追本溯源 淺析Android玩游戲不如iPhone的原因

在智能手機(jī)領(lǐng)域，Android手機(jī)和蘋果iPhone始終是涇渭分明的兩大陣營。就硬件規(guī)格的表面參數(shù)來看，Android手機(jī)似乎始終凌駕于iPhone之上。比如iPhone 7 PlUS才用上3GB內(nèi)存，但Android卻用上了6GB甚至8GB；iPhone 7剛用上四核，Android的八核/十核卻早已普及。問題來了，雖然Android陣營參數(shù)層面優(yōu)勢明顯，但在實(shí)際的游戲體驗(yàn)中為何依舊落后于對手？

先從安兔兔排行說起

自從安兔兔推出跨平臺(tái)（Android和iOS）的軟件版本之后，綜合排行榜的前兩位就始終被iPhone 6/7和iPhone 6/7Plus所霸占，雷打不動(dòng)（圖1）。問題來了，以最新的iPhone 7Plus為例，這款手機(jī)搭載的A10Fusion只是一顆四核處理器，為什么它的性能卻能超越Android領(lǐng)域的一眾八核/十核處理器？

無論是蘋果、三星、高通、聯(lián)發(fā)科還是海思、松果，所有生產(chǎn)手機(jī)處理器芯片的廠商都離不開ARM的授權(quán)。只是，ARM授權(quán)方案分為兩種：

源于自主研發(fā)的實(shí)力

第一種是ARM直接授權(quán)設(shè)計(jì)好的IP內(nèi)核，比如Cortex-A53、Cortex-A72和Cortex-A73等（圖2），芯片廠拿到IP內(nèi)核授權(quán)后，只要按需選擇核心數(shù)量、互聯(lián)總線、緩存等就能完成CPU部分的設(shè)計(jì)。當(dāng)再塞進(jìn)GPU、通訊基帶和電源管理等模塊后就是一個(gè)完整的SoC了（圖3）。我們習(xí)慣將這種IP內(nèi)核授權(quán)稱為“公版架構(gòu)”，聯(lián)發(fā)科、海思和松果處理器就都以公版架構(gòu)為主。

第二種是ARM僅授權(quán)指令集，比如ARMv7和ARMv8（圖4），芯片廠拿到這些指令集后，再自行進(jìn)行IP內(nèi)核的設(shè)計(jì)，然后才能完成CPU部分的搭建。而這種基于指令集授權(quán)而設(shè)計(jì)的內(nèi)核，我們習(xí)慣將其稱為“自主架構(gòu)”。蘋果、高通和三星旗下的頂級(jí)處理器就都以自主架構(gòu)為主，比如高通驍龍810/820/835就都采用了自主的Krait（金環(huán)蛇）架構(gòu)，三星E×vnos 8890/8895就采用了自主的Monqoose（貓鼬）架構(gòu)（圖5）。

一般來說，能搞自主架構(gòu)的都是更具實(shí)力的芯片廠而自主架構(gòu)的CPU核心，在同頻率的性能上都會(huì)領(lǐng)先于ARM的公版架構(gòu)。但是，既然是自主研發(fā)的架構(gòu)，自然也意味著性能的不對等。至少在與高通Krait和三星Mongoose的較量中，蘋果A10 Fusion（基于ARMv8指令集）就有著性能上的優(yōu)勢。

曾有媒體拿A10 Fusion和驍龍821進(jìn)行了詳盡的對比測試，結(jié)果是A10 Fusion實(shí)現(xiàn)了對驍龍821的全程碾壓，特別是CPU性能的領(lǐng)先幅度更是驚人（表1）。

要知道，雖然A10 Fusion和驍龍821都是四核處理器，但二者的運(yùn)行機(jī)制卻有著云泥之別。其中，包括驍龍821在內(nèi)的Android陣營頂級(jí)處理器都采用了類似big.LITTLE大小核技術(shù)，比如驍龍820就是雙核2.2GHz+雙核1.6GHz，在跑分時(shí)四個(gè)核心可以協(xié)同作戰(zhàn)（圖7）。

A1 0 Fusion也采用了兩大兩小的結(jié)構(gòu)核心設(shè)計(jì)（圖8），兩個(gè)高性能核心應(yīng)對高負(fù)載，兩個(gè)低性能核心用于日常任務(wù)處理，以此來降低整體功耗，提升續(xù)航能力。但與big.LITTLE技術(shù)不同之處在于，A10 Fusion最多只能同時(shí)跑兩個(gè)核心，即要么是兩個(gè)大核，要么是兩個(gè)小核。換句話說，A10 Fusion只靠兩個(gè)大核就能超越對手四核、八核或十核的協(xié)同作戰(zhàn)，其自主架構(gòu)核心的效率可見一斑。

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iPhone是何時(shí)開始自主研發(fā)的

蘋果在iPhone 4之前都是直接采用芯片廠提供的處理器成品，比如iPhone 3GS搭載的就是三星S5PC100處理器。此后蘋果改變了策略，開始采用ARM指令集授權(quán)、蘋果自行設(shè)計(jì)、三星或者臺(tái)積電代工的方式來研發(fā)生產(chǎn)（圖6）。所以，iPhone 4之后的歷代iPhone才能在性能上始終保持領(lǐng)先。

