骁龙865背后的CPU+GPU模块技术解析

手机的“心脏”只有指甲盖大小，但凭借着高集成度的SoC身份，这种芯片却完美诠释了“麻雀虽小五脏俱全”的定义。

如果说指令集架构和制程工艺决定了SoC的天赋（详见《硬核科普！为啥说SoC的性能取决于架构和工艺？》），那SoC的直观战斗力则全看CPU+GPU模块的规格了。骁龙865之所以是Android手机圈综合性能最强的SoC，就是源于其集成的GPU更加强悍。

接下来，我们就将SoC分解，并先来看看影响其绝对性能的这两个关键模块。

*****CPU：性能基石*****

在SoC的组成部分中，CPU是最关键的核心单元之一，我们可以将它理解为PC上的酷睿处理器，而它的强弱主要受到以下几个参数的影响。

手机专用的SoC都属于“ARM处理器”，而ARM公司与芯片厂商的合作则存在3种形式：

原生Cortex-A系列架构

ARM公司平均每年都会推出全新的“原生”（公版）架构，包括性能级的Cortex-A7x，以及效能级的Cortex-A5x，前者可以作为CPU中的“大核”，目前SoC正好处于Cortex-A76向Cortex-A77之间的过渡阶段，2020年中旬ARM还将祭出Cortex-A78架构。

Cortex-A架构版本越高，性能越强

后者则属于CPU中的“小核”，Cortex-A73或更早期的大核都会与Cortex-A53搭配，从Cortex-A75开始则与Cortex-A55“联姻”，短期内ARM还没有更新效能级核心架构的计划。

基于Cortex的半定制化架构

芯片商在拿到ARM原生Cortex-A的架构后，可以对其进行一定程度的改造，从而实现更高性能、更多功能或更低功耗。

高通旗下的骁龙SoC总会采用名为“Kryo”的核心架构，而它们就都是基于原生Cortex-A架构半定制化而来，业内人士还习惯将这种形式称为“魔改”。

华为从麒麟980开始，包括最新推出的麒麟820，也是主打Cortex-A Based，理论上也是一种半定制化的魔改。

基于指令集的自研架构

如果芯片商只凭借ARM的指令集授权，并在此基础上研发芯片，则可被归类到“自研”架构。

比如骁龙820采用的Kryo核心、三星猫鼬（Mongoose）核心、苹果从A5往后的SoC就都采用了在ARM指令集基础上的自研CPU架构。

从ARM授权的成本角度来看，采用原生架构的授权费用最低，魔改次之，基于指令集的授权最高，而且芯片商想在ARM指令集基础上加以定制优化以形成自己独特的设计，还需要强大的研发实力，所以目前只有苹果、高通和三星有所涉猎。

从性能的角度来看，不同时期的架构之间则存在明显的性能压制，比如Cortex-A77天生就比Cortex-A76更强，但同一时期的原生、魔改和自研架构之间的差异其实并不大，主要还是受制于核心数量、多丛集和最高主频方面的影响。

多丛集设计

我们都知道Cortex-A7x性能比Cortex-A5x更强，为什么没有SoC采用全部由Cortex-A7x打造的多核处理器？

答案很简单，高性能的背后就是高功耗，为了让智能手机可以具备至少一天一充的续航底线，手机SoC必然要采取“大小核”（Cortex-A73之前称Big.Little，Cortex-A75之后为DynamIQ Big.Little）的搭配策略。

从Cortex-A75开始，DynamIQ技术可以实现更灵活的核心搭配

为了更好地权衡性能和功耗，手机SoC在“大小核”的基础上还引入了“多丛集”的概念，比如联发科天玑1000就是了“4+4”双丛集的代表，由4×Cortex-A77和4×Cortex-A55共计8个CPU核心构成。

麒麟990和骁龙865都是三丛集代表，差异是前者采用了“2+2+4”（2×A76+2×A76+4×A55），后者则是“1+3+4”（1×Kryo 585+3×Kryo 585+4×Kryo 585），即大核+中核+小核三种核心搭配的策略。

在不考虑功耗的前提下，自然是大核架构越先进，数量越多性能越强。

骁龙865的三丛集设计

但是，现实中SoC在全速运行（玩游戏）时CPU非常容易因过热而触发降频机制，从而导致性能骤降引起卡顿问题。

因此，“2+6”的双丛集和“1+3+4”或“2+2+4”的三丛集设计正逐渐成为主流。

运行频率

CPU的性能强弱，除了受制于核心架构和多丛集设计，运行频率的影响总是更加立竿见影。

我们都知道Cortex-A77架构比Cortex-A76架构强，但2019底才刚刚量产的联发科1000L（大核为Cortex-A77）的CPU性能却还不如2018年底上市的麒麟980（大核为Cortex-A76）。

原因很简单，联发科1000L的大核主频只有2.2GHz，而麒麟980的主频则高达2.6GHz，更高的主频足以弥补核心架构和大核数量上的劣势。

相同SoC的手机之间，散热设计越好的手机性能往往也是最强的

因此，对于同期同级别的SoC而言，谁的CPU主频更高，往往更容易取得性能上优势。当然，前提是手机自身的散热设计必须过硬，可以让CPU长时间运行在预设的最高主频上。

