透視麒麟9010：博采眾長(cháng)但依舊任重道遠

隨著(zhù)華為Pura 70系列手機的發(fā)布，兩個(gè)半導體器件單元又一次成為萬(wàn)眾關(guān)注的焦點(diǎn)，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)內第一顆3nm工藝的應用處理器，因為美國的全面技術(shù)管制不得不反復修改其設計和工藝選擇，最終華為交出了如今這樣水準的麒麟9010著(zhù)實(shí)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用處理器，不僅肩負著(zhù)為華為IC設計能力正名的機會(huì )，更要扛起華為消費電子品牌的未來(lái)，否則以華為前面一年多選擇驍龍處理器產(chǎn)品帶來(lái)的手機業(yè)務(wù)下滑態(tài)勢，曾經(jīng)扛起高端手機國產(chǎn)大旗的華為品牌可能面臨被邊緣化的風(fēng)險。在這樣的內憂(yōu)外困前提下，華為頂著(zhù)諸多壓力推出麒麟9000S實(shí)屬無(wú)奈之舉，這也是麒麟9000S諸多要素到現在都沒(méi)有披露的重要原因。不過(guò)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(lái)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會(huì )好好研究一下麒麟9010這款代表華為目前芯片設計水平的處理器了，這也讓我們可以從它身上好好分析一下華為的移動(dòng)應用處理器設計思路。

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(gè)人認為不靠譜或者只是官方的宣傳圖，畢竟芯片底部刻字標識了生產(chǎn)信息，所謂2035這個(gè)被制裁的時(shí)間點(diǎn)印在芯片上為了時(shí)刻提醒的理由實(shí)在牽強。更重要的是，麒麟9010又不外賣(mài)，如果想要真的看芯片信息無(wú)疑要拆掉PCB上的焊接單元，這對很多自媒體來(lái)說(shuō)似乎要求有些高了。至于從工藝上來(lái)說(shuō)，筆者打聽(tīng)了一下，應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(huì )稍微下降一些，筆者預估大概在2%-3%左右吧。這方面筆者說(shuō)不太透，建議大家觀(guān)看TechInsight去年的詳細報告，點(diǎn)到為止不多贅述。從現在的部分功耗測試來(lái)說(shuō)，這個(gè)工藝的改進(jìn)目前也比較有限，因為大核的頻率下來(lái)了但處理器功耗并沒(méi)有降低多少，從這點(diǎn)上我們可以暫時(shí)認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(shuō)完最基本的工藝，我們還是更關(guān)注性能表現和設計思路方面的變化。相比于少得可憐的麒麟9000S處理器結構，麒麟9010資料倒是相對齊全，各類(lèi)跑分數據也很詳盡。麒麟9010的各種跑分數據目前網(wǎng)上可以查到很多版本，內核測試的基本情況也大抵相似，我們暫時(shí)選擇其中的一些數據作為參考基礎進(jìn)行分析。首先，麒麟9010的結構方面已經(jīng)比較明顯，按照華為一貫命名規則，麒麟9010應該是麒麟9000S的迭代版本，那么基礎結構應該是差不多的。根據目前了解的信息，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(gè)內核架構以及華為之前麒麟的設計思路來(lái)說(shuō)，泰山應該是Arm V8架構基礎上華為自己開(kāi)發(fā)的內核，大小核都是基于Arm V8架構在保持架構統一性的同時(shí)，避免了采用華為無(wú)法選擇的Arm V9架構，從而規避未來(lái)迭代的風(fēng)險。這種設計風(fēng)格類(lèi)似于蘋(píng)果A系列處理器的內核，也是手機處理器中僅有的兩家自行設計內核的廠(chǎng)商。

至于這顆很神秘的Maleoon 910架構未知，但從命名規則猜測似乎有Arm Mali的一些影子，不過(guò)海思以前一直用Mali的GPU，而且這顆GPU的優(yōu)化在麒麟9000S里表現實(shí)在不太好，很多游戲的適配性并不好，從這點(diǎn)上看似乎跟Mali架構并不親近。因此Maleoon 910應該是華為自行開(kāi)發(fā)的GPU架構，目前看性能表現尚可但GPU最大的問(wèn)題往往是適配性，這個(gè)因為麒麟9000S時(shí)很多應用還是基于安卓架構開(kāi)發(fā)，所以表現不佳也非常能理解，這點(diǎn)我們文末會(huì )繼續深入剖析。

