新旗艦手機的動力之源

三強爭霸再度上演

2019年5月底對處理器產業的影響無疑是巨大的——英特爾發布了基于10nm工藝和Sunny Cove微架構打造的第十代移動酷睿lce Lake平臺，AMD通過7nm工藝讓Ryzen3000系列的消費級處理器進入了12核時代。作為X86陣營的最大競爭對手，ARM自然也不能讓兩大X86廠商獨美于前，意欲通過全新的Cortex-A77CPU和Mali-G77 GPU，進一步釋放移動設備的計算潛力。

不同的聚焦點

在近十年的X86處理器之爭中，AMD-直扮演著英特爾跟隨者的角色，直至Ryzen（銳龍）誕生才真正影響到了英特爾在該行業的霸主地位。得益于7nm制程工藝，全新的Ryzen 3000（桌面版）終于實現了對英特爾同級別處理器的性能反超（圖1），并通過更低的售價博得了一眾DIY玩家的青睞，為在英特爾陰影下匍匐已久的用戶“伸張正義”。此外，AMD最新的移動版Ryzen 3000（U系列）也具備不俗的實力，其CPU性能可以媲美八代酷睿，GPU性能則堪比入門級獨立顯卡，并在輕薄本領域闖出了不小的聲望。

然而，英特爾的布局較之AMD更加深遠，除了追求更強的性能之外，英特爾近年來更專注于制定、完善和優化計算設備的生態系統和周邊環境。以最新的lce Lake平臺為例，它雖然定位于超低功耗的輕薄本戰場，但卻集Wi-Fi 6 GIG+、雷電3、DLBoostAl加速于一身，并通過“ProjectAthena”（雅典娜計劃）來推動統一的質量標準（圖2）。符合雅典娜計劃標準的設備都將具備一流的便攜性、快速響應、持久續航和高速連接的特性，擺明了就是要入侵原本屬于ARM的平板電腦領域，彌補當年英特爾通過Atom與ARM競爭失利的遺憾（英特爾曾推出過適用于手機和平板電腦的Atom處理器，但均以失敗告終）。

ARM原本就在智能手機、穿戴式和嵌入式等移動設備領域占壟斷地位，從近年來Cortex-A系列CPU和Mali-G系列GPU的迭代更新來看，ARM更加專注于性能和效率的提高，并不斷提升足以影響未來的Al運算能力。如今，ARM也不再滿足于傳統的移動設備戰場，正在試圖染指Windows和Mac設備，讓更多的筆記本、二合一、臺式機用上ARM架構的處理器。

以高通在2019年主打的驍龍8cx 5G移動平臺（采用由Cortex-A76架構魔改而來的Kryo 495核心）為例（圖3），其就已經具備了不錯的性能和電池續航能力，同時還擁有支持5G網絡和更低延遲等方面的優勢。當Cortex-A77被塞進筆記本后，無疑可以進一步縮短與傳統X86PC在實際體驗上的差距。

難以預見的未來

X86和ARM現在正上演類似“圍城”的大戲，英特爾和AMD都想擠入移動設備的圈子，而ARM卻想跳出移動設備的圈子。至于最終誰能先人一步，還得看Windows系統和軟件生態對ARM架構的優化程度，以及X86處理器何時能在功耗上降至接近ARM處理器的水平了。當然，這些都是后話，咱們接下來要討論的，則是ARM最新CPU和GPU的特色，看看它們在鞏固移動市場的壟斷地位之后，是否還有余力去染指原本屬于X86的蛋糕呢？

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ARM不再是唯一

除了我們熟悉的ARM和X86以外，還有一種名為“RISC-V”的架構正逐漸崛起。RISC-V是一種基于精簡指令集（ RISC）原則的開源指令集架構（ISA），它沒有ARM架構高昂的授權費，憑借開源、開放、精簡、靈活的特性，受到了包括谷歌、華為、IBM、鎂光、英偉達、高通、三星、西部數據和特斯拉在內的數百家高科技企業的加盟。

按照SiFive當前的設計能力，開發ARM架構的芯片往往需要1年甚至更久，而開發一套RISC-V架構的新IP卻僅需1個月到3個月，這就是RISC-V極為精簡技術特性的魅力。目前，我國已經相繼成立了“中國RISC-V產業聯盟”和“中國開放指令生態系統（RISC-V）聯盟”，華米公司自研的面向穿戴式設備的黃山一號處理器就是基于RISC-V架構打造的（圖4）。隨著前不久ARM與華為終止合作的傳言，勢必促使更多科技企業進入RISC-V的生態圈，作為未來可替代ARM架構的“備胎”，而我們也希望RISC-V有朝一日可以成為繼ARM和×86之后的又一種主流架構。

解讀Cortex-A77 CPU

在解讀Cortex-A77之前，我們需要先來回顧—下它的兩個前輩，如此才能更好地了解這個全新的CPU架構。

站在巨人的肩膀上

在ARM近些年的CPU架構更新中，Cortex-A75和Cortex-A76都是極具歷史地位的。其中，Cortex-A75在big.LITTLE的基礎上引入了DynamIQ技術，最大限度提升了架構的靈活性與擴展性，讓2（大核，即A75） +6（小核）、3+5、1+7這種更高效大小核的組合變成了可能（圖5）。同時，同步升級到Cortex-A55架構的“小核”也不再是性能孱弱的代名詞，當不同數量的小核和大核搭配后，可以達到一個相對完美的（性）能（功）耗平衡。

