透視麒麟9010：博采眾長但依舊任重道遠(yuǎn)

隨著華為Pura 70系列手機(jī)的發(fā)布，兩個半導(dǎo)體器件單元又一次成為萬眾關(guān)注的焦點，相比于圖像傳感器的RYYB技術(shù)變革，麒麟9010顯然受到的關(guān)注更多。作為一款曾經(jīng)有望成為業(yè)內(nèi)第一顆3nm工藝的應(yīng)用處理器，因為美國的全面技術(shù)管制不得不反復(fù)修改其設(shè)計和工藝選擇，最終華為交出了如今這樣水準(zhǔn)的麒麟9010著實難得。

麒麟9010讓我們更好審視麒麟9000S

從熱度上，麒麟9010相比橫空出世的麒麟9000S似乎要小不少，畢竟麒麟9000S是華為被完全管控后獨立推出的第一款麒麟應(yīng)用處理器，不僅肩負(fù)著為華為IC設(shè)計能力正名的機(jī)會，更要扛起華為消費電子品牌的未來，否則以華為前面一年多選擇驍龍處理器產(chǎn)品帶來的手機(jī)業(yè)務(wù)下滑態(tài)勢，曾經(jīng)扛起高端手機(jī)國產(chǎn)大旗的華為品牌可能面臨被邊緣化的風(fēng)險。在這樣的內(nèi)憂外困前提下，華為頂著諸多壓力推出麒麟9000S實屬無奈之舉，這也是麒麟9000S諸多要素到現(xiàn)在都沒有披露的重要原因。不過既然該踩的雷和該牽連的隊友都已經(jīng)讓麒麟9000S頂風(fēng)趟出來了，那么麒麟9010面臨的壓力就明顯小了很多，因此諸多媒體似乎終于有機(jī)會好好研究一下麒麟9010這款代表華為目前芯片設(shè)計水平的處理器了，這也讓我們可以從它身上好好分析一下華為的移動應(yīng)用處理器設(shè)計思路。

目前在網(wǎng)上能夠看到一些所謂自媒體曝光了麒麟9010的芯片底部刻字，筆者個人認(rèn)為不靠譜或者只是官方的宣傳圖，畢竟芯片底部刻字標(biāo)識了生產(chǎn)信息，所謂2035這個被制裁的時間點印在芯片上為了時刻提醒的理由實在牽強(qiáng)。更重要的是，麒麟9010又不外賣，如果想要真的看芯片信息無疑要拆掉PCB上的焊接單元，這對很多自媒體來說似乎要求有些高了。至于從工藝上來說，筆者打聽了一下，應(yīng)該還是跟之前的麒麟9000S一樣的工藝水平，可能在良率方面略有提升，整體成本會稍微下降一些，筆者預(yù)估大概在2%-3%左右吧。這方面筆者說不太透，建議大家觀看TechInsight去年的詳細(xì)報告，點到為止不多贅述。從現(xiàn)在的部分功耗測試來說，這個工藝的改進(jìn)目前也比較有限，因為大核的頻率下來了但處理器功耗并沒有降低多少，從這點上我們可以暫時認(rèn)為工藝水平保持一致比較合理，這也許是目前非美技術(shù)之外能夠做到的最先進(jìn)水平了。

說完最基本的工藝，我們還是更關(guān)注性能表現(xiàn)和設(shè)計思路方面的變化。相比于少得可憐的麒麟9000S處理器結(jié)構(gòu)，麒麟9010資料倒是相對齊全，各類跑分?jǐn)?shù)據(jù)也很詳盡。麒麟9010的各種跑分?jǐn)?shù)據(jù)目前網(wǎng)上可以查到很多版本，內(nèi)核測試的基本情況也大抵相似，我們暫時選擇其中的一些數(shù)據(jù)作為參考基礎(chǔ)進(jìn)行分析。首先，麒麟9010的結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)比較明顯，按照華為一貫命名規(guī)則，麒麟9010應(yīng)該是麒麟9000S的迭代版本，那么基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是差不多的。根據(jù)目前了解的信息，其大核為一顆2.3GHz的泰山核心，中核為3顆2.18GHz的泰山核心，小核為4顆1.55GHz的A510，GPU是Maleoon 910。從幾個內(nèi)核架構(gòu)以及華為之前麒麟的設(shè)計思路來說，泰山應(yīng)該是Arm V8架構(gòu)基礎(chǔ)上華為自己開發(fā)的內(nèi)核，大小核都是基于Arm V8架構(gòu)在保持架構(gòu)統(tǒng)一性的同時，避免了采用華為無法選擇的Arm V9架構(gòu)，從而規(guī)避未來迭代的風(fēng)險。這種設(shè)計風(fēng)格類似于蘋果A系列處理器的內(nèi)核，也是手機(jī)處理器中僅有的兩家自行設(shè)計內(nèi)核的廠商。

