在絕大部分手機(jī)愛好者的印象中，當(dāng)代手機(jī)GPU的性能與能效排名，理論上是蘋果最強(qiáng)，高通緊隨其后，而Arm的Mali GPU則顯著落后于前兩者。去年年中我們發(fā)布過(guò)一篇題為《ARM新版Mali GPU簡(jiǎn)析：這次終于趕超高通和蘋果？》［1］的文章，簡(jiǎn)單談了談Mali G77的理論性能。似乎在Arm的規(guī)劃中，Mali G77是有機(jī)會(huì)超越高通Adreno GPU的。

預(yù)計(jì)最早將采用Mali G77 GPU的手機(jī)SoC為聯(lián)發(fā)科天璣1000或三星Exynos 990；同代的高通驍龍865與Adreno 650前不久也已經(jīng)發(fā)布。這會(huì)兒雖然還沒有采用Adreno 650 GPU的機(jī)型面世，采用Mali G77的中低端機(jī)型也才剛剛開售，但從2019年包括iPhone 11系列（A13 SoC）在內(nèi)的諸多手機(jī)產(chǎn)品的問(wèn)世、Imagination A-Series GPU新架構(gòu)的發(fā)布，實(shí)則已經(jīng)很容易發(fā)現(xiàn)當(dāng)前手機(jī)市場(chǎng)的GPU表現(xiàn)，已非兩年前的格局。

前不久的Imagination發(fā)布會(huì)上［2］，Imagination提到，如果將高通Adreno 640的性能和占地面積記作100%，Arm Mali G76則需要184%的占地面積，才能達(dá)到100%的性能。這大概是Mali GPU被對(duì)比得最慘烈的一次，似乎這也符合我們對(duì)Mali GPU性能、能效孱弱的歷史認(rèn)知。

不過(guò)我們認(rèn)為這個(gè)說(shuō)法可能仍然不夠準(zhǔn)確，畢竟這和具體的產(chǎn)品相關(guān)：高通驍龍855（Adreno 640）采用的是臺(tái)積電7nm制程，而與之對(duì)比的三星Exynos 9820（Mali G76）則采用三星自家的8nm制程，僅是制造工藝的對(duì)比就已經(jīng)不公平了；事實(shí)上，不同SoC制造商對(duì)于Mali GPU的實(shí)施方案也不盡相同，華為海思對(duì)于Mali G76的實(shí)施方案和三星就是不一樣的。

本文我們借助在售機(jī)型的一些現(xiàn)成圖形計(jì)算跑分測(cè)試，以及GPU IP廠商對(duì)于新產(chǎn)品的解讀，來(lái)總結(jié)性地談一談當(dāng)前手機(jī)GPU在性能、能效方面究竟是什么格局。

移動(dòng)GPU市場(chǎng)的主要玩家

首先還是將需要對(duì)比的主要手機(jī)GPU產(chǎn)品（或IP）做個(gè)羅列。這里援引兩家統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)針對(duì)移動(dòng)GPU市場(chǎng)分析所得的數(shù)據(jù)，雖然數(shù)據(jù)并不是最新的，但仍可基本反映當(dāng)前移動(dòng)GPU市場(chǎng)的現(xiàn)狀。

從手機(jī)與平板出貨量來(lái)看，2019年第二季度的不同移動(dòng)GPU出貨量的市場(chǎng)占比分別如下圖所示：

數(shù)據(jù)來(lái)源：Stategy Analytics

這份數(shù)據(jù)來(lái)自Strategy Analytics［3］，由于我們沒有完整的數(shù)據(jù)，所以這張圖僅根據(jù)Strategy Analytics當(dāng)時(shí)發(fā)布的新聞稿繪制。值得一提的是，其中的“Others”其他，主要是Imagination和Intel，這里僅知Imagination的市場(chǎng)份額仍高于Intel，但不清楚這兩者分別的占比具體是多少。這份數(shù)據(jù)也符合我們對(duì)于移動(dòng)GPU市場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，即該市場(chǎng)的主要玩家就是蘋果、Arm、高通。

如果不從季度出貨量，而是從手機(jī)保有量來(lái)看不同GPU產(chǎn)品的市場(chǎng)份額，又是另外一番光景：

來(lái)源：DeviceAtlas

上面這份數(shù)據(jù)來(lái)自DeviceAtlas［4］，發(fā)布時(shí)間在2019年年中。這份數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的是截至2019年第一季度，DeviceAtlas數(shù)據(jù)庫(kù)中36個(gè)不同國(guó)家的GPU使用率。這份統(tǒng)計(jì)實(shí)際可能受到DeviceAtlas樣本量的局限，不過(guò)它依然符合我們的基本認(rèn)知。由于它考察的是手機(jī)保有量，而非當(dāng)季最新出貨量，所以仍有大量老設(shè)備活躍。其中PowerVR Series7XT，實(shí)際是iPhone 7時(shí)代的GPU。其他更多出現(xiàn)在榜單上的設(shè)備皆來(lái)自高通和Arm。

