游戏娱乐的动力之源

先从三星和AMD的携手谈起

在2019年6月初，手机圈传出了一个重磅的消息——AMD与三星联合宣布达成多年战略合作伙伴关系，三星将获得AMD Radeon图形API授权并专注于加强移动设备（只限智能手机和平板电脑等AMD没有参与竞争的细分市场）创新至关重要的高级图形技术和解决方案（图2）。官方透露的细节不多，暂时只能确认AMD会将“高度可扩展的RDNA图形架构”对三星授权。

那么，RDNA是什么？

简单来说，RDNA（Radeon DNA）是AMD在显卡领域推出的最新GPU架构，它是史上最长寿GPU架构“GCN”（2011年?2019年）的接班人，其在CU计算单元、缓存、流水线等方面都进行了革新，拥有更好的性能（满足现代游戏的负载需求）、能效（充分优化功耗和带宽利用率）、功能（壮大相关生态）和扩展能力（通吃移动、桌面和云端）。可以说，RDNA是一个全方位重新设计的架构，也开启了AMD显卡历史上第五个重大架构的新时代。

那么，三星未来的Exynos（猎户座）移动平台会直接集成RDNA架构的GPU吗？

答案自然是否定的。AMD长期以来都缺乏ARM生态的经验（AMD曾涉足过ARM服务器，但很快就放弃了），而手机SoC集成GPU最核心的要求就是低功耗和高能效，AMD现有的GPU技术显然不符合移动设备的基本诉求。

实际上，三星近些年一直在进行CPU和GPU的自研（自主研发）工作，在CPU架构领域已经有了基于ARM指令集自研成功的“猫鼬”（Mongoose，如Exynos M3/M4）核心，并通过Exynos 9810和Exynos 9820等移动平台打出了不小的声望（图3）。

在GPU领域，有消息称三星早在2012年就开展了自研“S-GPU”的项目（图4），此次三星与AMD方面合作，需要的只是在GPU中融入AMD Radeon的部分图形IP，不可能照搬整个RDNA架构。同时，双方合作还涉及到相关的专利授权，规避将来可能的法律纠纷，毕竟联发科就是一个很好的前车之鉴。

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2015年的MWC大展上，有消息称联发科在移动SoC图形计算领域与AMD达成合作，而这则消息最终也没有被官方证实。2019年初，AMD将联发科告上了法庭，称联发科的智能设备侵犯了其APU和GPU相关的多项专利。要知道，联发科旗下的SoC集成的都是ARM或Imagination旗下的GPU。

有了AMD图形IP的注入，可以让三星将更多的精力投入到对自研CPU核心“猫鼬”的打磨之中，而AMD在PC领域的知名度，也可帮助三星与高通、华为和联发科展开差异化竞争——看到没？我集成的可是AMD GPU！与此同时，当三星Exynos CPU和集成AMD RDNA基因的GPU搭配后，也许还会对一个产业造成冲击，它就是以任天堂Switch为代表的游戏掌机（图5）。三星+AMD能否取代英伟达Tegra X1和其后续芯片在掌机领域的独占？让我们拭目以待吧。

高通和AMD不得不说的故事

高通驍龙移动平台集成的Adreno GPU，应该是Android手机领域的最强音，也是唯一可以和同期苹果A系列芯片集成GPU抗衡的存在。但你可曾知道，作为高通独有的“自研”GPU，Adreno原本也是AMD的“血脉”吗？

Adreno的前身其实是诞生于2002年的ATllmageon系列低功耗GPU，原本是被用于预装PalmOS系统的Zodiac掌机。ATI被AMD收购后（图6），AMD又将相关的移动设备资产在2008年打包甩给了高通，于是后者就取得了AMD（ATI）的矢量绘图与3D绘图技术和相关知识产权，并在此基础上研发出了我们熟悉的Adreno GPU（图7）。

如果AMD当年没有卖掉原ATI Imageon，英特尔当年没有出售XScale（拥有StrongARM与ARM架构的完整授权）及手持设备芯片业务，这两大X86芯片巨头也许都会在移动互联网时代取得更大的成就。

Adreno GPU如何判断强弱

在Android手机领域，高通骁龙移动平台占据了大半江山，Adreno也是我们熟悉和最不熟悉的GPU。说它熟悉，是因为高通每次发布新款骁龙移动平台时，媒体总会强调它集成了Adreno xxx型号的GPU（图8），较上代提升了多少多少，耳朵都磨出茧了;说它不熟悉，是因为Adreno GPU型号太多太乱，以至于我们很难从名称上去判断同一代的Adreno GPU之间相对的性能等级。