至于這顆很神秘的Maleoon 910架構(gòu)未知，但從命名規(guī)則猜測似乎有Arm Mali的一些影子，不過海思以前一直用Mali的GPU，而且這顆GPU的優(yōu)化在麒麟9000S里表現(xiàn)實在不太好，很多游戲的適配性并不好，從這點上看似乎跟Mali架構(gòu)并不親近。因此Maleoon 910應(yīng)該是華為自行開發(fā)的GPU架構(gòu)，目前看性能表現(xiàn)尚可但GPU最大的問題往往是適配性，這個因為麒麟9000S時很多應(yīng)用還是基于安卓架構(gòu)開發(fā)，所以表現(xiàn)不佳也非常能理解，這點我們文末會繼續(xù)深入剖析。

博采眾長：Arm TCS+ Apple Firestorm

1大核+3中核+4小核，麒麟9010這種內(nèi)核布局像極了Arm在2020年開始的TCS移動計算解決方案的全新架構(gòu)，雖然華為并不能直接采用Arm的全新內(nèi)核，但處理器布局設(shè)計還是可以借鑒參考的。按照Arm在推出TCS時的介紹，相比于蘋果依然沿用的大小核結(jié)構(gòu)，這種三個不同等級內(nèi)核的結(jié)構(gòu)能夠大幅提升處理器的能效，根據(jù)不同任務(wù)需求進(jìn)行更好地處理資源分配。相比于9000S，麒麟9010目前看處理器最大的改變就是大核的主頻從2.62GHz下降到2.3GHz，但單核的處理能力從1314提升到1442，麒麟9010的IPC值達(dá)到了627（作為對比，驍龍8Gen2 IPC值為636。，而驍龍8+ Gen 1 IPC值為578。），相比麒麟9000S的501提升了25%，這意味著在相同的時鐘周期內(nèi)，麒麟9010能夠執(zhí)行更多指令，從而實現(xiàn)更高的運算效率和更強(qiáng)的單線程處理能力。IPC的全稱是（ Instruction Per Clock，每時鐘周期指令數(shù)），也就是說在同樣的頻率下，IPC越高，CPU干的活越多，當(dāng)然性能就越強(qiáng)。在多核處理器時代，IPC這個指標(biāo)參考價值更多代表著對復(fù)雜任務(wù)的處理能力。對處理器來說，增加內(nèi)核是提升IPC最簡單粗暴的辦法，但在內(nèi)核數(shù)量一定情況下，提升IPC就只能靠優(yōu)化處理處理線路、架構(gòu)和指令集，或者提升緩存效率等方面。按照Arm對Cortex-X新內(nèi)核的優(yōu)化路線看，每一代的IPC提升在11%-13%左右，如果超過20%那就意味著有明顯的架構(gòu)大幅優(yōu)化，比如X3這個系列因為徹底拋棄32位代碼而實現(xiàn)性能大幅提升。從這個角度看，麒麟9010的大核架構(gòu)優(yōu)化應(yīng)該是上了一個層次，這是一個非常值得期待的突破點。根據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)對比，麒麟9010走的是大IPC低主頻策略，因為主頻偏低，所以麒麟9010的大核單核雖然IPC方面擁有巨大提升，但整體性能依然落后當(dāng)前頂級處理器不少。當(dāng)然，主動降低大核主頻，麒麟9010大概是從兩個方面進(jìn)行了權(quán)衡，其一是對功耗的控制，高主頻意味著高功耗，降低大核主頻有助于控制整體功耗，畢竟9000S的功耗表現(xiàn)并不算出色。雖然按Arm一貫的宣傳口徑，高主頻帶來高處理能力，這可以讓同樣負(fù)載量的任務(wù)用更短時間執(zhí)行完成，從而整體功耗會大幅降低。但這種思路的適用性在鴻蒙NEXT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中實際表現(xiàn)如何，也許需要很長時間才能證明。第二個就是對新架構(gòu)調(diào)整的裕量控制，畢竟調(diào)整架構(gòu)之后的實際表現(xiàn)如何，華為受限于被管制無法充分模擬仿真，為了確保Pura 70系列的用戶體驗，不妨先做個溫柔的主頻設(shè)定看一下大規(guī)模應(yīng)用后的實際效果，如果實際表現(xiàn)達(dá)到預(yù)期，那么下一代只需要提升主頻到2.6，就能夠?qū)崿F(xiàn)至少15%的單核性能提升，這樣穩(wěn)扎穩(wěn)打的策略適合鞏固華為手機(jī)的市場份額。