下面的對(duì)比中，我們考察這些市場(chǎng)玩家最新推出的GPU旗艦產(chǎn)品，以及上一代GPU旗艦產(chǎn)品——除了蘋果這樣相對(duì)特殊的市場(chǎng)參與者，通常在GPU IP發(fā)布的半年到2年的時(shí)間里，實(shí)際的芯片產(chǎn)品才會(huì)問(wèn)世，所以這些廠商的上一代GPU產(chǎn)品通常才是當(dāng)前活躍在市場(chǎng)上的旗艦。

那么實(shí)際的對(duì)比對(duì)象就十分明確了，即：

? 蘋果A13 Bionic

? 蘋果A12 Bionic

? 高通Adreno 650（高通驍龍865）

? 高通Adreno 640（高通驍龍855）

? Arm Mali G77（三星Exynos 990/聯(lián)發(fā)科天璣1000）

? Arm Mali G76（三星Exynos 9820/海思Kirin 990、980）

? Imagination PowerVR A-Series

? Imagination PowerVR Series 9

需要注意的是，Imagination的近兩代IP實(shí)際上都沒有具體的芯片產(chǎn)品問(wèn)世，Series 9XT的Furian架構(gòu)作為轉(zhuǎn)瞬即逝的一代架構(gòu)，很難做具體的量化，所以Imagination PowerVR只會(huì)在本文稍稍帶過(guò)。我們主要要對(duì)比的主角就是蘋果、高通、Arm。

話當(dāng)年Arm與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的巨大差距

Arm Mali GPU在性能和能效方面相較蘋果和高通的差距，是的的確確存在于過(guò)往歷史中的。2016年，高通驍龍835（Adreno 540）時(shí)代，同場(chǎng)競(jìng)技的選手分別是蘋果A11和Arm Mali G72/71。這時(shí)的Arm Mali GPU幾乎被前兩者吊打，無(wú)論是性能還是能效。

在此之前的Arm Mali GPU也基本處于被高通、蘋果按在地上摩擦的水平。其中比較具有代表性的是海思Kirin 960，這顆SoC選擇的是Mali G71MP8方案。Mali G71是最早采用Bifrost微架構(gòu)的一代GPU IP。

當(dāng)時(shí)采用Kirin 960的華為Mate 9在跑T-Rex霸王龍測(cè)試時(shí)（GFXBench），平均功耗達(dá)到了驚人的9.5W——要知道那會(huì)兒采用高通驍龍SoC、散熱設(shè)計(jì)最差的手機(jī)GPU平均功耗封頂也才5W，且驍龍821（Adreno 530）只需要Kirin 960不到40%的功耗就能達(dá)到相同的性能水平。在能效方面（Perf/W），驍龍821的GPU（Adreno 530）超過(guò)Kirin 960（Mali G71MP8）一倍還多。［5］

T-Rex是ALU算力需求較低，更偏向于Texture紋理、填充率和三角形輸出率的測(cè)試項(xiàng)目。而另一項(xiàng)知名的Manhattan 3.1測(cè)試，Kirin 960的情況也是慘不忍睹的。即便是一年以后的Kirin 970（Mali G72MP12）大幅提升了能效和性能，跑T-Rex測(cè)試也同樣需要同時(shí)代驍龍835（Adreno 540）2倍以上的功耗，才可勉強(qiáng)達(dá)到差不多的圖形計(jì)算性能，能效此時(shí)剛剛達(dá)到了驍龍835的一半。［6］

那會(huì)兒驍龍835的GPU平均功耗穩(wěn)定在3.5-3.8W，相比前面幾代都還在穩(wěn)步降低；海思Kirin與三星Exynos這些采用Mali GPU的SoC則明顯高于這個(gè)值一截。當(dāng)時(shí)華為Mate 10（Kirin 970）跑Manhattan 3.1測(cè)試的平均功耗遠(yuǎn)高于其可持續(xù)運(yùn)行發(fā)熱控制閾限所在的6.3W，T-Rex測(cè)試可飆至接近8W。更氣人的是，Mali G71/G72沿用了Midgard架構(gòu)時(shí)代的texture單元，還在采用雙線性過(guò)濾方案，所以游戲畫質(zhì)還落后于同時(shí)代的Adreno GPU［7］。

