新旗舰手机的动力之源

三强争霸再度上演

2019年5月底对处理器产业的影响无疑是巨大的——英特尔发布了基于10nm工艺和Sunny Cove微架构打造的第十代移动酷睿lce Lake平台，AMD通过7nm工艺让Ryzen3000系列的消费级处理器进入了12核时代。作为X86阵营的最大竞争对手，ARM自然也不能让两大X86厂商独美于前，意欲通过全新的Cortex-A77CPU和Mali-G77 GPU，进一步释放移动设备的计算潜力。

不同的聚焦点

在近十年的X86处理器之争中，AMD-直扮演着英特尔跟随者的角色，直至Ryzen（锐龙）诞生才真正影响到了英特尔在该行业的霸主地位。得益于7nm制程工艺，全新的Ryzen 3000（桌面版）终于实现了对英特尔同级别处理器的性能反超（图1），并通过更低的售价博得了一众DIY玩家的青睐，为在英特尔阴影下匍匐已久的用户“伸张正义”。此外，AMD最新的移动版Ryzen 3000（U系列）也具备不俗的实力，其CPU性能可以媲美八代酷睿，GPU性能则堪比入门级独立显卡，并在轻薄本领域闯出了不小的声望。

然而，英特尔的布局较之AMD更加深远，除了追求更强的性能之外，英特尔近年来更专注于制定、完善和优化计算设备的生态系统和周边环境。以最新的lce Lake平台为例，它虽然定位于超低功耗的轻薄本战场，但却集Wi-Fi 6 GIG+、雷电3、DLBoostAl加速于一身，并通过“ProjectAthena”（雅典娜计划）来推动统一的质量标准（图2）。符合雅典娜计划标准的设备都将具备一流的便携性、快速响应、持久续航和高速连接的特性，摆明了就是要入侵原本属于ARM的平板电脑领域，弥补当年英特尔通过Atom与ARM竞争失利的遗憾（英特尔曾推出过适用于手机和平板电脑的Atom处理器，但均以失败告终）。

ARM原本就在智能手机、穿戴式和嵌入式等移动设备领域占垄断地位，从近年来Cortex-A系列CPU和Mali-G系列GPU的迭代更新来看，ARM更加专注于性能和效率的提高，并不断提升足以影响未来的Al运算能力。如今，ARM也不再满足于传统的移动设备战场，正在试图染指Windows和Mac设备，让更多的笔记本、二合一、台式机用上ARM架构的处理器。

以高通在2019年主打的驍龙8cx 5G移动平台（采用由Cortex-A76架构魔改而来的Kryo 495核心）为例（图3），其就已经具备了不错的性能和电池续航能力，同时还拥有支持5G网络和更低延迟等方面的优势。当Cortex-A77被塞进笔记本后，无疑可以进一步缩短与传统X86PC在实际体验上的差距。

难以预见的未来

X86和ARM现在正上演类似“围城”的大戏，英特尔和AMD都想挤入移动设备的圈子，而ARM却想跳出移动设备的圈子。至于最终谁能先人一步，还得看Windows系统和软件生态对ARM架构的优化程度，以及X86处理器何时能在功耗上降至接近ARM处理器的水平了。当然，这些都是后话，咱们接下来要讨论的，则是ARM最新CPU和GPU的特色，看看它们在巩固移动市场的垄断地位之后，是否还有余力去染指原本属于X86的蛋糕呢？

扩展阅读

ARM不再是唯一

除了我们熟悉的ARM和X86以外，还有一种名为“RISC-V”的架构正逐渐崛起。RISC-V是一种基于精简指令集（ RISC）原则的开源指令集架构（ISA），它没有ARM架构高昂的授权费，凭借开源、开放、精简、灵活的特性，受到了包括谷歌、华为、IBM、镁光、英伟达、高通、三星、西部数据和特斯拉在内的数百家高科技企业的加盟。

按照SiFive当前的设计能力，开发ARM架构的芯片往往需要1年甚至更久，而开发一套RISC-V架构的新IP却仅需1个月到3个月，这就是RISC-V极为精简技术特性的魅力。目前，我国已经相继成立了“中国RISC-V产业联盟”和“中国开放指令生态系统（RISC-V）联盟”，华米公司自研的面向穿戴式设备的黄山一号处理器就是基于RISC-V架构打造的（图4）。随着前不久ARM与华为终止合作的传言，势必促使更多科技企业进入RISC-V的生态圈，作为未来可替代ARM架构的“备胎”，而我们也希望RISC-V有朝一日可以成为继ARM和×86之后的又一种主流架构。

解读Cortex-A77 CPU

在解读Cortex-A77之前，我们需要先来回顾—下它的两个前辈，如此才能更好地了解这个全新的CPU架构。

站在巨人的肩膀上

在ARM近些年的CPU架构更新中，Cortex-A75和Cortex-A76都是极具历史地位的。其中，Cortex-A75在big.LITTLE的基础上引入了DynamIQ技术，最大限度提升了架构的灵活性与扩展性，让2（大核，即A75） +6（小核）、3+5、1+7这种更高效大小核的组合变成了可能（图5）。同时，同步升级到Cortex-A55架构的“小核”也不再是性能孱弱的代名词，当不同数量的小核和大核搭配后，可以达到一个相对完美的（性）能（功）耗平衡。

