5nm成就153億晶體管

我們都知道，制程工藝越先進(jìn)，可以在相同尺寸和封裝面積的芯片內(nèi)塞進(jìn)越多的晶體管，實(shí)現(xiàn)性能和功能的進(jìn)一步提升。麒麟9 0 0 0系列最大的特色，就是采用臺(tái)積電最新的5nm（EUV）工藝，集成了高達(dá)153億個(gè)晶體管（圖1），較之同樣采用5nm工藝打造的蘋果A14（118億）增加了30%左右。由于麒麟9 0 0 0還同時(shí)集成巴龍50 0 0基帶單元，所以它便成為了全球第一顆基于5nm工藝制造的5G SoC。

混搭的CPU和GPU核心

麒麟9000系列包含麒麟9000標(biāo)準(zhǔn)版和麒麟9000E，二者的差異在于GPU和NPU的核心規(guī)模（圖2），筆者將它們與其他麒麟9系5G SoC的規(guī)格進(jìn)行了對(duì)比（表1）。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，麒麟9000系列是一顆“新舊搭配”的SoC，它的CPU部分選用了ARM在2019年發(fā)布的Cortex-A77老架構(gòu)，而GPU部分則是ARM在2020年最新推出的Mali-G78，從理論層面的競(jìng)爭(zhēng)底蘊(yùn)來(lái)看并不如Cortex-X1+Cortex-A78+Mali-G78這種新新組合。

但是，麒麟9000系列卻深諳“一力降十會(huì)”的道理。根據(jù)ARM的官方數(shù)據(jù)，Cortex-A78相較于Cortex-A77，其IPC（同頻率下的架構(gòu)性能）只提升了7%，功耗降低了4%，差距其實(shí)并不明顯（圖3）。此次，麒麟9000系列將最高主頻直接拉到了3.13GHz，打破了智能手機(jī)芯片史上的最高頻率記錄，用以迎接Cortex-A78乃至Cortex-X1的挑戰(zhàn)。考慮到高頻帶來(lái)的高功耗，麒麟9000系列改用了1+3+4的三叢集方案，即只有1個(gè)大核心能達(dá)到3.13GHz，而其余3個(gè)Cortex-A77則只能運(yùn)行在2.54GHz的主流頻率上。

再來(lái)看看麒麟9000系列的GPU，它所集成的Mali-G78沿用了Mali-G77采用的Valhall圖形架構(gòu)，但通過(guò)對(duì)全局時(shí)鐘域的優(yōu)化和重寫的FMA（融合乘加）引擎，較之Mali-G77的性能提升幅度高達(dá)25%，即便是在同等工藝條件下也可提升15%，同時(shí)能效提升10%，機(jī)器學(xué)習(xí)性能提升15%（圖4）。

Mali-G78GPU最多可以搭配24個(gè)計(jì)算單元（圖5），沒(méi)錯(cuò)，麒麟9000集成的Mali-G78MC24就是這顆GPU的“滿血版”（指核心數(shù)量，不涉及核心頻率），而麒麟9000E也集成了多達(dá)22個(gè)計(jì)算單元的Mali-G78MC22。作為對(duì)比，Mali-G77最多可以搭配16個(gè)計(jì)算單元，但受制于成本、發(fā)熱和功耗，哪怕是最激進(jìn)的三星Exynos990也才用了11個(gè)。Mali-G76最多可以搭配20個(gè)計(jì)算單元，但麒麟990系列也只用了16個(gè)。

換句話說(shuō)，麒麟9000系列集成的Mali-G78MC22或Mali-G78MC24，已然代表了這顆GPU的性能上限。

基于AI的一系列革新

麒麟970和麒麟980集成的NPU來(lái)自寒武紀(jì)，從麒麟810和麒麟990開(kāi)始，則改用海思自研的達(dá)芬奇架構(gòu)1.0。麒麟9000的另一個(gè)特色，就是將集成的NPU升級(jí)到了達(dá)芬奇架構(gòu)2.0（圖6），后者通過(guò)架構(gòu)升級(jí)和指令增強(qiáng)，以及華為SmartCache2.0技術(shù)的加持，AI計(jì)算帶寬最高提升了100%，能效最高提升15%，性能最高提升20%。以智能識(shí)別2000張照片的速度為例，3年前的麒麟970需要60秒，而麒麟9000則只需1秒。