那應(yīng)該是高通Adreno在性能與效率表現(xiàn)上最風(fēng)光的年代，驍龍835（Adreno 540）的峰值性能雖然沒有同時(shí)代的蘋果A11（iPhone 8/X）彪悍，但持續(xù)性能達(dá)到了同等水平——Galaxy S8的長(zhǎng)時(shí)間游戲體驗(yàn)實(shí)際也強(qiáng)于iPhone 8/X。

然而高通Adreno相較蘋果A系列的持平水準(zhǔn)，以及相比Arm Mali的絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)在2019年的驍龍855身上逐漸喪失；不僅是蘋果在GPU方面的持續(xù)發(fā)力，而且有Arm的越來(lái)越逼近。

2019年的那些移動(dòng)GPU

2019年的Android旗艦主要采用的SoC就是高通驍龍855（+）、華為海思Kirin 990，以及三星Exynos 9820。同代iOS設(shè)備即iPhone 11采用的是蘋果自家的A13 Bionic SoC，GPU部分依然是蘋果自研的IP方案。在對(duì)比跑分?jǐn)?shù)據(jù)之前，還是先聊聊這幾款產(chǎn)品（或IP）相比前代的一些變化。

Bifrost架構(gòu)前兩代產(chǎn)品G71/G72相對(duì)災(zāi)難性的表現(xiàn)，在Mali G76身上得到了極大程度的緩解。2018年3月，Arm宣布推出Mali G76時(shí)宣稱，基于TSMC 7nm工藝的Mali G76預(yù)計(jì)能實(shí)現(xiàn)性能50%的提升，性能密度提升30%、微架構(gòu)效率提升30%。至于機(jī)器學(xué)習(xí)性能2.7倍提升就不是本文要探討的重點(diǎn)了。

Mali G76雖然仍是Bifrost架構(gòu)，但優(yōu)化幅度還是比較大的。其中比較值得一提的是后端執(zhí)行部分的加寬：G71/G72采用的是4-wide SIMD單元，每條lane處理單獨(dú)的FMA（Fused-multiply-add，融合乘加）和ADD/SF（加法）管線；也就是說(shuō)單周期wavefront寬度就是4指令；Mali G76將其拓寬至8-wide，比先前加倍了ALU單元數(shù)量。

Arm一直在采用很窄的wavefront——可對(duì)比的是，我們?cè)贗magination A-Series架構(gòu)剖析中提到［2］，A-Series的這部分已經(jīng)拓寬到了128-wide。Arm采用這種較窄的方案，原因是期望避免線程發(fā)散（thread divergence）帶來(lái)的ALU閑置問(wèn)題。不過(guò)較窄的wavefront（或warp size）帶來(lái)的問(wèn)題就是，與ALU配套的控制邏輯電路更多，ALU單元數(shù)量與控制電路之比更小。更寬的SIMD可以帶來(lái)更好的芯片面積效益，實(shí)際相同芯片尺寸下也可以塞進(jìn)更多的ALU單元。4-wide就實(shí)際代碼的線程發(fā)散來(lái)看，也實(shí)在沒有必要。Arm自己也說(shuō)，現(xiàn)在的游戲GPU代碼粒度需求和G71時(shí)期已經(jīng)不大一樣了。

與SIMD lane同時(shí)提升的，還有相應(yīng)支持的cache和通路，以及像素、紋素（texel）硬件，保持先前相同的ALU與紋理/像素單元的數(shù)量比值關(guān)系。G76實(shí)際上有些類似于把兩個(gè)G72核心合并成一個(gè)核心，但實(shí)際所占的面積卻比兩個(gè)核心小得多。Arm官方比較推薦的G76核心數(shù)目是12個(gè)，雖然這樣的小核心數(shù)量仍然比蘋果、高通Adreno這些GPU多多了，但G76在走多核心、小核心的思路上已經(jīng)發(fā)生了一定程度的轉(zhuǎn)變。

G76相比前代的其他改進(jìn)還包括增加INT8的進(jìn)一步支持——這應(yīng)該主要是針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的；針對(duì)多邊形回寫操作，G76采用亂序回寫機(jī)制，在發(fā)生回寫停滯時(shí)具備了更好的操作彈性；其他調(diào)整還有針對(duì)tile buffer、線程本地存儲(chǔ)機(jī)制等。

就Arm自己紙面上對(duì)Mali G76的宣傳來(lái)看，這種提升其實(shí)是比較中規(guī)中矩的，并非大幅跨越。

有關(guān)高通Adreno 640（驍龍855）能談的理論部分則并不多，因?yàn)锳dreno對(duì)外界而言始終是個(gè)黑匣子，高通幾乎不對(duì)外界披露太多有關(guān)Adreno的技術(shù)細(xì)節(jié)。可分享的是高通提供的一些數(shù)據(jù)，包括相比上代提升20%性能（相比Adreno 630）；另外高通還在發(fā)布會(huì)上提到Adreno 640增加了執(zhí)行FP32、FP16操作的ALU單元數(shù)量，增加50%。外媒AnandTech曾推測(cè)Adreno 630每個(gè)核心的ALU數(shù)量是256個(gè)［8］，總共2個(gè)核心。

