追本溯源 浅析Android玩游戏不如iPhone的原因

在智能手机领域，Android手机和苹果iPhone始终是泾渭分明的两大阵营。就硬件规格的表面参数来看，Android手机似乎始终凌驾于iPhone之上。比如iPhone 7 PlUS才用上3GB内存，但Android却用上了6GB甚至8GB；iPhone 7刚用上四核，Android的八核/十核却早已普及。问题来了，虽然Android阵营参数层面优势明显，但在实际的游戏体验中为何依旧落后于对手？

先从安兔兔排行说起

自从安兔兔推出跨平台（Android和iOS）的软件版本之后，综合排行榜的前两位就始终被iPhone 6/7和iPhone 6/7Plus所霸占，雷打不动（图1）。问题来了，以最新的iPhone 7Plus为例，这款手机搭载的A10Fusion只是一颗四核处理器，为什么它的性能却能超越Android领域的一众八核/十核处理器？

无论是苹果、三星、高通、联发科还是海思、松果，所有生产手机处理器芯片的厂商都离不开ARM的授权。只是，ARM授权方案分为两种：

源于自主研发的实力

第一种是ARM直接授权设计好的IP内核，比如Cortex-A53、Cortex-A72和Cortex-A73等（圖2），芯片厂拿到IP内核授权后，只要按需选择核心数量、互联总线、缓存等就能完成CPU部分的设计。当再塞进GPU、通讯基带和电源管理等模块后就是一个完整的SoC了（图3）。我们习惯将这种IP内核授权称为“公版架构”，联发科、海思和松果处理器就都以公版架构为主。

第二种是ARM仅授权指令集，比如ARMv7和ARMv8（图4），芯片厂拿到这些指令集后，再自行进行IP内核的设计，然后才能完成CPU部分的搭建。而这种基于指令集授权而设计的内核，我们习惯将其称为“自主架构”。苹果、高通和三星旗下的顶级处理器就都以自主架构为主，比如高通骁龙810/820/835就都采用了自主的Krait（金环蛇）架构，三星E×vnos 8890/8895就采用了自主的Monqoose（猫鼬）架构（图5）。

一般来说，能搞自主架构的都是更具实力的芯片厂而自主架构的CPU核心，在同频率的性能上都会领先于ARM的公版架构。但是，既然是自主研发的架构，自然也意味着性能的不对等。至少在与高通Krait和三星Mongoose的较量中，苹果A10 Fusion（基于ARMv8指令集）就有着性能上的优势。

曾有媒体拿A10 Fusion和骁龙821进行了详尽的对比测试，结果是A10 Fusion实现了对骁龙821的全程碾压，特别是CPU性能的领先幅度更是惊人（表1）。

要知道，虽然A10 Fusion和骁龙821都是四核处理器，但二者的运行机制却有着云泥之别。其中，包括骁龙821在内的Android阵营顶级处理器都采用了类似big.LITTLE大小核技术，比如骁龙820就是双核2.2GHz+双核1.6GHz，在跑分时四个核心可以协同作战（图7）。

A1 0 Fusion也采用了两大两小的结构核心设计（图8），两个高性能核心应对高负载，两个低性能核心用于日常任务处理，以此来降低整体功耗，提升续航能力。但与big.LITTLE技术不同之处在于，A10 Fusion最多只能同时跑两个核心，即要么是两个大核，要么是两个小核。换句话说，A10 Fusion只靠两个大核就能超越对手四核、八核或十核的协同作战，其自主架构核心的效率可见一斑。

扩展阅读

iPhone是何时开始自主研发的

苹果在iPhone 4之前都是直接采用芯片厂提供的处理器成品，比如iPhone 3GS搭载的就是三星S5PC100处理器。此后苹果改变了策略，开始采用ARM指令集授权、苹果自行设计、三星或者台积电代工的方式来研发生产（图6）。所以，iPhone 4之后的历代iPhone才能在性能上始终保持领先。

