全面剖析華為Mate 40麒麟9000

華為Mate 40系列手機中國區(qū)的發(fā)布會今天剛剛在上海舉辦，其中最引人注目的部分自然就是在這個特殊歷史時期出現(xiàn)的海思麒麟(Kirin)9000 SoC了。華為照例在手機發(fā)布會前，小規(guī)模召開了一次麒麟芯片媒體溝通會。

有關(guān)Mate 40系列手機本身，我將另外撰文，與本文同期發(fā)布。本文主要探討麒麟9000這顆芯片——雖然電子工程專輯此前已經(jīng)在這款手機的全球發(fā)布會期間，對這顆芯片做了簡單的探討，我還是希望能夠更全面地來呈現(xiàn)這顆，未來回看可能具有歷史意義的SoC。

本文篇幅較長，主體上分成5個部分。各位可按照自己感興趣的話題，選擇性閱讀：

(1)配置總覽

(2)CPU

(3)GPU

(4)NPU(與ISP)

(5)5G

153億個晶體管，配置一覽

麒麟9000系列SoC主要包含兩個型號，分別是麒麟9000和麒麟9000E。這兩者的主要區(qū)別是9000E的GPU少兩個核心，以及NPU少一個大核。猜測這可能會是個更經(jīng)濟的做法，因為153億個晶體管實在是很大的規(guī)模：蘋果A14也“不過”118億晶體管(當然A14不帶modem)。其中這次的Mali G78 GPU鋪滿24個核心的實施方案，算是巨大規(guī)模了。又還是初代5nm工藝，考慮到良率問題——通過binning的方式，在產(chǎn)線上劃分出一個9000E，顯然會更經(jīng)濟。

首先當然還是看一看麒麟9000的主要配置情況：

CPU：1x Cortex-A77 3.13GHz，3x Cortex-A77 2.56GHz，4x Cortex-A55 2.05GHz

GPU：Mali G78MP24(9000E為MP22)

NPU：Da Vinci，2x Big-Core，1x Tiny-Core(9000E的Big-Core是1個)

內(nèi)存：LPDDR4X-2133/LPDDR5-2750

Modem：Balong 5000(Sub-6G，下行雙載波4.6Gbps，上行雙載波2.5Gbps)

ISP：6.0，Quad pipeline，3A(AE/AWB/AF)處理能力提升100%，處理管線速度提升50%

其他：HiFi Audio，4K HDR Video，Mobile Secure Processor

工藝：臺積電5nm(N5?)

這其中比較令人在意的有幾點，其一是CPU部分用的是Cortex-A77。已經(jīng)上市半年多的驍龍865用的就是A77。Arm實則已經(jīng)發(fā)布了Cortex-A78和X1。傳言未來的高通驍龍875和Exynos 1080都會采用Cortex-A78。起碼在新IP的采用上，麒麟芯片晚了一步。另外GPU部分，華為直接跳過了Mali G77，轉(zhuǎn)而采用Mali G78。這些都會在下文做探討。

除此之外，今年華為似乎格外在意AI的應用——雖然現(xiàn)在看來Android NN生態(tài)(以及華為HiAI)建設(shè)仍然比較初級，華為也仍然期望在拍照之外，讓算力在行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的NPU有更多的用武之地。

尤為值得一提的是，華為今年公布相關(guān)麒麟SoC與競品的對比數(shù)據(jù)，華為Fellow艾偉在臺上呈現(xiàn)的內(nèi)容，都更多的出現(xiàn)了“效率”和“能效”，而不再只是單純的性能。這一點實則也是麒麟SoC已經(jīng)完全步入成熟的依據(jù)：電子工程專輯的微信服務號很快會發(fā)布一篇海思手機SoC從K3V2時期開始，至麒麟9000這8年來的發(fā)展歷程總結(jié)文章。這8年是非常典型的由青澀走向成熟，從差強人意邁向一流的過程。