如果說(shuō)過(guò)去的NPU算力只能處理靜態(tài)圖片，麒麟9000系列集成的NPU（大核部分）則已經(jīng)可以處理動(dòng)態(tài)的視頻了（圖7），比如將一段視頻中的人物秒變卡通風(fēng)格，再比如通過(guò)AI對(duì)視頻進(jìn)行去噪、銳化、超分和色彩增強(qiáng)等，將標(biāo)清視頻提升到接近超清畫(huà)質(zhì)，讓高清視頻秒變接近藍(lán)光畫(huà)質(zhì)。當(dāng)然，上述功能還需要APP端的支持，華為現(xiàn)在正與視頻播放平臺(tái)進(jìn)行合作，未來(lái)可期。

麒麟9000系列集成的NPU微核主要賦能智能感知，它可以全天候以超低功耗運(yùn)行，用于實(shí)現(xiàn)AI隔空手勢(shì)、AI靈動(dòng)熄屏等交互功能（圖8）。

除了達(dá)芬奇架構(gòu)2.0的NPU，麒麟9000系列此次還集成了ISP6.0單元，并實(shí)現(xiàn)了ISP+NPU的融合架構(gòu)，具備實(shí)時(shí)包圍曝光HDR視頻合成能力、超強(qiáng)細(xì)節(jié)還原及降噪算法、能夠更清晰地處理視頻圖像，逆光拍攝的畫(huà)質(zhì)也更趨完美（圖9）。此外，麒麟9000系列支持AI+AR智能環(huán)境感知功能（KirinAR3.0），可以讓手機(jī)看懂形狀，測(cè)量尺寸，識(shí)別種類，計(jì)算數(shù)據(jù)、位置等，無(wú)論是針對(duì)人臉還是周圍環(huán)境都能夠識(shí)別建模，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的實(shí)時(shí)感知能力（圖10）。

載波聚合讓5G速率翻番

麒麟9905G雖然是量產(chǎn)最早的5GSoC，但由于它不支持載波聚合技術(shù)，下行和上行速率分別只有2.3Gbps和1.2Gbps。作為對(duì)比，天璣1000系列的下/上行速率分別為4.7Gbps和2.5Gbps，而驍龍865更是高達(dá)7.5Gbps和3Gbps。需要注意的是，驍龍865的高速率是建立在毫米波頻段下的峰值速度，在Sub-6G頻段中的速率將大打折扣。

麒麟9000系列雖然依舊集成巴龍5000基帶，但加入了對(duì)5G雙載波聚合技術(shù)的支持，可以將2個(gè)100MHz的載波進(jìn)行聚合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于200MHz帶寬的利用。在Sub-6G頻段中的下/上行理論峰值速率提升到了4.6Gbps和2.5Gbps（圖11），追平了其他5GSoC玩家。此外，麒麟9000系列還搭配支持Wi-Fi6+的麒麟W650單元，理論峰值速率可達(dá)2.4Gbps。

麒麟9000實(shí)測(cè)性能分析

得益于5nm工藝，超過(guò)3.1GHz的大核主頻以及滿血Mali-G78MC24GPU的加持，麒麟9000在常見(jiàn)理論跑分軟件中的測(cè)試成績(jī)并沒(méi)有讓我們失望（表2）。它不僅具備秒殺前輩麒麟9905G的實(shí)力，在與搭載驍龍865的iQOO5Pro（幾乎是同配置手機(jī)中的最強(qiáng)音）的較量中也能全面領(lǐng)先，一改麒麟3D性能總是落后同期驍龍的歷史。

需要注意的是，表2中的跑分都是Mate40Pro在“性能模式”下測(cè)得，該模式雖然可以“滿血輸出”，但存在較高的發(fā)熱量，不適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行《原神》一類的高負(fù)載游戲，否則容易出現(xiàn)過(guò)熱降頻現(xiàn)象。實(shí)際上，Mate40Pro在平衡模式下的性能輸出就已經(jīng)不遜于驍龍865了，可以兼顧性能、功耗和溫度。當(dāng)然，如果你給手機(jī)配備了外部散熱器，再激活性能模式就無(wú)須擔(dān)心過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，只是電量的消耗會(huì)更快一些。

麒麟9000的對(duì)手即將來(lái)襲

繼麒麟9000之后，5nmSoC領(lǐng)域還將先后迎來(lái)三星Exynos1080、Exynos2100、高通驍龍875和天璣2000（表3）。這些競(jìng)品的特色在于全部采用了ARM最新的Cortex-A78架構(gòu)，除了Exynos1080以外還都引入了Cortex-X1超大核，在能耗比方面的表現(xiàn)上可能將優(yōu)于麒麟9000。如果你對(duì)這些芯片的具體規(guī)格和性能感興趣，敬請(qǐng)關(guān)注CFan的后續(xù)報(bào)道。