GPU緣何一騎絕塵

在Android陣營中，高通驍龍集成的Adreno GPU是性能之王。但是，當(dāng)高通驍龍碰到蘋果A系列處理器后，Adreno GPU卻面臨著被“吊打”的尷尬境遇。原因很簡單，雖然蘋果暫時(shí)沒有自主研發(fā)GPU技術(shù)，但旗下處理器卻始終牽手Imaginaition（圖9），通過PowerVR系列GPU實(shí)現(xiàn)游戲性能的一騎絕塵（表2）。

以蘋果iPhone 7搭載的A10 Fusion處理器為例，它就集成了Imagination PowerVR GT7600 GPU，擁有6個(gè)計(jì)算核心，即PowerVR GT7600MP6。細(xì)心的讀者肯定發(fā)現(xiàn)了，A10Fusion和A9的GPU型號(hào)一樣，但前者的3D性能卻有了明顯的提升。原因是蘋果對A10 Fusion的GPU進(jìn)行了超頻，從而在某些測試場景下實(shí)現(xiàn)了相較A9近50%的性能增益。

Android陣營也能用PowerVR GPU

既然蘋果能得到Imagination的授權(quán)，高通、三星、聯(lián)發(fā)科、海思、松果為什么不能和Imagination合作？

實(shí)際上，除了高通始終堅(jiān)持自家的Ad reno GPU技術(shù)，其他很多芯片廠商也都與lmaqination有過合作。三星早期的蜂烏處理器就以集成PowerVR SGX5系列GPU為榮，聯(lián)發(fā)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年即將發(fā)布的10nm旗艦Helio X30（集成PowerVR 7XTP-MP4）也都已攜手Imagination。

問題來了，既然聯(lián)發(fā)科MT6595和Helio X10都集成了口碑最好的PowerVR系列GPU，為啥它們的圖形性能別說比不上同期的蘋果A系列處理器了，就連同期的高通驍龍、三星獵戶座集成的GPU也打不過呢？

此時(shí)就是體現(xiàn)出芯片廠商底蘊(yùn)的時(shí)刻了。蘋果每一代iPhone的銷量都數(shù)以億計(jì)，因此蘋果可以在三星或臺(tái)積電手中搶到最新最先進(jìn)的制程工藝資源，同時(shí)不計(jì)成本地從Imagination簽來最好的獨(dú)享的GPU核心，這些都是其他芯片廠商所不具備的底氣。比如MT6595和Helio×10集成的都是Imagination低端級(jí)別的PowerVR G6200，而且僅有2個(gè)計(jì)算核心。而同期的蘋果A7/A8處理器卻用上了更高端的PowerVR GX6430和PowerVR GX6450，而且還配備74個(gè)計(jì)算核心。性能孰優(yōu)孰劣就不用筆者多說了吧（圖10）？

PowerVR GPU又將進(jìn)化

由于蘋果A系列處理器始終與Imagination保持著聯(lián)姻關(guān)系，所以Imagination每一次GPU技術(shù)革新，自然也意味著下一代iPhone將擁有更為強(qiáng)悍的3D性能。好消息是，前不久Imagination終于發(fā)布了2010年以來的第一個(gè)真正全新的GPU架構(gòu)，代號(hào)“Furian”。

7年以前，Imagination推出的“Roque”架構(gòu)首次引入了統(tǒng)一著色器設(shè)計(jì)，PowerVR 6/7/8系列都是基于它衍生來的。只是PowerVR 8現(xiàn)在還沒有被手機(jī)處理器所用，業(yè)內(nèi)普遍預(yù)測它將被集成在下一代iPhone 8所用的處理器中。

Imagination最新發(fā)布的“Furian”架構(gòu)是“Rogue”架構(gòu)的升級(jí)版，首要目標(biāo)是改進(jìn)功耗和性能，具體來說就是每毫瓦性能、每平方毫米性能，號(hào)稱相比于7XTPlUS可提升35%的著色器性能、80%的填充率性能、70%～90%的綜合性能（圖11）。

簡單來說，“Furian”并非從零開始設(shè)計(jì)的新架構(gòu)，而是在“Rogue”的基礎(chǔ)上翻新而來。它依舊采用了區(qū)塊延遲渲染，但幾乎每個(gè)模塊單元、數(shù)據(jù)流、整體布局都是新設(shè)計(jì)的，比如支持多線程多任務(wù)數(shù)據(jù)執(zhí)行、微內(nèi)核固件控制、幀緩沖和幾何無損壓縮、新的安全和虛擬化技術(shù)、增強(qiáng)的擴(kuò)展性、支持還未定案的OpenCL 2.x計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，全面支持Vulkan、OpenVX等等（圖12）。

此外，“Furian”將每個(gè)叢簇的流水線從16級(jí)擴(kuò)展為32級(jí)，每時(shí)鐘周期的雙線性采樣翻番到8個(gè)，同時(shí)還改進(jìn)了算術(shù)邏輯單元叢簇（ALU Cluster），原先成對的MAD ALU需要更多資源才能喂飽，但“Furian”卻改用了1個(gè)MAD ALU（可做加法和乘法）+1個(gè)MUL ALU（只做乘法）的結(jié)構(gòu)，從而提升了效率并降低了功耗。