CPU：一次常規(guī)升級

麒麟9000 CPU部分是1+3+4組合結(jié)構(gòu)，這種組合方法原本也是DynamIQ靈活性的體現(xiàn)。今年年初的麒麟820 5G用的也是這種組合方式，高通也已經(jīng)沿用了兩代。最大的那顆Cortex-A77核心3.13GHz主頻是比驍龍865+(3.1GHz)還要略高一點點的，比去年Kirin 990大核A76的2.86GHz也高了9.4%。Cache分配情況未知。

在提升方面，華為這次并未與前代產(chǎn)品比較，而是說CPU性能比驍龍865+領(lǐng)先10%，能效則領(lǐng)先25%——基于Geekbench 5的跑分。從Geekbench 5數(shù)據(jù)庫來看，驍龍865+相比麒麟990的CPU多核性能領(lǐng)先了大約14-18%。這樣算來，麒麟9000比上一代麒麟990，CPU性能提升大約在25-30%左右。

當然這個對比是不嚴謹?shù)模珿eekbench 5用于反映CPU的絕對性能可能會有偏差。不過Arm官方早前發(fā)布A77的時候就提到，Cortex-A77相比A76有著20-25%的IPC提升，加上麒麟9000的頻率提升，麒麟9000 CPU整體上25-30%的性能提升是在情理之中的。能效部分與前代很難直接比較，而且驍龍865+作為865的提頻版本，在效率上本來就會妥協(xié)——麒麟9000 CPU效率必然是提升的，其中還需考慮到5nm工藝帶來的紅利，與上代產(chǎn)品相較的提升幅度值得做進一步觀察。

需要指出的是，華為從麒麟980開始越來越關(guān)注存儲子系統(tǒng)的提升——980配上了DSU 4MB L3大緩存;到了麒麟990，雖然CPU的整體架構(gòu)和內(nèi)存支持都沒變，但開始采用新的LLC：system cache(下圖中間部分，系統(tǒng)級別的cache)，并降低存儲子系統(tǒng)的整體延遲，令麒麟990的性能表現(xiàn)仍然比980有提升，而且功耗還更低——這一點在當時還是非常驚艷的。

Kirin 990 Die shot source: TechInsights - Labelling & Custom contrast: AnandTech

今年麒麟9000似乎將system cache提升到了8MB(艾偉在說NPU環(huán)節(jié)的Smart Cache 2.0時提到了這一點，“相對直接訪問內(nèi)存來說，帶寬提升了一倍，能效提升15%”，但不確定是否就是指整個系統(tǒng)LLC的system cache)，這應該是相比上代容量的翻番了。實際上高通和蘋果此前也已經(jīng)開始注重這個層級的cache布局。這部分理論上可以在SoC上服務于多個IP，不僅用于提升性能，而且也提升了能效。

此外，LPDDR5支持實則也會對手機的整體系統(tǒng)性能有提升幫助，驍龍865機型已經(jīng)享受了這部分紅利。相比麒麟990，麒麟9000在CPU方面的確是一次比較大的提升。不過也需要在意，今年年中發(fā)布的Cortex-A78能做到與A77相同功耗情況下持續(xù)性能20%的提升;預計晚些時間發(fā)布的驍龍875還是可以超過麒麟9000的——當然這是一個常態(tài)，尤其隨著華為的手機SoC步入成熟，每年不同SoC廠商的迭代，都是在不同時間點此消彼長的。

GPU：秒殺高通Adreno?

麒麟9000的GPU部分是非常值得一說的。去年麒麟990并未按照我們的預期，采用Arm Mali G77，而是繼續(xù)采用麒麟980時期的G76。此前我曾撰文提到過，高通如今正逐漸在GPU部分丟失往常的優(yōu)勢：如果Mali G77能夠按照Arm預期的那樣，那么Mali GPU很可能實現(xiàn)對Adreno GPU性能和效率的同時追平。

悲劇的是，華為并未采用G77。而實施G77的三星Exynos 990(Mali G77MP11)與聯(lián)發(fā)科天璣1000(MP9)，在規(guī)模上都不夠大——前者多方面的問題還相當一言難盡。這就讓我們無從了解，G77到底是個什么水平。加上驍龍865的Adreno 640小小發(fā)揮了一下，在不少測試中的效率表現(xiàn)都和蘋果相差不大了(性能仍有差距)，Arm Mali陣營這邊就急需一款產(chǎn)品來證明GPU的實際水準。