作为Cortex-A73和A75的接班人，Cortex-A76采用從零开始、全新打造的CPU微架构（基于ARM v8.2指令集设计），并与台积电7nm制程工艺强强携手，带来了ARM史上最大的性能和效率的飞跃——骁龙855较之骁龙845、麒麟980较之麒麟970都有着超过40%的CPU性能提升，同时电池寿命也有所延长。用ARM的话来说，Cortex-A76是一款“笔记本电脑”级别的高性能处理器架构，同时还具有高效能，高通“骁龙牌笔记本”主打的“Always Connected PCs”概念就是这一优势的表现所在。

ARM最新发布的Cortex-A77，其代号为“Deimos（戴莫斯，畏惧之神），采用了和A76一脉相传的CPU微架构，并在其基础上进行了一定的优化（图6），并最终获得了更高的IPC性能提升（有关IPC性能，请参考本刊上期的特别话题栏目）。可以说，A77架构是站在“巨人肩膀”上的迭代之作，其性能自然值得期待。

再度提升的性能

由于Cortex-A77继承了源自A76的微架构，所以两代核心在设计上存在很多共性。用ARM的话来说，就是芯片供应商（如高通、联发科等）在构建核心时可以非常容易地升级SoC的IP设计，不会花费太多精力和成本，从而缩短了开发周期。

和Cortex-A76相比，A77核心的前端拥有更高的读取带宽，分支预测器的目标缓冲容量提升了33%，从而降低了分支的误判，提高了预测精度。同时，A77还带来了全新的Macro-Op缓存结构，添加了额外的整数ALU，新增了一个名为“系统感知预取”的功能，可避免不必要地冲击共享缓存，从而提高整体系统性能。

根据ARM公布的数据来看，在同样使用7nm制程工艺、同样运行在3GHz频率下时（仅限于理论，实际量产的旗舰SoC主频多在2.6GHz-2.8GHz之间），新的Cortex-A77比起前代的Cortex-A76，内存带宽提升了20%，在SPEC int2006和Geekbench 4有着20%的性能提升，浮点性能则有30% -35%的提升（图7）。在智能手机领域，网页浏览恰巧是考验浮点运算的杀手级应用，所以A77浮点性能的大幅提升应该可以进一步提升实际体验。参考当前骁龙855和麒麟980的表现，Cortex-A77的CPU性能应该足以超过苹果A12，并有望和苹果还未发布的A13以及三星的下一代自研猫鼬M5核心竞争。

了解Mali-G77 GPU

你被ARM Cortex-A77较前辈A76有着20%-25%的IPC性能提升且能耗保持不变惊到了？实际上，ARM最新的Mali-G77 GPU较前辈提升的幅度更大。

全新架构的诱惑

与高通和苹果SoC集成的GPU相比（如Adreno GPU），ARM自家的Mali系列GPU一直处于不温不火的状态，如果不是ARM的“亲儿子”，其影响力可能还不如PowerVR系列GPU。为了弥补自家GPU在图形领域的遗憾，ARM Mali-G77放弃了从Mali-G71到G76始终在“Bifrost”架构上缝缝补补的策略，而是改用了名为“Valhall”的新一代架构（图8），其支持全新的ISA总线和计算核心设计，针对Al运算设计了独立的单元，着重增强了抗锯齿、高分辨率以及Al辅助计算方面的性能，可以更好地适配未来4K分辨率的屏幕以及支持HDR游戏的顶级设备和标准。

根据ARM的官方数据显示，Mali-G77较之Mali-G76可以提升30%的性能和能效，Al性能更是提升了60%，每平方毫米的性能是G76的1.4倍（图9）。和更早期的Mali-G72相比，Mali-G77的功耗还下降了50%，当然，这个功耗部分大家不必太过在意，毕竟与Mali-G72搭配的还是10nm工艺，而Mali-G77即将用上最新的第二代7nm EUV工艺，功耗下降是必然的。

换句话说，Mali-G77终于有了和高通855集成的Adreno 640 GPU抗衡的底蕴。但是，ARM Mali系列GPU性能到底可以发挥几何，最终还得看芯片供应商为其配备多少计算核心，比如麒麟980和三星Exynos 9820都集成了Mali-G76，但麒麟980只为其准备了10个计算核心，也就是Mali-G76MPlO，而Exynos 9820则用上了12个计算核心，即Mali-G76MP12，所以就3D性能而言还是后者更占优势。

此外，Mali-G77即将面对的竞争对手，也将升级到骁龙865和苹果A13，这些对手的GPU只会更强，届时它们和Mali-G77相比孰优孰劣？还得等时间来验证。

小结

目前，联发科已经正式发布了全球首款采用Cortex-A77 CPU和Mali-G77 GPU打造的5G移动平台（图10），而高通下一代骁龙865也将继续基于Cortex-A77核心“魔改”。作为消费者，我们当然期待ARM官方给出的性能指标不合水分，让下一代旗舰手机可以更强。

至于ARM全新的CPU和GPU架构能否威胁到X86在笔记本领域的统治？答案是很难，因为英特尔已经对主打低功耗的U系列移动酷睿全面升级到了四核时代（图11），结合AVX512、DL Boost等新指令集和Gen 11核心显卡的加持，ARM面对的将是一个更强悍的对手。ARM在传统PC领域最大的机会，应该是极致轻薄、持久续航、专注轻办公应用环境的细分市场，它们只能作为原有市场的补充，而不是扮演现有产品替代者的角色。