这一点在Adreno 5系GPU时期表现得尤为明显（表1）。比如，Adreno 506（骁龙625）从型号数字上只比Adreno 505（骁龙430）+1，但前者的性能却较后者提升了几乎2倍。Adreno 508（骁龙630）比Adreno 506+2，但其性能却只提升了30%，完全没有规律可言。

为了搞明白上面的问题，我们需要了解影响Adreno GPU性能的关键参数。抛开核心架构、渲染方式和各种图形接口不谈，Adreno GPU的性能发挥主要受制于制程工艺、ALU（计算单元，又称算数逻辑单元）的数量以及GPU频率的高低。

我们可以将Adreno GPU集成的ALUs计算单元理解为PC显卡中的“流处理器”，在架构相同时数量越多性能越强。可惜，高通官方从来没有公开过Adreno GPU的ALUs数量，本文和网上相关的数据都是用户自己检测所得，因此仅供大家参考。

对GPU而言，制程工艺越先进，在相同的发热和功耗水平上就能以更高频率运行，对性能同样有着较大的增益效果。Adreno 506相较Adreno 505有着巨大的性能提升，就是得益于更多的ALUs数量和工艺升级带来的频率提升。同理，Adreno 512相较Adreno 508、Adreno 530相较Adreno 512也都是受上述因素的影响。

如今，Adreno GPU已经全面进化到了Adreno 6系时代，其最大的特色是支持完整的OpenCL 2.0FP、OpenGL ES3.2、DX12和Vulkan1.1等图形接口（图9）。可惜，关于它们具体的ALUs数量和频率，笔者并没能找到准确的资料，所以本文我们只通过3DMark和GFXBench这两个专业测试软件，对Adreno 6系GPU的理论性能进行一番对比（表2）。

我们以骁龙6 6 0集成的Adreno 512作为基准（100%），可以更加直观地了解Adreno 6系GPU的差异。其中，Adreno 610和Adreno 612虽然数字序列更高，但综合性能其实和Adreno 512相差无几。从Adreno 615到Adreno 618之间的性能依次略增，在其背后就是不同的ALUs单元和GPU频率组合带来的差异。

作为高通2018年度的旗舰，骁龙845（Adreno 630）之所以具备秒杀高通最新推出的骁龙730（Adreno 618）的3D性能，是因为Adreno 630集成了高达512个ALUs单元，而骁龙730的ALUs应该是不足256个（很抱歉没找到具体的参数）。

需要注意的是，从2018年下半年开始，高通最新推出的骁龙SoC移动平台都强化了AI运算能力，它们会借助一部分GPU内的ALUs单元，再结合Hexagon内集成的HVX单元，与CPU一起组成高通特有的骁龙AI Engine人工智能平台（图10）。

換句话说，在最新的骁龙移动平台中，更多的ALUs单元并不能换来等同的性能提升。以骁龙855为例，高通曾透露这颗芯片（较骁龙845）增加了50%的算数逻辑单元，也就是ALUs单元从512个提升到768个，但从Adreno 640和Adreno 630之间的实际性能差异来看，增加的50%的ALUs仅换来了20%左右的性能增益，显然其中有不少被高通拿来用于AI运算了。据一些专业人士测试分析，Adreno 630的512个ALUs中有一半（256个）都用做了异构AI运算，用于弥补骁龙移动平台没有独立NPU单元的缺陷。

总之，骁龙移动平台中“最能打”的无非就是骁龙845和骁龙855，骁龙7系和骁龙6系的GPU之间也存在不小的差距。因此，如果你希望购买一款能以满帧运行绝大多数游戏的手机，认准骁龙8系还是很有必要的。至于骁龙6系，在骁龙710都降到千元价位之际，除非你不怎么玩游戏，否则还是敬而远之吧。

苹果和Imagination的情仇

在智能手机领域，目前能凭自己打造GPU的芯片设计厂商只有高通和苹果，高通的Adreno GPU源于AMD，而苹果设备的GPU则离不开Imagination Technologies公司的扶持。

Imagination也是很早就进军GPU市场的公司之一，只是为了避开英伟达和ATI的锋芒，该公司更加专注于对超低功耗移动GPU的打磨，2001年推出的PowerVR MBX GPU曾被集成在英特尔、飞思卡尔、德州仪器和三星的SoC上，并成就了第一代iPhone、诺基亚N95和戴尔Axim X50v（PDA掌上电脑）这些经典设备（图11）。