麒麟9000直接跳過G77，用上了Mali G78。華為給出的數(shù)據(jù)是，相比驍龍865+，麒麟9000的GPU性能領(lǐng)先52%，能效領(lǐng)先50%。從華為的PPT來看，對比的是GFXbench 5.0 Aztec Ruins Vulkan項目(不過極有可能，性能提升和效率提升的測試條件是不同的)。無論如何，這兩個分數(shù)都是相當巨大的領(lǐng)先，這使得今年Mate 40系列手機的游戲表現(xiàn)非常令人期待。

單純從這個跑分來看，可能已經(jīng)達到了蘋果A13或者A14的水平——余承東在手機發(fā)布會現(xiàn)場列出了iPhone 12 Pro與Mate 40 Pro+的GPU跑分性能，兩者似乎的確已經(jīng)是相近水平：雖然目前還不清楚這是峰值性能還是持續(xù)性能，以及并未有能效比較的數(shù)據(jù)。

華為自己的實際游戲性能測試是，“某國內(nèi)TOP MOBA類游戲”滿幀狀態(tài)的能效，平均比“友商”(也就是驍龍865 Plus，三星Galaxy Note 20 Ultra)優(yōu)秀20%;包括《王者榮耀》《和平精英》《明日之后》等在內(nèi)的多款主流游戲，系統(tǒng)能效比都優(yōu)于驍龍865+——這似乎還是華為首次在反復提GPU的“能效”，而不單純是性能：表明這次的底氣比以往都更充足。

事實上，Mali G78相比G77并沒有發(fā)生太大的變化。但G77是首次換用了Valhall架構(gòu)——算是一次大變動，G78則是個改款。仍然建議有興趣的同學閱讀此前有關(guān)Mali G77的文章《Arm新版Mali GPU簡析：這次終于趕超高通和蘋果?》。G77相比G76，性能密度提升30%，能效提升30%;主要是G77的shader核心換用新的執(zhí)行引擎，16-wide warp執(zhí)行模型，合并為一個執(zhí)行引擎，提升ALU利用率。

因為此前G76已經(jīng)有了一次Arm Mali陣營的大躍進，所以G77就紙面數(shù)字來看還是比較優(yōu)秀的。而G78，Arm的數(shù)字是結(jié)合微架構(gòu)與制造工藝的雙重改進，相較G77有25%的性能提升。相同工藝情況下，性能密度提升15%(相同面積下，獲得15%性能提升);能效提升10%。

Mali G78支持的最大核心數(shù)目提升到了24個核心，不知該說Arm Mali這種增多核心的路線是種進步還是退步——麒麟9000顯然拉滿了這個數(shù)字，算是G78的頂配了(9000E則為22個核心)，從去年開始似乎華為已經(jīng)不再走過去那種高頻少核的路線了。

G78的執(zhí)行核心與前代相比沒什么變化，就是延續(xù)了Valhall架構(gòu)的特色(16-wide，合并為一個引擎);shader核心整體上也沒什么變化。其最大的變化在于從整個GPU的全局頻域(frequency domain)變?yōu)閮杉壗Y(jié)構(gòu)，最頂級的共享GPU模塊為一個頻域，shader核心為一個頻域——也就是GPU內(nèi)部不同步的時鐘域，shader核心可以跑在不同的頻率下。只是不知道麒麟9000是否實施了這個方案。

這事實上解決了Mali GPU一個很大的問題：要在屏幕上推更多數(shù)量的多邊形時，以前只能全面推高運行頻率。如今市面上出現(xiàn)的新游戲普遍是幾何處理工作偏重的，將tiler和幾何引擎運行頻率解耦，就能夠解決吞吐不平衡的問題。另外就是，理論上能效也能得到改進——只不過要增加額外的電壓域?qū)嵤?，也就增加了系統(tǒng)的成本。除此之外，G78的FMA引擎做了翻新，主要是乘法器結(jié)構(gòu)變化，以及FP32和FP16路徑做了隔離，據(jù)說是以面積來換取30%的節(jié)能。