那么這樣算來(lái)Adreno 640每個(gè)核心的ALU數(shù)量為384個(gè)，雙核總共768個(gè)（理論上Adreno小升級(jí)應(yīng)該不會(huì)再增加核心數(shù)）。ALU lane數(shù)量增加和高通宣稱20%的性能提升并不對(duì)等，所以預(yù)計(jì)Adreno 640的頻率可能是下降的。另外高通在《絕地求生》40fps演示中宣稱功耗下降將近30%，未知這里的功耗指的具體是什么功耗。

Adreno 640在特性方面包括支持真正的HDR游戲、Physically Based Rendering（基于物理的渲染）游戲——通過(guò)更為準(zhǔn)確的光線物理與材料交互，讓游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)提升真實(shí)性；圖形管線支持10bit色深、Rec 2020色域來(lái)實(shí)現(xiàn)HDR，支持HDR10+與Dolby Vision格式；支持120fps游戲、8K 360°視頻回放。

來(lái)源：ChipRebel［9］，TechInsights［10］ via AnandTech

這部分最后再來(lái)談?wù)勌O果A12/A13。蘋果本身也很少公開自家GPU的技術(shù)信息。我們可挖掘的大致也就是通過(guò)die shot來(lái)做觀察。A12的GPU部分看起來(lái)實(shí)則非常像A11——蘋果A11采用的仍然是Imagination的Rogue架構(gòu)GPU。A12采用的仍然是TBDR（基于tile的延后渲染）機(jī)制，這在移動(dòng)GPU中比較有代表性的目前也就是Imagination了；此外蘋果也支持PVRTC紋理壓縮（PowerVR Texture Compression）。有充分理由相信即便蘋果2017年和Imagination停止合作，其“自研”GPU也依然保留了Imagination基因，只是雙方的授權(quán)協(xié)議細(xì)節(jié)未知。

A12 GPU（iPhone Xs）一個(gè)較大的改進(jìn)在于支持內(nèi)存壓縮，即從GPU到主內(nèi)存的frambuffer壓縮。蘋果是支持GPU存儲(chǔ)壓縮特性，相對(duì)比較晚的一家SoC廠商了。不過(guò)從實(shí)際效果來(lái)看，這個(gè)特性的加入的確讓A12 GPU實(shí)現(xiàn)了很大程度的性能與效率提升。蘋果宣稱A12 GPU性能提升達(dá)到了50%，核心數(shù)目增加到4個(gè)。

A13 die shot，來(lái)源：AnandTech［11］

A13 GPU（iPhone 11）的die shot可見，最大變化在于后端ALU模塊和紋理單元，前端部分看起來(lái)是比較相似的；蘋果宣稱A13性能提升20%，相同性能下的功耗下降40%；另外蘋果特別提到加強(qiáng)了SoC散熱能力：iPhone X與Xs的發(fā)熱表現(xiàn)的確比較巨量。

Adreno、Mali、蘋果GPU實(shí)際性能對(duì)比

以上基本都是理論分析，和廠商宣傳中的性能提升。在此我們基于AnandTech過(guò)去1年所做的測(cè)試，做GPU基準(zhǔn)跑分匯總對(duì)比。

在測(cè)試對(duì)比的手機(jī)設(shè)備選擇上，A12、A13顯然就是iPhone Xs Max與iPhone 11 Pro Max這兩款機(jī)型；Arm Mali G76的選擇也比較簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)華為Mate 30 Pro（Kirin 990），與三星Galaxy S10+（Exynos 9820）。

尤為值得一提的是，海思Kirin 990的Mali G76方案規(guī)模更大，海思采用的是16個(gè)核心的Mali G76，頻率約在600MHz（Kirin 990 5G似有將頻率提升至700MHz）；三星Exynos 9820的GPU配置為Mali G76MP12，頻率約在702MHz。

Adreno 640（驍龍855）的終端設(shè)備選擇比較多樣，而且不同手機(jī)制造商對(duì)Adreno 640的系統(tǒng)設(shè)計(jì)所呈現(xiàn)的性能、效率差別實(shí)則是比較大的。這里我們選擇實(shí)施方案比較有代表性的幾款機(jī)型，分別是一加7 Pro，谷歌Pixel 4 XL，以及黑鯊2、三星Galaxy S10+（驍龍855版）。通過(guò)多款機(jī)型的對(duì)比，實(shí)則也能看出OEM制造商在系統(tǒng)、散熱設(shè)計(jì)方面的功力。