Imagination的第五代PowerVR SGX系列应该是知名度最高的GPU（如SGX530、SGX535），苹果A4、三星Exynos和德仪0MAP3系列SoC都是它的客户，索尼PSV掌机上集成的也是四核心的PowerVR SGX544MP4。随后，PowerVR逐渐变成了苹果“独占”的GPU，其他品牌（如联发科、全志、瑞芯微和晶晨等）即便偶有合作，集成的PowerVR GPU也多是低端型号，待遇与“金主”苹果相差甚远。然而，也正是因为太过依赖苹果，为Imagination的没落埋下了伏笔。

Apple A10处理器应该算是苹果和Imagination的最后一次合作，其集成的PowerVR GT7600 GPU甚至可以领先同期的Adreno 540（骁龙835），让iPhone 7系列成为了当年性能最强的智能手机（实际上每一代iPhone基本都是同期最强）。

可惜，从A11芯片开始（图12），苹果正式抛弃Imagination而改用自研GPU，该芯片的GPU配置了6个着色器核心，每2个核心共享一个Texture单元，类似的设计和PowerVR GPU很像，所以有不少玩家都称苹果GPU是脚踏Imagination上位的  苹果自研GPU的消息传出后，Imagination很快就陷入了运营危机，时至今日只有联发科Helio P60（PowerVR GM9446）、P35和P22（PowerVR GE8320）等极少数SoC选择与Imagination合作集成PowerVR GPU，从iOS生态圈的唯一霸主沦落到GPU领域的“其他”，Imagination的境遇令人唏嘘不已。

目前Imagination最新的GPU解决方案包括PowerVR 9XEP/9XMP/9XTP（定位依次升高），9XEP和9XMP采用了较旧的Rogue架構，主要竞争对手是ARM旗下的Mali-G72。而9XTP则由最新的Furian架构打造（图13），每个ALU增加到40条流水线，支持4K 120FPS、HDR、Vulkan API、Android神经计算API等先进技术，理论上可以用来和ARM Mali-G76/G77抗衡。

ARM的“亲儿子”Mali GPU

接下来就轮到ARM自己的“亲儿子”——Mali系列GPU了。作为和Cortex A系列CPU架构搭档的它，也是Android手机圈市占率仅次于高通Adreno GPU的存在，海思麒麟、三星Exynos、联发科Helio，我们熟悉的绝大多数非高通系SoC都直接选择了与Mali GPU联姻。

在2019年第14期《新旗舰手机的动力之源浅析ARM最新的CPU和GPU核心》一文中，我们解读了ARM最新Cortex-A77 CPU和Mali-G77 GPU的特色，所以本文就不再赘述，只是简单介绍一下Mali GPU的特别之处。

和Adreno GPU相比，Mal便加注重GPU的核心数量，将较多的GPU核心封装成一个更大规模的GPU矩阵，就是Mali GPU拉升性能的不二法门（图14）。比如在Mali-G72时代，麒麟970就集成了12个核心的Mali-G72MP12，三星Exynos 9810更厉害，一股脑儿塞进了18个核心（Mali-G72MP18）。但是，GPU核心越多，发热量和功耗也将随之变大，此时SoC厂商的选择通常是降低GPU频率以及关掉部分核心来达到控制功耗的目的。

换句话说，Mali-GPU的核心数量是存在一个临界值的，超过这个核心数量就必须降低GPU频率，最终导致增加GPU核心的数量和对应的性能提升不成比例（1+1<2）。因此，如何将有限的芯片面积分配给Cortex-A CPU和Mali GPU，并合理控制Mali GPU的规模和频率，发挥最佳的能效比，这就是ARM交给SoC厂商们的期末考试了。

总之，高通Adreno和ARM Mali是当前Android手机领域的主力，Adreno GPU的规格和性能取决于骁龙移动平台的型号，比较起来相对容易。ARM Mali GPU涉及Mali型号（如Mali-G52、Mali-G72、Mali-G76）、核心数量（后缀是MPx），以及与它们搭配的CPU架构和主频，无论是综合、CPU还是GPU性能都需要我们耗费更多精力对比。当三星带来AMD授权IP的自研GPU，Imagination得到更多SoC芯片厂商的支持，想想就头大了吧？因此，如果你想了解最新移动GPU的动态和选购建议，敬请期待CFan同期的最新报道吧。