大概也是因為GPU性能和效率水平真的上來了，艾偉今年談了不少游戲畫質(zhì)相關(guān)的東西。而且事實上，在《原神》這類游戲開始出現(xiàn)在手機之上，更多原本屬于PC和主機的游戲體驗、特效，都開始向移動平臺遷移。

包括SSR屏幕空間反射、MSAA/TAA抗鋸齒，以及動態(tài)模糊、體積光+實時陰影等更好的游戲畫質(zhì)實現(xiàn)上，華為宣傳的是麒麟9000在更好地實現(xiàn)這些特效的基礎(chǔ)上，同時做到高幀率，以及更高的效率——如上圖所示，是對比某尚未發(fā)布的游戲，在開啟HDR、MSAA抗鋸齒等特性后，穩(wěn)定60fps運行，以及實現(xiàn)比“友商芯片平臺”(這個對比對象未知)高了一倍的效率(圖中中間mW/frame數(shù)值)。這其中應該也有AI的輔助：早年Kirin 970時期起，通過機器學習來達成針對特定游戲、特定設(shè)備的最優(yōu)化DVFS調(diào)度。

所以Mate 40的GPU實際表現(xiàn)，的確令人十分期待。驍龍875的GPU恐怕會面臨比較大的壓力。

NPU：現(xiàn)在有什么用?

麒麟9000的NPU升級到達芬奇架構(gòu)2.0，“NPU算力翻倍”。當然我們不清楚達芬奇架構(gòu)2.0相比1.0，到底改了些什么。比較抽象的形容是“MAC規(guī)模翻倍，卷積網(wǎng)絡性能翻倍，核間通訊帶寬翻番”。所以AI Benchmark(ETH AI Benchmark V4.0)之類的拿“全球第一”也并不奇怪。另外華為這次特別提到了Int8數(shù)據(jù)類型的性能與能效。

艾偉說AI普及后，手機終端越來越多地需要做8位整型數(shù)據(jù)計算，而不是浮點FP16。用ResNet50網(wǎng)絡來跑，麒麟9000的Int8性能較驍龍865+高出60%，能效則高了150%——這應該和高通的AI Engine始終不上專核，而主要靠強化DSP與異構(gòu)計算有關(guān)。

SoC層面另外值得一提的就是前文已經(jīng)提到過的system cache。由于這個末端cache容量增大，很多情況下各IP模塊就不需要再去調(diào)用DRAM。由于帶寬的成倍增加，以及能效的提升，NPU與其他處理器工作的實時性才有更好的保障。

往年的NPU介紹，大致上也就停留在這個程度了。今年華為似乎急著想要證明，NPU究竟能用來做什么。事實上，Android陣營的AI生態(tài)發(fā)展得并沒有那么高速，即便華為始終在說HiAI支持的人工智能網(wǎng)絡算子是業(yè)界最多。但華為在這個生態(tài)上的建設(shè)，真可謂不遺余力。這次艾偉主要列舉了NPU的三個用處：AI視頻處理、AI拍視頻、AI AR。

視頻逐幀卡通化處理

首先是AI視頻處理。2017年的麒麟970時代，華為演示2000張照片智能識圖需要60秒，而到了麒麟9000同樣的識圖過程只需要1秒鐘。這一點帶來的價值放到視頻之上，就是AI實時處理復雜網(wǎng)絡。過去針對視頻中的每一幀畫面，都只能執(zhí)行圖像分類、目標檢測、語義分割、實例分割、圖像編輯等其中的一種操作;但現(xiàn)在針對每一幀，都能執(zhí)行以上的所有操作。

到實際應用里，華為現(xiàn)場演示的是視頻的實時卡通化：針對一段視頻，每一幀都能做輪廓提取、紋理優(yōu)化和區(qū)域分割，并實現(xiàn)每一幀的卡通化。我在現(xiàn)場演示中看到，這個過程的確是完全實時的：通過攝像頭拍攝的取景畫面就實時呈現(xiàn)出了畫面的卡通化——而不是延后處理——以前我們也見過將畫面卡通化的app，但那些要么只能處理照片，要么就是對視頻有延后處理的長時間等待過程。

