游戲娛樂的動力之源

先從三星和AMD的攜手談起

在2019年6月初，手機圈傳出了一個重磅的消息——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)并專注于加強移動設(shè)備（只限智能手機和平板電腦等AMD沒有參與競爭的細(xì)分市場）創(chuàng)新至關(guān)重要的高級圖形技術(shù)和解決方案（圖2）。官方透露的細(xì)節(jié)不多，暫時只能確認(rèn)AMD會將“高度可擴展的RDNA圖形架構(gòu)”對三星授權(quán)。

那么，RDNA是什么？

簡單來說，RDNA（Radeon DNA）是AMD在顯卡領(lǐng)域推出的最新GPU架構(gòu)，它是史上最長壽GPU架構(gòu)“GCN”（2011年?2019年）的接班人，其在CU計算單元、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)）和擴展能力（通吃移動、桌面和云端）。可以說，RDNA是一個全方位重新設(shè)計的架構(gòu)，也開啟了AMD顯卡歷史上第五個重大架構(gòu)的新時代。

那么，三星未來的Exynos（獵戶座）移動平臺會直接集成RDNA架構(gòu)的GPU嗎？

答案自然是否定的。AMD長期以來都缺乏ARM生態(tài)的經(jīng)驗（AMD曾涉足過ARM服務(wù)器，但很快就放棄了），而手機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)顯然不符合移動設(shè)備的基本訴求。

實際上，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Exynos 9810和Exynos 9820等移動平臺打出了不小的聲望（圖3）。

在GPU領(lǐng)域，有消息稱三星早在2012年就開展了自研“S-GPU”的項目（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RDNA架構(gòu)。同時，雙方合作還涉及到相關(guān)的專利授權(quán)，規(guī)避將來可能的法律糾紛，畢竟聯(lián)發(fā)科就是一個很好的前車之鑒。

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2015年的MWC大展上，有消息稱聯(lián)發(fā)科在移動SoC圖形計算領(lǐng)域與AMD達(dá)成合作，而這則消息最終也沒有被官方證實。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)科展開差異化競爭——看到?jīng)]？我集成的可是AMD GPU！與此同時，當(dāng)三星Exynos CPU和集成AMD RDNA基因的GPU搭配后，也許還會對一個產(chǎn)業(yè)造成沖擊，它就是以任天堂Switch為代表的游戲掌機（圖5）。三星+AMD能否取代英偉達(dá)Tegra X1和其后續(xù)芯片在掌機領(lǐng)域的獨占？讓我們拭目以待吧。

高通和AMD不得不說的故事

高通驍龍移動平臺集成的Adreno GPU，應(yīng)該是Android手機領(lǐng)域的最強音，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，作為高通獨有的“自研”GPU，Adreno原本也是AMD的“血脈”嗎？

Adreno的前身其實是誕生于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。ATI被AMD收購后（圖6），AMD又將相關(guān)的移動設(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)年沒有賣掉原ATI Imageon，英特爾當(dāng)年沒有出售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芯片巨頭也許都會在移動互聯(lián)網(wǎng)時代取得更大的成就。

Adreno GPU如何判斷強弱

在Android手機領(lǐng)域，高通驍龍移動平臺占據(jù)了大半江山，Adreno也是我們熟悉和最不熟悉的GPU。說它熟悉，是因為高通每次發(fā)布新款驍龍移動平臺時，媒體總會強調(diào)它集成了Adreno xxx型號的GPU（圖8），較上代提升了多少多少，耳朵都磨出繭了;說它不熟悉，是因為Adreno GPU型號太多太亂，以至于我們很難從名稱上去判斷同一代的Adreno GPU之間相對的性能等級。

這一點在Adreno 5系GPU時期表現(xiàn)得尤為明顯（表1）。比如，Adreno 506（驍龍625）從型號數(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%，完全沒有規(guī)律可言。