需要注意的是，這幾款GPU（及對(duì)應(yīng)的SoC），以及手機(jī)上市的時(shí)間是不一樣的，跨度可能超過(guò)了半年；而且手機(jī)由于屏幕尺寸差異，散熱效率的基礎(chǔ)也不一樣——屏幕尺寸有市場(chǎng)定位導(dǎo)向，并不是廠商可任意做大的；針對(duì)不同細(xì)分市場(chǎng)也存在手機(jī)散熱設(shè)計(jì)、溫控機(jī)制等差別，比如黑鯊2是游戲定位的，它以犧牲手機(jī)輕薄性為代價(jià)做整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，理論上可以獲得更好的性能表現(xiàn)（但似乎也只是理論上）。

這里還需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，蘋果A13的制造工藝會(huì)更先進(jìn)，而三星Exynos 9820則相較其他SoC的制造工藝都略遜一籌，為8nm LPP。所以并不能簡(jiǎn)單說(shuō)，誰(shuí)跑分更高、誰(shuí)的設(shè)計(jì)就一定更優(yōu)秀。且測(cè)試仍涉及軟件、系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)層面，所以這里的對(duì)比可能并不嚴(yán)謹(jǐn)。

測(cè)試項(xiàng)目選擇是AnandTech常規(guī)的幾項(xiàng)，包括了3DMark Sling Shot 3.1 Extreme Unlimited – Physics/Graphics

數(shù)據(jù)匯總自AnandTech

在以上測(cè)試項(xiàng)中，我們認(rèn)為最能表現(xiàn)GPU圖形計(jì)算能力的，就是GFXBench Manhattan（曼哈頓），T-Rex（霸王龍），以及Aztec Ruins高畫質(zhì)測(cè)試場(chǎng)景，測(cè)試結(jié)果單位為幀率（fps，每秒幀數(shù)）。不過(guò)這幾個(gè)測(cè)試都有自己的偏向性，比如T-Rex測(cè)試相對(duì)而言更偏向GPU紋理與填充率吞吐表現(xiàn)，而Manhattan則屬于shader核心重型任務(wù)。圖表中橙色柱狀條表示持續(xù)性能，藍(lán)色表示峰值性能。

需要指出的是，峰值性能并不是沒有意義的。蘋果在早期宣傳中更喜歡談持續(xù)性能——即持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間跑圖形計(jì)算高負(fù)荷任務(wù)的穩(wěn)定性能狀態(tài)，因?yàn)檫@對(duì)于游戲的實(shí)際體驗(yàn)才是更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。但從iPhone Xs開始，蘋果也越來(lái)越關(guān)注設(shè)備的峰值性能，因?yàn)榉逯敌阅茏非蟮氖撬矔r(shí)突發(fā)性能：iPhone在大量場(chǎng)景實(shí)際都依賴GPU計(jì)算，包括app中的通用硬件加速，甚至拍照處理的GPU計(jì)算——這類場(chǎng)景更看重突發(fā)性能，需要盡最快速度處理一些固定負(fù)載任務(wù)。GPU的這種通用性，令其峰值性能成為需要考察的重要指標(biāo)。Android系統(tǒng)近些年實(shí)則也一直在這方面努力。

從我們匯總的柱狀圖不難發(fā)現(xiàn)，蘋果A12/A13在GPU性能方面是獨(dú)占鰲頭的，其他表現(xiàn)最出色的GPU峰值性能才剛剛達(dá)到了A12的持續(xù)性能。

而高通Adreno 640組（中間4款設(shè)備）與Arm Mali G76組（最后2款設(shè)備）的對(duì)比，至少就性能來(lái)看是很難簡(jiǎn)單分出伯仲的。尤其我們看到華為Mate 30 Pro在Mali G76的方案實(shí)施中表現(xiàn)出了完全能夠和Adreno 640比肩的性能水平，持續(xù)性能甚至比絕大部分Adreno 640機(jī)型表現(xiàn)更出色。

而且海思Kirin 990這一代Mali實(shí)施方案，也真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)三星Exynos的超越——這在以往也是比較少見的，因?yàn)榍靶┠耆强偰茉谕鶤rm Mali實(shí)施方案中領(lǐng)先于海思。不過(guò)這一點(diǎn)仍需要考慮到Kirin 990的GPU是在Kirin 980基礎(chǔ)上的一次改良，且Kirin 990推出時(shí)間遠(yuǎn)晚于三星Exynos 9820。