另外，除了這種娛樂向的應用，AI視頻增強特性中的一個很有意義的應用是將低分辨率的視頻upscale成高分辨率——整個過程實現(xiàn)的是每幀畫面的去噪、銳化、超分、色彩增強。其中超分，是能夠?qū)⒃嬅鎸崿F(xiàn)2-3倍的分辨率提升的，比如480p分辨率的視頻可以upscale至1080p。起碼華為現(xiàn)場演示的效果很不錯。

針對一些片源本身就不清楚，或者由于網(wǎng)絡環(huán)境關(guān)系無法觀看高分辨率視頻的情況，這種在本地將視頻“超分”為高分辨率的解決方案是的確能夠提升觀看體驗的。不過這個方案仍然需要第三方播放器做出支持，華為提到后續(xù)會在HMS中通過AV Pipeline開放——HMS此前我在介紹HarmonyOS系統(tǒng)時已經(jīng)提過多次，HMS是可為開發(fā)者提供各種Kit和API的一個中間層。

上面談的是AI視頻處理，接著是AI拍視頻。這部分華為宣傳的是“業(yè)界首次實現(xiàn)ISP+NPU融合架構(gòu)”。在拍視頻時，從攝像頭的CIS獲取到畫面數(shù)據(jù)，隨后進入ISP+NPU的融合結(jié)構(gòu)里，其管線如上圖所示。具體數(shù)據(jù)是如何在NPU與ISP兩個硬件之間流動的，就不得而知了——但這兩者間一定是有分工的，比如常規(guī)的3A(自動白平衡、自動曝光、自動對焦)肯定由ISP執(zhí)行，而去噪之類的操作可以交給NPU。此前靜態(tài)照片拍攝，AI如何介入ISP的流程，甚至包括自動白平衡這類傳統(tǒng)項亦可由AI單元去完成，谷歌AI Blog就分享過很多這方面的技術(shù)細節(jié)。

但“首次”實現(xiàn)ISP+NPU的融合，細算起來或許還有其他競爭對手。除了iPhone在照片拍攝時如今也應當有這樣的流程;比較具有代表性的是谷歌Pixel手機。

Pixel從二代起加入Pixel Visual Core(或Visual Neural Core)，這是個專門用作圖像處理的AI硬件——只不過谷歌并不是手機SoC制造商，自己沒有能力給手機的主SoC融合一個這樣的單元，所以Pixel Visual Core是以獨立的形式存在的。理論上它也與ISP做協(xié)同，實現(xiàn)Pixel拍照的過程。只不過猜測其時延會比較高(畢竟是芯片間通訊)，所以谷歌做畫面的AI加強，似乎始終都不曾涉及視頻(最多好像也只有動態(tài)照片的AI防抖等特性)。

華為提到，麒麟9000的ISP+NPU處理時間<33ms，就相當于過去單獨ISP處理攝像頭拍攝的數(shù)據(jù)一樣，這的確算是個性能跨越。值得一提的是，今年麒麟9000的ISP為“Kirin ISP 6.0”，包括3A處理能力的100%提升，以及Quad Pipeline擴張做到處理管線速度50%的提升——這應該也是實現(xiàn)AI視頻拍攝整體處理時間<33ms的重要原因。所以ISP與NPU的算力堆砌在此都非常重要，iPhone 12似乎都仍然做不到AI視頻拍攝的實時處理。

這一點，華為也專門在演示中做了對比。即iPhone 12 Pro相較Mate 40 Pro，暗光視頻拍攝能力，在畫面的細節(jié)呈現(xiàn)上有差距——這是后者用NPU+ISP協(xié)同工作達成的。

另外由于算力的彪悍(與包括system cache在內(nèi)的通訊的高效)，Mate 40也做到了視頻的實時4K HDR——這里的實現(xiàn)層級是在SoC之上的ISP與NPU(而非CIS及堆棧的ISP，不過想必索尼CIS的高速讀出技術(shù)在此也是不可或缺的)。華為宣稱是“逆光HDR視頻超越人眼”，達到108dB動態(tài)范圍。