圖注： Arm TCS的結(jié)構(gòu)基本就是大中小三種內(nèi)核集成到一個應(yīng)用處理器上，內(nèi)核分配和華為麒麟9010S內(nèi)核基本一致。

圖注：蘋果A14的大核微架構(gòu)和麒麟9010的大核微架構(gòu)一樣，皆為8解碼8發(fā)射的前端寬度，其中ROB深度更是高達(dá)630，同時兩者后端的整數(shù)執(zhí)行單元數(shù)量也一樣為6個

如果說麒麟9000S是被美國全面管控后華為處理器設(shè)計思路探索的開路先鋒，那么麒麟9010則給出了華為內(nèi)部探索路線后的一個選擇（當(dāng)然未必以后都是這個方向），那就是選擇和Apple Firestorm（那個性能震驚業(yè)界的M1，A14的大核整數(shù)IPC較麒麟9010的大核高出31%，這主要是工藝受限的原因）一樣的路線——低主頻高IPC。這個選擇意味著什么呢？從瞄準(zhǔn)目標(biāo)上看，意味著麒麟9010處理器瞄準(zhǔn)的未來市場更為開闊，更意味著華為對自己的鴻蒙NEXT系統(tǒng)充滿信心。低主頻帶來的是熱損耗降低，高IPC帶來的是單核處理效率更強(qiáng)大，這種設(shè)計更多的是體現(xiàn)了處理器和操作系統(tǒng)之間的默契程度。當(dāng)年蘋果的M1問世第一次讓移動處理器從處理性能方面實現(xiàn)了對桌面處理器的超越，受限于散熱和尺寸，移動處理器的主頻無法跟桌面處理器抗衡，只能大幅修改架構(gòu)提升IPC來追平處理器性能表現(xiàn)，當(dāng)然這種性能表現(xiàn)背后的邏輯無疑是封閉的，對于冗余度過高的系統(tǒng)是無法體現(xiàn)優(yōu)勢的，甚至?xí)侠蹖嶋H表現(xiàn)。而蘋果和華為目前的共通點就是一個封閉的生態(tài)系統(tǒng)，這是麒麟9010選擇低主頻+高IPC設(shè)計思路的最大支撐。只不過，蘋果的出發(fā)點是要代替英特爾的處理器，而華為的選擇則有很多無奈，比如無法選擇更新的Arm V9架構(gòu)導(dǎo)致處理器主頻提升受限，比如無法選擇先進(jìn)的工藝降低功耗所以只能靠降低主頻減少熱損耗，比如芯片內(nèi)傳輸接口傳輸?shù)乃俣纫矡o法做到極致，比如沒有先進(jìn)封裝無法在封裝方面彌補(bǔ)工藝差距帶來的密度不足……

綜合來說，麒麟9010的性能該如何定位其實是個比較尷尬的問題，畢竟在工藝、EDA和速率各方面均受限的前提下，麒麟9010性能測試表現(xiàn)出來實際水平略遜于驍龍8 Gen 1的數(shù)據(jù)（2年前），這已經(jīng)是很難得的成就了。從工藝上和架構(gòu)上，麒麟9010大概用三到四年左右差距實現(xiàn)了2年左右的性能差距，對于正常的公司都是值得尊敬的成就，何況是幾乎先進(jìn)技術(shù)全面受限的華為呢。

Pura 70 還是要看鴻蒙

摩爾定律映射到手機(jī)上的迭代速度是多少現(xiàn)在已經(jīng)很難統(tǒng)計，不妨我們按照Arm TCS的性能遞進(jìn)速度每年10%左右的速度推測，大概三年左右處理器表現(xiàn)更新一代。那么一款兩年前旗艦水平的處理器是否撐得起整機(jī)旗艦表現(xiàn)呢？筆者的回答很簡單，看操作系統(tǒng)。

基本上已經(jīng)一統(tǒng)江山的Arm為啥不斷拼命提升移動平臺的整體性能？一方面是為幾個客戶提供持續(xù)保持競爭力的內(nèi)核和解決方案，另一方面也是不斷優(yōu)化自己內(nèi)核IP的設(shè)計以鞏固自身優(yōu)勢并爭奪更多MPU和CPU的市場。從手機(jī)器件處理器的性能來看，其實對于95%以上的用戶是明顯過剩的，最近兩年手機(jī)市場更新?lián)Q代速率的下滑雖然大部分廠商歸咎于經(jīng)濟(jì)下行消費不足的原因，但更主要的原因是旗艦手機(jī)的性能足夠其支撐三四年而使用體驗沒有明顯下滑。