值得一提的是，雖然一加7 Pro在持續(xù)性能和峰值性能方面看來(lái)十分接近，也表現(xiàn)出了Adreno 640機(jī)型的最佳水準(zhǔn)，但這和一加7 Pro溫控機(jī)制十分激進(jìn)有關(guān)——這款手機(jī)允許屏幕表面溫度飆升到51℃，所以其持續(xù)性能會(huì)明顯強(qiáng)于其他Android機(jī)型。可對(duì)比的是Galaxy S10+溫控會(huì)將設(shè)備表面溫度控制在42-43℃之間；華為Mate 30 Pro則在45℃上下。這組數(shù)據(jù)中另外比較奇怪的是黑鯊2，這是一款定位玩游戲的手機(jī)，但AnandTech測(cè)試中，其溫控非常保守，導(dǎo)致黑鯊2在整個(gè)Adreno 640（驍龍855）陣營(yíng)中都屬于性能較弱的水平。

來(lái)源：AnandTech

性能表現(xiàn)之外，GPU的功耗和效率也很重要。這里選擇Manhattan與T-Rex測(cè)試的系統(tǒng)有功功率（從設(shè)備總功耗中減去相應(yīng)負(fù)載場(chǎng)景的閑時(shí)功耗），以及最終的效率來(lái)做對(duì)比——這是以往Arm Mali被蘋果和高通碾壓的絕對(duì)弱勢(shì)項(xiàng)（主要可以參見表中最末一位的Exynos 8895）。

iPhone這兩年若單論GPU突發(fā)以及平均功耗（第四列Avg. Power），可以說(shuō)是高得驚人的，尤其A12快速推升到高性能的動(dòng)作，會(huì)將3Dmark跑到崩潰，崩潰前的瞬時(shí)功耗可達(dá)7-8W；A13已經(jīng)收斂不少，但峰值功耗依然可超過(guò)6.2W。上表中，iPhone后面的“Warm”表示在測(cè)試項(xiàng)跑過(guò)3遍以后，整體GPU性能會(huì)下降并趨于穩(wěn)定，這個(gè)狀態(tài)下的功耗會(huì)更加合理；而“Cold/Peak”則表示設(shè)備溫度較低時(shí)，初始跑測(cè)試可達(dá)到的狀態(tài)。

蘋果A12（iPhone Xs Max）在用戶體驗(yàn)方面并不算好，主要原因是在GPU任務(wù)負(fù)載伊始，就傾向于快速達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并致設(shè)備在使用的前幾分鐘就明顯升溫。實(shí)際上蘋果GPU的持續(xù)性能已經(jīng)足以應(yīng)付大部分工作，而不需要在很多時(shí)候這么“拼”。蘋果在A13這一代更偏著力在溫控方面，體驗(yàn)也就比A12好了很多。

即便如此，如果看能效——即性能成績(jī)÷功率=每瓦性能（上表中的最后一列），則A12/A13 GPU部分依然能夠甩開其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手很遠(yuǎn)的距離。在達(dá)到與A12 GPU相同性能水平下，A13 GPU的功耗低了32%——雖然沒有蘋果吹的40%那么厲害，但也已經(jīng)十分優(yōu)秀。

過(guò)去高通Adreno雖然在絕對(duì)性能上無(wú)法與蘋果Ax GPU相提并論，但在能效方面，高通離蘋果還是十分接近甚至不相伯仲的。但在最新一代產(chǎn)品中高通似乎已經(jīng)被蘋果甩開了一段距離。T-Rex測(cè)試中，驍龍855版Galaxy 10+的GPU能效水平為40.70fps/W，相較穩(wěn)定狀態(tài)下的A13差距達(dá)到了將近50%。

更糟糕的是，Mali G76似乎已經(jīng)在游戲圖形計(jì)算效率方面達(dá)到了與Adreno幾乎持平的水平。Mali對(duì)Adreno的步步緊逼，實(shí)則更體現(xiàn)在2018年的上一代Mali G76產(chǎn)品上，同樣采用Mali G76的海思Kirin 980（但實(shí)施方案與Kirin 990有差異），當(dāng)時(shí)宣稱GPU能效（power efficiency）提升178%——2018年AnandTech針對(duì)Kirin 980 GPU（Mali G76MP10）的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在GPU滿載狀態(tài)下，平均能效提升相比Kirin 980（Mali G72）達(dá)到了100%，如果按照相比Kirin 970同等性能時(shí)的功耗與效率來(lái)看，則其GPU能效提升的確可能達(dá)到了華為宣傳中的178%，這在行業(yè)內(nèi)都是相當(dāng)罕見的提升幅度。

不過(guò)Kirin 980的GPU依然在性能和效率方面落后于同代驍龍845，部分測(cè)試的能效成績(jī)與驍龍835接近。但此時(shí)的差距已經(jīng)比Kirin 970時(shí)期縮小了非常多。到Kirin 990在GPU能效方面的表現(xiàn)，就Aztec與Manhattan測(cè)試已經(jīng)能夠和驍龍855打得有來(lái)有回，甚至部分超越（不過(guò)這與不同手機(jī)設(shè)備的具體情況仍然相關(guān)），這在以往是從來(lái)沒有過(guò)的。