作為Cortex-A73和A75的接班人，Cortex-A76采用從零開始、全新打造的CPU微架構（基于ARM v8.2指令集設計），并與臺積電7nm制程工藝強強攜手，帶來了ARM史上最大的性能和效率的飛躍——驍龍855較之驍龍845、麒麟980較之麒麟970都有著超過40%的CPU性能提升，同時電池壽命也有所延長。用ARM的話來說，Cortex-A76是一款“筆記本電腦”級別的高性能處理器架構，同時還具有高效能，高通“驍龍牌筆記本”主打的“Always Connected PCs”概念就是這一優勢的表現所在。

ARM最新發布的Cortex-A77，其代號為“Deimos（戴莫斯，畏懼之神），采用了和A76一脈相傳的CPU微架構，并在其基礎上進行了一定的優化（圖6），并最終獲得了更高的IPC性能提升（有關IPC性能，請參考本刊上期的特別話題欄目）。可以說，A77架構是站在“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繼承了源自A76的微架構，所以兩代核心在設計上存在很多共性。用ARM的話來說，就是芯片供應商（如高通、聯發科等）在構建核心時可以非常容易地升級SoC的IP設計，不會花費太多精力和成本，從而縮短了開發周期。

和Cortex-A76相比，A77核心的前端擁有更高的讀取帶寬，分支預測器的目標緩沖容量提升了33%，從而降低了分支的誤判，提高了預測精度。同時，A77還帶來了全新的Macro-Op緩存結構，添加了額外的整數ALU，新增了一個名為“系統感知預取”的功能，可避免不必要地沖擊共享緩存，從而提高整體系統性能。

根據ARM公布的數據來看，在同樣使用7nm制程工藝、同樣運行在3GHz頻率下時（僅限于理論，實際量產的旗艦SoC主頻多在2.6GHz-2.8GHz之間），新的Cortex-A77比起前代的Cortex-A76，內存帶寬提升了20%，在SPEC int2006和Geekbench 4有著20%的性能提升，浮點性能則有30% -35%的提升（圖7）。在智能手機領域，網頁瀏覽恰巧是考驗浮點運算的殺手級應用，所以A77浮點性能的大幅提升應該可以進一步提升實際體驗。參考當前驍龍855和麒麟980的表現，Cortex-A77的CPU性能應該足以超過蘋果A12，并有望和蘋果還未發布的A13以及三星的下一代自研貓鼬M5核心競爭。

了解Mali-G77 GPU

你被ARM Cortex-A77較前輩A76有著20%-25%的IPC性能提升且能耗保持不變驚到了？實際上，ARM最新的Mali-G77 GPU較前輩提升的幅度更大。

全新架構的誘惑

與高通和蘋果SoC集成的GPU相比（如Adreno GPU），ARM自家的Mali系列GPU一直處于不溫不火的狀態，如果不是ARM的“親兒子”，其影響力可能還不如PowerVR系列GPU。為了彌補自家GPU在圖形領域的遺憾，ARM Mali-G77放棄了從Mali-G71到G76始終在“Bifrost”架構上縫縫補補的策略，而是改用了名為“Valhall”的新一代架構（圖8），其支持全新的ISA總線和計算核心設計，針對Al運算設計了獨立的單元，著重增強了抗鋸齒、高分辨率以及Al輔助計算方面的性能，可以更好地適配未來4K分辨率的屏幕以及支持HDR游戲的頂級設備和標準。

根據ARM的官方數據顯示，Mali-G77較之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（圖9）。和更早期的Mali-G72相比，Mali-G77的功耗還下降了50%，當然，這個功耗部分大家不必太過在意，畢竟與Mali-G72搭配的還是10nm工藝，而Mali-G77即將用上最新的第二代7nm EUV工藝，功耗下降是必然的。

換句話說，Mali-G77終于有了和高通855集成的Adreno 640 GPU抗衡的底蘊。但是，ARM Mali系列GPU性能到底可以發揮幾何，最終還得看芯片供應商為其配備多少計算核心，比如麒麟980和三星Exynos 9820都集成了Mali-G76，但麒麟980只為其準備了10個計算核心，也就是Mali-G76MPlO，而Exynos 9820則用上了12個計算核心，即Mali-G76MP12，所以就3D性能而言還是后者更占優勢。

此外，Mali-G77即將面對的競爭對手，也將升級到驍龍865和蘋果A13，這些對手的GPU只會更強，屆時它們和Mali-G77相比孰優孰劣？還得等時間來驗證。

小結

目前，聯發科已經正式發布了全球首款采用Cortex-A77 CPU和Mali-G77 GPU打造的5G移動平臺（圖10），而高通下一代驍龍865也將繼續基于Cortex-A77核心“魔改”。作為消費者，我們當然期待ARM官方給出的性能指標不合水分，讓下一代旗艦手機可以更強。

至于ARM全新的CPU和GPU架構能否威脅到X86在筆記本領域的統治？答案是很難，因為英特爾已經對主打低功耗的U系列移動酷睿全面升級到了四核時代（圖11），結合AVX512、DL Boost等新指令集和Gen 11核心顯卡的加持，ARM面對的將是一個更強悍的對手。ARM在傳統PC領域最大的機會，應該是極致輕薄、持久續航、專注輕辦公應用環境的細分市場，它們只能作為原有市場的補充，而不是扮演現有產品替代者的角色。