GPU缘何一骑绝尘

在Android阵营中，高通骁龙集成的Adreno GPU是性能之王。但是，当高通骁龙碰到苹果A系列处理器后，Adreno GPU却面临着被“吊打”的尴尬境遇。原因很简单，虽然苹果暂时没有自主研发GPU技术，但旗下处理器却始终牵手Imaginaition（图9），通过PowerVR系列GPU实现游戏性能的一骑绝尘（表2）。

以苹果iPhone 7搭载的A10 Fusion处理器为例，它就集成了Imagination PowerVR GT7600 GPU，拥有6个计算核心，即PowerVR GT7600MP6。细心的读者肯定发现了，A10Fusion和A9的GPU型号一样，但前者的3D性能却有了明显的提升。原因是苹果对A10 Fusion的GPU进行了超频，从而在某些测试场景下实现了相较A9近50%的性能增益。

Android阵营也能用PowerVR GPU

既然苹果能得到Imagination的授权，高通、三星、联发科、海思、松果为什么不能和Imagination合作？

实际上，除了高通始终坚持自家的Ad reno GPU技术，其他很多芯片厂商也都与lmaqination有过合作。三星早期的蜂乌处理器就以集成PowerVR SGX5系列GPU为荣，联发科在2014年推出的MT6595（集成PowerVRG6200MP2）、201 5年推出的Helio X10（集成PowerVR G6200MP2）以及2017年即将发布的10nm旗舰Helio X30（集成PowerVR 7XTP-MP4）也都已携手Imagination。

问题来了，既然联发科MT6595和Helio X10都集成了口碑最好的PowerVR系列GPU，为啥它们的图形性能别说比不上同期的苹果A系列处理器了，就连同期的高通骁龙、三星猎户座集成的GPU也打不过呢？

此时就是体现出芯片厂商底蕴的时刻了。苹果每一代iPhone的销量都数以亿计，因此苹果可以在三星或台积电手中抢到最新最先进的制程工艺资源，同时不计成本地从Imagination签来最好的独享的GPU核心，这些都是其他芯片厂商所不具备的底气。比如MT6595和Helio×10集成的都是Imagination低端级别的PowerVR G6200，而且仅有2个计算核心。而同期的苹果A7/A8处理器却用上了更高端的PowerVR GX6430和PowerVR GX6450，而且还配备74个计算核心。性能孰優孰劣就不用笔者多说了吧（图10）？

PowerVR GPU又将进化

由于苹果A系列处理器始终与Imagination保持着联姻关系，所以Imagination每一次GPU技术革新，自然也意味着下一代iPhone将拥有更为强悍的3D性能。好消息是，前不久Imagination终于发布了2010年以来的第一个真正全新的GPU架构，代号“Furian”。

7年以前，Imagination推出的“Roque”架构首次引入了统一着色器设计，PowerVR 6/7/8系列都是基于它衍生来的。只是PowerVR 8现在还没有被手机处理器所用，业内普遍预测它将被集成在下一代iPhone 8所用的处理器中。

Imagination最新发布的“Furian”架构是“Rogue”架构的升级版，首要目标是改进功耗和性能，具体来说就是每毫瓦性能、每平方毫米性能，号称相比于7XTPlUS可提升35%的着色器性能、80%的填充率性能、70%～90%的综合性能（图11）。

简单来说，“Furian”并非从零开始设计的新架构，而是在“Rogue”的基础上翻新而来。它依旧采用了区块延迟渲染，但几乎每个模块单元、数据流、整体布局都是新设计的，比如支持多线程多任务数据执行、微内核固件控制、帧缓冲和几何无损压缩、新的安全和虚拟化技术、增强的扩展性、支持还未定案的OpenCL 2.x计算标准，全面支持Vulkan、OpenVX等等（图12）。

此外，“Furian”将每个丛簇的流水线从16级扩展为32级，每时钟周期的双线性采样翻番到8个，同时还改进了算术逻辑单元丛簇（ALU Cluster），原先成对的MAD ALU需要更多资源才能喂饱，但“Furian”却改用了1个MAD ALU（可做加法和乘法）+1个MUL ALU（只做乘法）的结构，从而提升了效率并降低了功耗。