最后是AI+AR

實際上華為宣傳的AI+AR的，本質(zhì)就是做計算視覺，將手機攝像頭看到的世界，通過SLAM(同步定位與地圖構(gòu)建)+語義理解，令AR能夠識別周邊的東西是什么，并且對對象距離、尺寸做測量——那么無論針對人臉做識別建模，還是對周圍環(huán)境做識別建模，都能做到實時的感知;感知測量也能達到更高的精度。

艾偉說，“這個功能以前我們用軟件來實現(xiàn)，比較耗電，花的時間也比較長。這一次，我們提供專門AR硬化的加速器模塊”，“同樣一個AR識別，時延降低40ms，功耗降低36mA”。

AI+AR的特性究竟能用來做什么呢?華為設(shè)想的是，手機作為信息入口，通過AI+AR，不管是人、物體，還是結(jié)構(gòu)化文字，都能做到實時的識別。且在識別、測量之后，將脫敏的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?云端有海量數(shù)據(jù)庫與知識圖譜。于是“它就變成了一個新的陪伴”，“陪伴我們的一個超智慧的感知體驗”。未來的一切，從單點對象到整個世界，都可將其實時數(shù)字化、識別，并與云端組合到一起。

而此間的傳輸過程又與5G有著不可分割的關(guān)聯(lián)。

5G：合在一起，打開新世界的大門

在本文最后上價值之前，還是先來看看麒麟9000的5G modem部分。由于麒麟985 5G就已經(jīng)用上了Balong 5000 modem，所以似乎這次Mate 40系列手機支持5G已經(jīng)不是新鮮事了。

但華為還是展示了Mate 40一些更為細致的5G數(shù)據(jù)。包括在sub-6GHz頻段下，5G SA下行雙載波速率4.6GHz，上行雙載波速率2.5GHz，相比驍龍865與A14+X55 modem的方案，理論峰值速率是其2倍(iPhone 12為5G單載波)。不過X55 modem實際上是支持毫米波的，但毫米波的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或許就現(xiàn)在看來還沒有那么及時：iPhone 12美國版支持毫米波。而實測數(shù)據(jù)，從華為自己的數(shù)據(jù)來看，Mate 40與iPhone 12還有更大的差距——這部分還是可以等一等更多評測機構(gòu)的數(shù)據(jù)。

時延部分，上面這張圖是在杭州一塊區(qū)域內(nèi)的室外測試，綠色部分是指<< span="">30ms終端到服務器的時延。這塊區(qū)域的實測數(shù)據(jù)是，Mate 40 Pro有84%的在網(wǎng)概率是<< span="">30ms時延的，16%的概率時延在30-100ms。而從華為的數(shù)據(jù)來看，iPhone 12是剛好相反的。實際上，在4G網(wǎng)絡之下，100-150ms時延就已經(jīng)有相對流暢的游戲體驗了。因此這也是5G帶來的便利。

不過上面這些數(shù)據(jù)實則并不只是5G modem的問題，可能涉及到了整個RF系統(tǒng)以及天線，乃至手機制造商的系統(tǒng)設(shè)計。而且其復雜性之甚，大約還有更多的維度可以探討。

在5G的問題上，現(xiàn)有5G手機用戶普遍的反饋是，沒有對應的使用場景，不需要那么高的吞吐與那么低的時延。延續(xù)前一個AI+AR的段落，艾偉對此的看法是：以上麒麟9000改進的每一點都有用。

當它們合在一起的時候，是打開新世界大門的時候?！耙越裉?G手機的發(fā)展速度，經(jīng)過一個正常的換機周期，兩年以后，整個存量市場超過一半會是5G手機——這還是偏保守的數(shù)據(jù)。那么應用環(huán)境變化會自然跟隨發(fā)生變化。”

“就像4G時，有了3G沒有的移動支付、共享經(jīng)濟。到5G時，我們會擁有4G所沒有的實時虛擬世界，數(shù)字世界與真實世界的結(jié)合?！卑瑐フf，“而且這并不需要太長時間，一定是在兩年以內(nèi)?！笨磥眵梓?000是為此打下了一個基礎(chǔ)。

原文標題：全面剖析麒麟9000：華為Mate 40碾壓了誰？

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責任編輯：haq