*****GPU：游戏引擎*****

GPU是SoC中重要性仅次于CPU的单元，我们可以将它理解为PC上的独立显卡，一款手机能支持多高的分辨率、刷新率、玩游戏能跑出多少帧数，几乎都需要看GPU的脸色。

GPU品牌

和SoC中的CPU单元由ARM一家独大不同，其集成的GPU单元还未江湖一统，在Android手机领域正处于“三国争霸”的格局——高通旗下的骁龙SoC全部集成自家Adreno品牌的GPU，华为/三星旗下的SoC则青睐ARM公司推出的Mali品牌GPU，联发科则经常“脚踏两只船”，ARM Mali GPU和Imagination公司的PowerVR GPU都有所涉猎。

据悉，三星已经携手AMD，在未来Exynos SoC很可能会集成由AMD授权的RDNA架构GPU，而华为也正在开展自研GPU的项目。

核心架构

和ARM CPU架构总在不断升级一样，各个品牌的GPU每隔1年~2年也会完成一次迭代。

其中，高通Adreno GPU刚刚完成了Adreno 500向Adreno 600的全面升级，从定位中低端的骁龙665（Adreno 610）到最新的顶级旗舰骁龙865（Adreno 650），Adreno 6x0中的“x”数字越大代表性能越强。

ARM Mali品牌的高端GPU正经历由Mali-G76（与Cortex-A76 CPU搭配）向Mali-G77（与Cortex-A77 CPU搭配）过渡，而中端GPU很快也要从Mali-G52升级到Mali-G53。

ARM Mali GPU的发展路线

在大的方向上，Mali-G7x肯定强过Mali-G5x，并同样是“x”数字越大代表性能越强。Imagination GPU很快也要从第九代（PowerVR 9）过渡到第十代（PowerVR IMG A），考虑到该系列GPU比较小众，我们就不在本文赘述了。

如果你想了解更多手机GPU的历史和相关技术，请参考《手机处理器的GPU谁最强？看完这篇文章你就懂了！》这篇文章。

计算单元

在现实中，很多GPU都采用相同架构的核心，但它们的GPU性能却存在很大的差异。

比如，骁龙675（Adreno 612）和骁龙730（Adreno 618）集成的都是Adreno 61x系列GPU，麒麟990和Exynos 980集成的也都是Mali-G76 GPU，但它们两两之间的3D性能却不可同日而语。

DIY用户都知道，PC领域的独立显卡会根据不同数量的“流处理器”来划分档次。

手机SoC内的GPU也是如此，只是这里的“流处理器”叫法不同，高通Adreno GPU称做“ALUs”，ARM Mali GPU则叫“Shader Core”，我们习惯将它们统称为“计算单元”。

还是以麒麟990和Exynos 980为例，前者为Mali-G76 GPU搭配了16个计算单元，即Mali-G76MP16，而后者的计算单元数量只有5个，即Mali-G76MP5，所以麒麟990的3D性能至少2倍~3倍于Exynos 980。

图形接口

在3D游戏的开发中，API图形接口越先进，GPU的执行效率越高。

如果手机GPU恰好支持这种API，就能最大限度避免“负优化”，还有机会实现“越级挑战”。

手机SoC GPU所支持的API主要以OpenCL、OpenGL、Vulkan和DirectX为主，目前它们最新的版本分别为OpenCL 2.0FP、OpenGL ES3.2、Vulkan 1.1和DX12，很多最新的GPU加入了多神经网络加速器的优化，可配合NPU单元进一步加速AI运算。

从2018年底开始很多中端手机玩《王者荣耀》也能启动60FPS模式并比同时期的旗舰级还要流畅，就是因为该游戏推出了Vulkan API的优化版，可以进一步释放新款GPU的全部潜力。

运行频率

和CPU一样，GPU的强弱除了架构之外，也受到运行频率的牵制。联发科Helio G90、骁龙730和骁龙765是最具代表性的SoC，它们都存在一个后缀带“G”的型号，通过提升CPU和GPU的频率获得了更强的性能（表2）。

如果你只关注绝对性能，看到这里就能告一段落了。

当我们看到一款陌生的SoC时，可以先看制程工艺，如果它能采用7nm或7nm+EUV就代表它具备更加节能省电的特性。

然后看CPU架构和主频，Cortex-A77和Kryo 500核心代表着当前架构的最强音，当CPU主频高于2.6GHz那它就具备旗舰级的CPU性能，如果低于2.4GHz就是中等偏上。

如果你喜欢玩游戏，就需要看它的GPU是Mali-G7x还是Mali-G5x，并数一下计算单元的数量，多多益善。

然而，手机并不仅限于跑分和玩游戏，在追求更强性能之余，它在日常应用环境下的表现，往往要比绝对的性能更加重要。比如，基带、DSP、ISP等单元，如果你对它们的作用感兴趣，请关注CFan的后续报道。