博采眾長(cháng)：Arm TCS+ Apple Firestorm

1大核+3中核+4小核，麒麟9010這種內核布局像極了Arm在2020年開(kāi)始的TCS移動(dòng)計算解決方案的全新架構，雖然華為并不能直接采用Arm的全新內核，但處理器布局設計還是可以借鑒參考的。按照Arm在推出TCS時(shí)的介紹，相比于蘋(píng)果依然沿用的大小核結構，這種三個(gè)不同等級內核的結構能夠大幅提升處理器的能效，根據不同任務(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(zhù)在相同的時(shí)鐘周期內，麒麟9010能夠執行更多指令，從而實(shí)現更高的運算效率和更強的單線(xiàn)程處理能力。IPC的全稱(chēng)是（ Instruction Per Clock，每時(shí)鐘周期指令數），也就是說(shuō)在同樣的頻率下，IPC越高，CPU干的活越多，當然性能就越強。在多核處理器時(shí)代，IPC這個(gè)指標參考價(jià)值更多代表著(zhù)對復雜任務(wù)的處理能力。對處理器來(lái)說(shuō)，增加內核是提升IPC最簡(jiǎn)單粗暴的辦法，但在內核數量一定情況下，提升IPC就只能靠?jì)?yōu)化處理處理線(xiàn)路、架構和指令集，或者提升緩存效率等方面。按照Arm對Cortex-X新內核的優(yōu)化路線(xiàn)看，每一代的IPC提升在11%-13%左右，如果超過(guò)20%那就意味著(zhù)有明顯的架構大幅優(yōu)化，比如X3這個(gè)系列因為徹底拋棄32位代碼而實(shí)現性能大幅提升。從這個(gè)角度看，麒麟9010的大核架構優(yōu)化應該是上了一個(gè)層次，這是一個(gè)非常值得期待的突破點(diǎn)。根據部分數據對比，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前頂級處理器不少。當然，主動(dòng)降低大核主頻，麒麟9010大概是從兩個(gè)方面進(jìn)行了權衡，其一是對功耗的控制，高主頻意味著(zhù)高功耗，降低大核主頻有助于控制整體功耗，畢竟9000S的功耗表現并不算出色。雖然按Arm一貫的宣傳口徑，高主頻帶來(lái)高處理能力，這可以讓同樣負載量的任務(wù)用更短時(shí)間執行完成，從而整體功耗會(huì )大幅降低。但這種思路的適用性在鴻蒙NEXT系統的結構中實(shí)際表現如何，也許需要很長(cháng)時(shí)間才能證明。第二個(gè)就是對新架構調整的裕量控制，畢竟調整架構之后的實(shí)際表現如何，華為受限于被管制無(wú)法充分模擬仿真，為了確保Pura 70系列的用戶(hù)體驗，不妨先做個(gè)溫柔的主頻設定看一下大規模應用后的實(shí)際效果，如果實(shí)際表現達到預期，那么下一代只需要提升主頻到2.6，就能夠實(shí)現至少15%的單核性能提升，這樣穩扎穩打的策略適合鞏固華為手機的市場(chǎng)份額。

圖注： Arm TCS的結構基本就是大中小三種內核集成到一個(gè)應用處理器上，內核分配和華為麒麟9010S內核基本一致。

圖注：蘋(píng)果A14的大核微架構和麒麟9010的大核微架構一樣，皆為8解碼8發(fā)射的前端寬度，其中ROB深度更是高達630，同時(shí)兩者后端的整數執行單元數量也一樣為6個(gè)

如果說(shuō)麒麟9000S是被美國全面管控后華為處理器設計思路探索的開(kāi)路先鋒，那么麒麟9010則給出了華為內部探索路線(xiàn)后的一個(gè)選擇（當然未必以后都是這個(gè)方向），那就是選擇和Apple Firestorm（那個(gè)性能震驚業(yè)界的M1，A14的大核整數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(xiàn)——低主頻高IPC。這個(gè)選擇意味著(zhù)什么呢？從瞄準目標上看，意味著(zhù)麒麟9010處理器瞄準的未來(lái)市場(chǎng)更為開(kāi)闊，更意味著(zhù)華為對自己的鴻蒙NEXT系統充滿(mǎn)信心。低主頻帶來(lái)的是熱損耗降低，高IPC帶來(lái)的是單核處理效率更強大，這種設計更多的是體現了處理器和操作系統之間的默契程度。當年蘋(píng)果的M1問(wèn)世第一次讓移動(dòng)處理器從處理性能方面實(shí)現了對桌面處理器的超越，受限于散熱和尺寸，移動(dòng)處理器的主頻無(wú)法跟桌面處理器抗衡，只能大幅修改架構提升IPC來(lái)追平處理器性能表現，當然這種性能表現背后的邏輯無(wú)疑是封閉的，對于冗余度過(guò)高的系統是無(wú)法體現優(yōu)勢的，甚至會(huì )拖累實(shí)際表現。而蘋(píng)果和華為目前的共通點(diǎn)就是一個(gè)封閉的生態(tài)系統，這是麒麟9010選擇低主頻+高IPC設計思路的最大支撐。只不過(guò)，蘋(píng)果的出發(fā)點(diǎn)是要代替英特爾的處理器，而華為的選擇則有很多無(wú)奈，比如無(wú)法選擇更新的Arm V9架構導致處理器主頻提升受限，比如無(wú)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，比如芯片內傳輸接口傳輸的速度也無(wú)法做到極致，比如沒(méi)有先進(jìn)封裝無(wú)法在封裝方面彌補工藝差距帶來(lái)的密度不足……