為了搞明白上面的問題，我們需要了解影響Adreno GPU性能的關(guān)鍵參數(shù)。拋開核心架構(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計算單元理解為PC顯卡中的“流處理器”，在架構(gòu)相同時數(shù)量越多性能越強?？上?，高通官方從來沒有公開過Adreno GPU的ALUs數(shù)量，本文和網(wǎng)上相關(guān)的數(shù)據(jù)都是用戶自己檢測所得，因此僅供大家參考。

對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行，對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)量和工藝升級帶來的頻率提升。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）?？上?，關(guān)于它們具體的ALUs數(shù)量和頻率，筆者并沒能找到準(zhǔn)確的資料，所以本文我們只通過3DMark和GFXBench這兩個專業(yè)測試軟件，對Adreno 6系GPU的理論性能進(jìn)行一番對比（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，但綜合性能其實和Adreno 512相差無幾。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，是因為Adreno 630集成了高達(dá)512個ALUs單元，而驍龍730的ALUs應(yīng)該是不足256個（很抱歉沒找到具體的參數(shù)）。

需要注意的是，從2018年下半年開始，高通最新推出的驍龍SoC移動平臺都強化了AI運算能力，它們會借助一部分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（圖10）。

換句話說，在最新的驍龍移動平臺中，更多的ALUs單元并不能換來等同的性能提升。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個提升到768個，但從Adreno 640和Adreno 630之間的實際性能差異來看，增加的50%的ALUs僅換來了20%左右的性能增益，顯然其中有不少被高通拿來用于AI運算了。據(jù)一些專業(yè)人士測試分析，Adreno 630的512個ALUs中有一半（256個）都用做了異構(gòu)AI運算，用于彌補驍龍移動平臺沒有獨立NPU單元的缺陷。

總之，驍龍移動平臺中“最能打”的無非就是驍龍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，如果你希望購買一款能以滿幀運行絕大多數(shù)游戲的手機，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

在智能手機領(lǐng)域，目前能憑自己打造GPU的芯片設(shè)計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Imagination Technologies公司的扶持。

Imagination也是很早就進(jìn)軍GPU市場的公司之一，只是為了避開英偉達(dá)和ATI的鋒芒，該公司更加專注于對超低功耗移動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掌機上集成的也是四核心的PowerVR SGX544MP4。隨后，PowerVR逐漸變成了蘋果“獨占”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，待遇與“金主”蘋果相差甚遠(yuǎn)。然而，也正是因為太過依賴蘋果，為Imagination的沒落埋下了伏筆。

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)年性能最強的智能手機（實際上每一代iPhone基本都是同期最強）。

可惜，從A11芯片開始（圖12），蘋果正式拋棄Imagination而改用自研GPU，該芯片的GPU配置了6個著色器核心，每2個核心共享一個Texture單元，類似的設(shè)計和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很快就陷入了運營危機，時至今日只有聯(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)，主要競爭對手是ARM旗下的Mali-G72。而9XTP則由最新的Furian架構(gòu)打造（圖13），每個ALU增加到40條流水線，支持4K 120FPS、HDR、Vulkan API、Android神經(jīng)計算API等先進(jìn)技術(shù)，理論上可以用來和ARM Mali-G76/G77抗衡。

ARM的“親兒子”Mali GPU

接下來就輪到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《新旗艦手機的動力之源淺析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時代，麒麟970就集成了12個核心的Mali-G72MP12，三星Exynos 9810更厲害，一股腦兒塞進(jìn)了18個核心（Mali-G72MP18）。但是，GPU核心越多，發(fā)熱量和功耗也將隨之變大，此時SoC廠商的選擇通常是降低GPU頻率以及關(guān)掉部分核心來達(dá)到控制功耗的目的。

換句話說，Mali-GPU的核心數(shù)量是存在一個臨界值的，超過這個核心數(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手機領(lǐng)域的主力，Adreno GPU的規(guī)格和性能取決于驍龍移動平臺的型號，比較起來相對容易。ARM Mali GPU涉及Mali型號（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，無論是綜合、CPU還是GPU性能都需要我們耗費更多精力對比。當(dāng)三星帶來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GPU的動態(tài)和選購建議，敬請期待CFan同期的最新報道吧。