選手機(jī)不等于選處理器，畢竟我們選購手機(jī)的目的不是沒事跑個分互相比較分值高低，而是要感受手機(jī)帶來的全方位體驗。在這個大前提下，操作系統(tǒng)和處理器的配合要遠(yuǎn)比處理器跑分的性能更代表手機(jī)的實際表現(xiàn)。當(dāng)年的麒麟9000為何能夠在性能上實現(xiàn)對同期驍龍的反超，很大程度是華為對UI的優(yōu)化和處理器設(shè)計是同步的，這一點上，安卓系統(tǒng)可怕的冗余和百花齊放的各種UI無疑讓驍龍始終無法像蘋果A系列處理器一樣輕裝上陣。當(dāng)年蘋果的M1芯片強(qiáng)悍的性能表現(xiàn)在Window和IOS上跑分差異可以達(dá)到17%以上，說明了封閉系統(tǒng)對硬件性能的激發(fā)作用非常重要，而對麒麟9010來說，鴻蒙系統(tǒng)的加持也許能夠助其彌補(bǔ)在內(nèi)核跑分性能方面的諸多不足。多說一點，基于麒麟9000S的Mate 60在某些游戲和圖形化應(yīng)用上的表現(xiàn)不佳，很大程度上來自于相關(guān)APP對鴻蒙系統(tǒng)兼容性方面需要專門設(shè)計和優(yōu)化，而最近的12306卡頓問題，也是因為該APP是針對安卓設(shè)計的，在鴻蒙OS下優(yōu)化不夠以至于在海量數(shù)據(jù)情況下的體驗不佳。

這也就是華為在Pura系列上另一個值得關(guān)注的變革，華為計劃全面推行鴻蒙NEXT的操作系統(tǒng)，并且在過去的一年多時間里一直在跟各個APP開發(fā)者進(jìn)行基于鴻蒙OS的APP專門設(shè)計開發(fā)，比如前段時間的微信和華為之間的問題就是雙方就專門開發(fā)基于鴻蒙OS的微信應(yīng)用之間的探討?？梢灶A(yù)見在短期的一兩年內(nèi)，這是華為在鴻蒙生態(tài)中最主要的工作，也是徹底告別安卓生態(tài)的必經(jīng)階段。一旦基于鴻蒙專門設(shè)計的生態(tài)軟件APP全部得以實現(xiàn)，那么鴻蒙就如現(xiàn)在的IOS一樣，可以更好地管理應(yīng)用程度對處理器資源的調(diào)用，從而實現(xiàn)更高的工作效率，屆時硬件差異在實際體驗中帶給用戶的感受差別將會越來越微小。只是這一步要真的走成了，未來整個移動應(yīng)用生態(tài)也許會產(chǎn)生劇變，一如當(dāng)年淘寶上線免費跨行轉(zhuǎn)賬功能一樣震撼。

思考及期待

麒麟9010作為一款基本透明的處理器，能夠讓我們更好地了解目前華為的設(shè)計實力以及處理器設(shè)計思路。從目前的性能指標(biāo)上看，麒麟系統(tǒng)的主頻短期內(nèi)可能需要近一步提升以確保單核性能。畢竟對比蘋果A16的2大核3.46GHz和4小核的2.02Hz，以及高通驍龍1個3.3GHz X4 超大核 + 3個3.15GHz A720 大核 + 2個2.96GHz A720 大核 + 2個2.27GHz A520，在主頻方面受限于工藝的表現(xiàn)可能存在不小的差距，即使架構(gòu)優(yōu)化提升了IPC，但畢竟主頻差距過大還是會影響單核處理能力。

另一個問題則是工藝和良率。雖然TSMC的3nm據(jù)說今年會用到A17上，在華為手機(jī)國內(nèi)競品方面則最早也要2025年4月才能上市。但是畢竟華為只能用國產(chǎn)工藝，短期內(nèi)等效密度從7提升到5的可能性不會太大，加上3D封裝技術(shù)也存在一些受限情況，那么可能未來兩三年內(nèi)麒麟系列處理器的工藝節(jié)點不太可能形成突破，或者即使有所突破但良率和成本可能無法支撐起P和M全系的用量，從目前工藝的成本和良率方面信息看，Pura系列的高價格有很大一部分是要為工藝投入埋單了。

最近據(jù)說12nm的FDSOI技術(shù)量產(chǎn)了，不知道未來是否國內(nèi)可以參考一下這個特殊工藝，該工藝主要技術(shù)來自于歐洲，雖然12nm似乎應(yīng)用到手機(jī)處理器上有點落伍，但如果能夠有更好地工藝手段加成，也許等效密度可以達(dá)到7甚至5，而FDSOI技術(shù)在提升頻率方面的優(yōu)勢和平面工藝對封裝的低要求，對麒麟系列來說似乎并非沒有可取之處，如果用到手機(jī)處理器……