最后再來(lái)看看3Dmark Sling Shot 3.1 Extreme Unlimited – Physics/Graphics測(cè)試，這兩項(xiàng)測(cè)試側(cè)重考察的性能重點(diǎn)與前面的測(cè)試不同，3Dmark Physics測(cè)試實(shí)際上是3D負(fù)載中偏CPU性能的測(cè)試。華為Mate 30 Pro表現(xiàn)出了最出色的成績(jī)，這和Cortex A76的prefetcher加強(qiáng)，以及Kirin 990本身的存儲(chǔ)子系統(tǒng)加強(qiáng)有關(guān)；Graphics偏重圖形測(cè)試，蘋果仍然表現(xiàn)出了不錯(cuò)的成績(jī)，對(duì)驍龍855實(shí)施比較激進(jìn)的一加7 Pro也表現(xiàn)不錯(cuò)。

需要再次強(qiáng)調(diào)的是，測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)、軟件版本都有關(guān)系，iPhone在3Dmark測(cè)試中的表現(xiàn)普遍并不算出色，必然是遇到了一些瓶頸的；基于iPhone Xs Max，在iOS 12與13兩套系統(tǒng)中的3Dmark Graphics測(cè)試結(jié)果上就存在20%的差別。所以上述結(jié)果和展示方法并不嚴(yán)謹(jǐn)。

不過(guò)在以上整體對(duì)比中，我們甚至可以認(rèn)為，圖形計(jì)算頭一次不再成為Arm Mali，以及海思Kirin SoC的軟肋。這和兩年前的狀況已大不相同。

不過(guò)以上我們并沒有對(duì)比GPU的“面積效率”或“性能密度”，比如蘋果A13的GPU部分總面積達(dá)到了15.28mm2，這是相較大部分移動(dòng)GPU都明顯更大、成本更高的方案。高通驍龍和Adreno系列近些年都是以小尺寸著稱的。

三星Exynos 9820與海思Kirin 990 5G die shot，分別來(lái)自ChipRebel［13］與TechInsights［14］，標(biāo)注是由AnandTech進(jìn)行的

從TechInsights公開的信息來(lái)看，驍龍855的die size為73.27mm2，這是主流SoC中相當(dāng)小的方案。只是沒有研究機(jī)構(gòu)公開對(duì)驍龍855 die的模塊labeling，所以我們不清楚Adreno 640大致占到其中多大的面積。可參考驍龍845的Adreno 630占地面積為10.69mm2［15］——考慮到Adreno 640加大了后端，其尺寸理論上會(huì)更大。

而上圖分別是Exynos 9820與Kirin 990 （5G版）的die shot。Exynos 9820的die size大約是127mm2；Kirin 990 5G的整體die size約為113mm2。Kirin 990 5G雖然采用的制造工藝更先進(jìn)，但因?yàn)镚PU規(guī)模更大，目測(cè)實(shí)施方案的占地面積可能會(huì)大于Exynos 9820的方案，整體應(yīng)該是差不太多的。

Imagination在上個(gè)月的發(fā)布會(huì)上提到，Exynos 9820的Mali G76MP12用184%的面積，才達(dá)到與驍龍855 Adreno 640相同的性能——如果這個(gè)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，那么高通目前仍然在面積效率方面具有相當(dāng)?shù)念I(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，即便Mali GPU已經(jīng)在性能和能效方面做到了幾乎與Adreno齊頭并進(jìn)。這一點(diǎn)我們猜測(cè)與Arm Mali仍然采用較窄的wavefront（或warp size），以及小核心、多核心的思路有關(guān)。

2020年的移動(dòng)GPU展望

2019年年中，Arm發(fā)布Mali G77，我們之前也已經(jīng)在《ARM新版Mali GPU簡(jiǎn)析：這次終于趕超高通和蘋果？》一文中對(duì)Mali G77的架構(gòu)改進(jìn)做了比較具體的闡述［1］。這次在架構(gòu)層面的改進(jìn)幅度還是相當(dāng)之大的，新的Valhall架構(gòu)進(jìn)一步將執(zhí)行引擎的wavefront size（或warp size）增加到16-wide；以前的3個(gè)執(zhí)行引擎合并后分成兩條ALU管線，每條有各自的FMA相關(guān)單元（融合乘加單元，也就是每個(gè)核心32個(gè)FMA）；TMU單元（紋理貼圖單元）吞吐能力翻番。

