GPU了。作為和Cortex A系列CPU架構(gòu)搭檔的它，也是Android手機(jī)圈市占率僅次于高通Adreno GPU的存在，海思麒麟、三星Exynos、聯(lián)發(fā)科Helio，我們熟悉的絕大多數(shù)非高通系SoC都直接選擇了與Mali GPU聯(lián)姻。

在2019年第14期《新旗艦手機(jī)的動(dòng)力之源淺析ARM最新的CPU和GPU核心》一文中，我們解讀了ARM最新Cortex-A77 CPU和Mali-G77 GPU的特色，所以本文就不再贅述，只是簡(jiǎn)單介紹一下Mali GPU的特別之處。

和Adreno GPU相比，Mal便加注重GPU的核心數(shù)量，將較多的GPU核心封裝成一個(gè)更大規(guī)模的GPU矩陣，就是Mali GPU拉升性能的不二法門（圖14）。比如在Mali-G72時(shí)代，麒麟970就集成了12個(gè)核心的Mali-G72MP12，三星Exynos 9810更厲害，一股腦兒塞進(jìn)了18個(gè)核心（Mali-G72MP18）。但是，GPU核心越多，發(fā)熱量和功耗也將隨之變大，此時(shí)SoC廠商的選擇通常是降低GPU頻率以及關(guān)掉部分核心來(lái)達(dá)到控制功耗的目的。

換句話說(shuō)，Mali-GPU的核心數(shù)量是存在一個(gè)臨界值的，超過(guò)這個(gè)核心數(shù)量就必須降低GPU頻率，最終導(dǎo)致增加GPU核心的數(shù)量和對(duì)應(yīng)的性能提升不成比例（1+1<2）。因此，如何將有限的芯片面積分配給Cortex-A CPU和Mali GPU，并合理控制Mali GPU的規(guī)模和頻率，發(fā)揮最佳的能效比，這就是ARM交給SoC廠商們的期末考試了。

總之，高通Adreno和ARM Mali是當(dāng)前Android手機(jī)領(lǐng)域的主力，Adreno GPU的規(guī)格和性能取決于驍龍移動(dòng)平臺(tái)的型號(hào)，比較起來(lái)相對(duì)容易。ARM Mali GPU涉及Mali型號(hào)（如Mali-G52、Mali-G72、Mali-G76）、核心數(shù)量（后綴是MPx），以及與它們搭配的CPU架構(gòu)和主頻，無(wú)論是綜合、CPU還是GPU性能都需要我們耗費(fèi)更多精力對(duì)比。當(dāng)三星帶來(lái)AMD授權(quán)IP的自研GPU，Imagination得到更多SoC芯片廠商的支持，想想就頭大了吧？因此，如果你想了解最新移動(dòng)GPU的動(dòng)態(tài)和選購(gòu)建議，敬請(qǐng)期待CFan同期的最新報(bào)道吧。