先別急著高興，現(xiàn)在連“Rogue”架構(gòu)的PowerVR 8還沒能商業(yè)化，就別提它的接班人了。只能說“Furian”架構(gòu)是面向未來的，可以滿足7nm工藝、VR游戲、4K超高清、120fps高幀率、HDR高動(dòng)態(tài)畫面、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等的需求。至于基于新架構(gòu)的實(shí)際產(chǎn)品，差不多得到2019年的iPhone才有機(jī)會(huì)嘗鮮了。

但是，蘋果一直都是lmaqination的最大客戶之一，所以未來“Furian”架構(gòu)GPU商業(yè)化時(shí)，蘋果A系列處理器還應(yīng)該是首發(fā)，繼續(xù)保持對Android陣營處理器的GPU性能壓制。

那么，Android陣營的芯片廠商就沒有辦法了嗎？

Android陣營如何應(yīng)對

答案是當(dāng)然有，那就是緊抱ARM的“大腿”。因?yàn)锳RM除了提供底層架構(gòu)外，也可捆綁自家的GPU技術(shù)（圖13），也就是我們熟悉的Mali系列GPU。

在Cortex-A57時(shí)代，ARM打包的GPU技術(shù)為Mali-T700系列，比如三星獵戶座Exynos 7420（Galaxy S6）集成的就是Mali-T760MP8；到了Cortex-A72時(shí)代，ARM打包的GPU升級(jí)到了Mali-T800系列，比如聯(lián)發(fā)科HelioX20和麒麟950集成的就是Mall-T880MP4；到了Cortex-A73時(shí)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也都會(huì)分成不同檔次，比如Mali-T880、T860、T830、T820。而且每個(gè)檔次的GPU也能通過塞進(jìn)不同數(shù)量的計(jì)算核心進(jìn)一步拉開性能差距。理論上講，Mali系列GPU完全有機(jī)會(huì)和Imagination展開競爭。

以最新的Mail-G71系列GPU為例，它基于Bifrost微架構(gòu)設(shè)計(jì)，ARM允許其核心數(shù)從單核堆積到最高32核（MP32）（圖14）。要知道，麒麟960（Mali-G71MP8）的1生能就接近驍龍821了，而三星即將推出的10nm旗艦處理器Exynos 8895將集成20個(gè)核心的Mali-G71 MP20，理論3D性能是麒麟960的2倍多！

如果以后哪款手機(jī)處理器能用上Mali-G71 MP32，別說PowerVR8了，估計(jì)就連Imagination最新的“Furian”架構(gòu)GPU都能一較長短DR？

競爭結(jié)果取決于整體實(shí)力

問題來了，ARM Mali系列GPU的核心數(shù)量可不是想堆就堆的。GPU核心數(shù)量越多，處理器發(fā)熱量和功耗也就越大。在現(xiàn)有的14/16nm工藝下，Mali-G71 M P8已經(jīng)是手機(jī)處理器的極限了，而Mali-G71MP20也許則是10nm的極限。想強(qiáng)上Mali-G71M P32？沒有7nm工藝休想鎮(zhèn)壓（或者10nm工藝+散熱風(fēng)扇輔助，反正小身板的手機(jī)是駕馭不了的）！

說來說去，手機(jī)處理器的競爭最終還是體現(xiàn)在整體實(shí)力上。財(cái)大氣粗的蘋果，可以自己搞自主處理器架構(gòu)，GPU也能從Imagination要來最好的資源，也不怕找不到匹配的晶圓廠代工。所以，Android手機(jī)陣營想在整體性能上壓過蘋果，難度還真不是一般的大呢。

好消息是，Android陣營的芯片廠商也一直沒有放棄追趕的腳步。聯(lián)發(fā)科采用的策略是以數(shù)量換質(zhì)量，有消息稱聯(lián)發(fā)科12核處理器已在路上；高通和三星也都在想辦法提升自主架構(gòu)的執(zhí)行效率，縮短與蘋果處理器之間的距離。海思和松果雖然依舊以公版架構(gòu)為主，但這也是為自主架構(gòu)的研發(fā)進(jìn)行的必要（經(jīng)驗(yàn)）積累。

總之，未來手機(jī)處理器之爭，唯有擁有自主架構(gòu)才能顯得越發(fā)從容：每一款智能手機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)都從底層芯片上開始優(yōu)化，自主架構(gòu)可以讓優(yōu)化進(jìn)行得更為徹底（圖15）。至于想塞進(jìn)更強(qiáng)的GPU，就需要搶占最先進(jìn)的晶圓廠代工，并從ARM或Imagination手中爭取優(yōu)質(zhì)資源了。而想實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，足夠的研發(fā)實(shí)力和資金支持一個(gè)都不能少。

那么，高通、三星、聯(lián)發(fā)科、海思、松果，這些為Android造芯的品牌，你更看好誰呢？