Arm當(dāng)時(shí)提到，G77的性能密度提升30%（每mm2性能提升1.2-1.4倍），能效提升30%（每瓦性能提升1.20-1.39倍）；綜合峰值圖形性能預(yù)計(jì)可提升40%——這個(gè)值當(dāng)然與不同廠商的實(shí)施方案還將息息相關(guān)。

前不久，高通也發(fā)布了最新的驍龍865及與其配套的Adreno 650。比較令人在意的是，高通今年的Adreno仍然停留在600系列——這樣一來(lái)，這已經(jīng)是高通連續(xù)第三年采用Adreno 600系列來(lái)為產(chǎn)品冠名了，這在以前似乎是從沒有過(guò)的，可見這代升級(jí)仍然并不是什么太大幅度的升級(jí)。

高通提到，Adreno 650還將繼續(xù)增加ALU單元+50%，以及像素渲染單元+50%（每個(gè)時(shí)鐘周期處理+50%的像素，也就是ROP光柵化處理），預(yù)計(jì)總體性能提升為25%。如果說(shuō)ALU單元數(shù)量增加50%，推測(cè)Adreno 650的核心數(shù)可能要增加一個(gè)，或者也可能是單核ALU數(shù)量變?yōu)?12個(gè)；ROP單元也增加的話，最終講改變處理紋素：像素單元比例。而在功耗與效率方面，高通表示在相同性能水平下，Adreno 650效率會(huì)高出35%；另外持續(xù)性能會(huì)明顯優(yōu)于Adreno 640。

AnandTech對(duì)驍龍865的參考設(shè)計(jì)機(jī)型做了測(cè)試［16］，僅有峰值性能數(shù)據(jù)。這里只摘錄其中的Manhattan 3.1與T-Rex 2.7測(cè)試項(xiàng)，其GPU性能水平如上圖所示。測(cè)試結(jié)果基本符合高通所說(shuō)的25%性能提升，峰值性能優(yōu)于2019年的Adreno 640與Mali G76，但仍未達(dá)到蘋果A12的水平。其能效（Perf/W）接近A12的水平，領(lǐng)先于Mali G76與Adreno 640——這一點(diǎn)當(dāng)然也是必然的，這里不再給出詳細(xì)數(shù)據(jù)。

值得一提的是，最終驍龍865手機(jī)依然會(huì)由于OEM廠商在實(shí)施方案上的差別而存在性能與能效的差異，所以這個(gè)數(shù)據(jù)只能作為參考。

25%的性能提升實(shí)際是年度迭代比較符合常規(guī)的數(shù)字，不過(guò)如果Arm宣傳中提到的Mali G77性能與能效提升水平的確能夠?qū)崿F(xiàn)，那么高通的這點(diǎn)提升將不具有競(jìng)爭(zhēng)力——至少在性能與功耗效率方面，Adreno在2020年有被Mali趕超的可能性，高通正逐漸丟失往日相較Arm在圖形計(jì)算方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位；且與蘋果存在越來(lái)越大的差距。

最后仍然需要提到Imagination，雖然Imagination近些年在移動(dòng)GPU的市場(chǎng)份額方面還在逐年萎縮，但在GPU性能與效率上卻是個(gè)十分恐怖的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，尤其在前一陣PowerVR A-Series新架構(gòu)發(fā)布以后，我們也已經(jīng)對(duì)新架構(gòu)做了相對(duì)詳細(xì)的解析［2］。

Imagination宣稱，如果將Adreno 640的占地面積和性能均視作100%，則Mali G76需要184%的面積才能達(dá)到100%的性能；而A-Series GPU可以“更小、更低的功耗”實(shí)現(xiàn)175%的性能。這個(gè)數(shù)字實(shí)則遠(yuǎn)超今年即將大規(guī)模上線的高通Adreno 650，以及Arm Mali G77。

而且就在這兩天，Imagination剛剛宣布蘋果再度與其簽署多年授權(quán)協(xié)議，未來(lái)蘋果A系列芯片的GPU仍能見到Imagination的IP方案，雖然我們不清楚個(gè)中合作細(xì)節(jié)，蘋果目前“自研”的GPU IP中也還能見到Rogue架構(gòu)的影子。但或許，蘋果對(duì)于Imagination這次發(fā)布的A-Series，以及規(guī)劃中的B-Series、C-Series、D-Series都十分感興趣。

而蘋果與Imagination恢復(fù)合作，預(yù)計(jì)還將促成更多SoC制造商與Imagination的合作。這將成為刺激移動(dòng)GPU市場(chǎng)推進(jìn)的又一大變數(shù)。在2020年的移動(dòng)GPU市場(chǎng)上，高通大概是現(xiàn)如今最需要重整旗鼓的市場(chǎng)玩家了。