綜合來(lái)說(shuō)，麒麟9010的性能該如何定位其實(shí)是個(gè)比較尷尬的問(wèn)題，畢竟在工藝、EDA和速率各方面均受限的前提下，麒麟9010性能測試表現出來(lái)實(shí)際水平略遜于驍龍8 Gen 1的數據（2年前），這已經(jīng)是很難得的成就了。從工藝上和架構上，麒麟9010大概用三到四年左右差距實(shí)現了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上的迭代速度是多少現在已經(jīng)很難統計，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旗艦表現呢？筆者的回答很簡(jiǎn)單，看操作系統。

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

選手機不等于選處理器，畢竟我們選購手機的目的不是沒(méi)事跑個(gè)分互相比較分值高低，而是要感受手機帶來(lái)的全方位體驗。在這個(gè)大前提下，操作系統和處理器的配合要遠比處理器跑分的性能更代表手機的實(shí)際表現。當年的麒麟9000為何能夠在性能上實(shí)現對同期驍龍的反超，很大程度是華為對UI的優(yōu)化和處理器設計是同步的，這一點(diǎn)上，安卓系統可怕的冗余和百花齊放的各種UI無(wú)疑讓驍龍始終無(wú)法像蘋(píng)果A系列處理器一樣輕裝上陣。當年蘋(píng)果的M1芯片強悍的性能表現在Window和IOS上跑分差異可以達到17%以上，說(shuō)明了封閉系統對硬件性能的激發(fā)作用非常重要，而對麒麟9010來(lái)說(shuō)，鴻蒙系統的加持也許能夠助其彌補在內核跑分性能方面的諸多不足。多說(shuō)一點(diǎn)，基于麒麟9000S的Mate 60在某些游戲和圖形化應用上的表現不佳，很大程度上來(lái)自于相關(guān)APP對鴻蒙系統兼容性方面需要專(zhuān)門(mén)設計和優(yōu)化，而最近的12306卡頓問(wèn)題，也是因為該APP是針對安卓設計的，在鴻蒙OS下優(yōu)化不夠以至于在海量數據情況下的體驗不佳。

這也就是華為在Pura系列上另一個(gè)值得關(guān)注的變革，華為計劃全面推行鴻蒙NEXT的操作系統，并且在過(guò)去的一年多時(shí)間里一直在跟各個(gè)APP開(kāi)發(fā)者進(jìn)行基于鴻蒙OS的APP專(zhuān)門(mén)設計開(kāi)發(fā)，比如前段時(shí)間的微信和華為之間的問(wèn)題就是雙方就專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)基于鴻蒙OS的微信應用之間的探討?？梢灶A見(jiàn)在短期的一兩年內，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(zhuān)門(mén)設計的生態(tài)軟件APP全部得以實(shí)現，那么鴻蒙就如現在的IOS一樣，可以更好地管理應用程度對處理器資源的調用，從而實(shí)現更高的工作效率，屆時(shí)硬件差異在實(shí)際體驗中帶給用戶(hù)的感受差別將會(huì )越來(lái)越微小。只是這一步要真的走成了，未來(lái)整個(gè)移動(dòng)應用生態(tài)也許會(huì )產(chǎn)生劇變，一如當年淘寶上線(xiàn)免費跨行轉賬功能一樣震撼。

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計實(shí)力以及處理器設計思路。從目前的性能指標上看，麒麟系統的主頻短期內可能需要近一步提升以確保單核性能。畢竟對比蘋(píng)果A16的2大核3.46GHz和4小核的2.02Hz，以及高通驍龍1個(gè)3.3GHz X4 超大核 + 3個(gè)3.15GHz A720 大核 + 2個(gè)2.96GHz A720 大核 + 2個(gè)2.27GHz A520，在主頻方面受限于工藝的表現可能存在不小的差距，即使架構優(yōu)化提升了IPC，但畢竟主頻差距過(guò)大還是會(huì )影響單核處理能力。

另一個(gè)問(wèn)題則是工藝和良率。雖然TSMC的3nm據說(shuō)今年會(huì )用到A17上，在華為手機國內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，短期內等效密度從7提升到5的可能性不會(huì )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(lái)兩三年內麒麟系列處理器的工藝節點(diǎn)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(wú)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(jià)格有很大一部分是要為工藝投入埋單了。

最近據說(shuō)12nm的FDSOI技術(shù)量產(chǎn)了，不知道未來(lái)是否國內可以參考一下這個(gè)特殊工藝，該工藝主要技術(shù)來(lái)自于歐洲，雖然12nm似乎應用到手機處理器上有點(diǎn)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(lái)說(shuō)似乎并非沒(méi)有可取之處，如果用到手機處理器……