先别急着高兴，现在连“Rogue”架构的PowerVR 8还没能商业化，就别提它的接班人了。只能说“Furian”架构是面向未来的，可以满足7nm工艺、VR游戏、4K超高清、120fps高帧率、HDR高动态画面、神经网络等等的需求。至于基于新架构的实际产品，差不多得到2019年的iPhone才有机会尝鲜了。

但是，苹果一直都是lmaqination的最大客户之一，所以未来“Furian”架构GPU商业化时，苹果A系列处理器还应该是首发，继续保持对Android阵营处理器的GPU性能压制。

那么，Android阵营的芯片厂商就没有办法了吗？

Android阵营如何应对

答案是当然有，那就是紧抱ARM的“大腿”。因为ARM除了提供底层架构外，也可捆绑自家的GPU技术（图13），也就是我们熟悉的Mali系列GPU。

在Cortex-A57时代，ARM打包的GPU技术为Mali-T700系列，比如三星猎户座Exynos 7420（Galaxy S6）集成的就是Mali-T760MP8；到了Cortex-A72时代，ARM打包的GPU升级到了Mali-T800系列，比如联发科HelioX20和麒麟950集成的就是Mall-T880MP4；到了Cortex-A73时代，ARM再次祭出了全新的Mali-G71，比如麒麟960集成的就是Mali-G71MP8。

需要注意的是，ARM每一代的GPU也都会分成不同档次，比如Mali-T880、T860、T830、T820。而且每个档次的GPU也能通过塞进不同数量的计算核心进一步拉开性能差距。理论上讲，Mali系列GPU完全有机会和Imagination展开竞争。

以最新的Mail-G71系列GPU为例，它基于Bifrost微架构设计，ARM允许其核心数从单核堆积到最高32核（MP32）（图14）。要知道，麒麟960（Mali-G71MP8）的1生能就接近骁龙821了，而三星即将推出的10nm旗舰处理器Exynos 8895将集成20个核心的Mali-G71 MP20，理论3D性能是麒麟960的2倍多！

如果以后哪款手机处理器能用上Mali-G71 MP32，别说PowerVR8了，估计就连Imagination最新的“Furian”架构GPU都能一较长短DR？

竞争结果取决于整体实力

问题来了，ARM Mali系列GPU的核心数量可不是想堆就堆的。GPU核心数量越多，处理器发热量和功耗也就越大。在现有的14/16nm工艺下，Mali-G71 M P8已经是手机处理器的极限了，而Mali-G71MP20也许则是10nm的极限。想强上Mali-G71M P32？没有7nm工艺休想镇压（或者10nm工艺+散热风扇辅助，反正小身板的手机是驾驭不了的）！

说来说去，手机处理器的竞争最终还是体现在整体实力上。财大气粗的苹果，可以自己搞自主处理器架构，GPU也能从Imagination要来最好的资源，也不怕找不到匹配的晶圆厂代工。所以，Android手机阵营想在整体性能上压过苹果，难度还真不是一般的大呢。

好消息是，Android阵营的芯片厂商也一直没有放弃追赶的脚步。联发科采用的策略是以数量换质量，有消息称联发科12核处理器已在路上；高通和三星也都在想办法提升自主架构的执行效率，缩短与苹果处理器之间的距离。海思和松果虽然依旧以公版架构为主，但这也是为自主架构的研发进行的必要（经验）积累。

总之，未来手机处理器之争，唯有拥有自主架构才能显得越发从容：每一款智能手机的软硬件设计都从底层芯片上开始优化，自主架构可以让优化进行得更为彻底（图15）。至于想塞进更强的GPU，就需要抢占最先进的晶圆厂代工，并从ARM或Imagination手中争取优质资源了。而想实现上述目标，足够的研发实力和资金支持一个都不能少。

那么，高通、三星、联发科、海思、松果，这些为Android造芯的品牌，你更看好谁呢？