盤點(diǎn)高通、蘋果、華為、聯(lián)發(fā)科手機(jī)SoC,AI性能差別在哪里？

12月6日，高通在美國發(fā)布最新一代旗艦移動平臺驍龍855，一周后的12月13日，聯(lián)發(fā)科技在深圳發(fā)布了最新處理器Helio P90。加上此前亮相的三星Exynos 9820、蘋果A12 Bionic以及華為海思麒麟980，可以說手機(jī)SoC已經(jīng)進(jìn)入了比拼AI性能的時(shí)代。不過，蘋果和海思集成了專為AI加速的硬件單元NPU，但高通和聯(lián)發(fā)科卻選擇了優(yōu)化的路線，這是為什么？

7nm不是唯一選擇

蘋果的A11 Bionic和華為海思麒麟970在去年發(fā)布的時(shí)候就已經(jīng)集成了專為AI加速的NPU單元，但AI性能的提升離不開工藝制程、CPU、GPU等硬件以及軟件的共同協(xié)作。我們知道，在很長一段時(shí)間內(nèi)處理器性能的提升靠的是工藝制程的提升，到了AI時(shí)代，除了在設(shè)計(jì)上需要做進(jìn)一步的優(yōu)化，對先進(jìn)制程的需求也更加強(qiáng)烈。因此為了繼續(xù)提升處理器的AI性能，麒麟980和A12 Bionic都選擇了臺積電的7nm工藝，都集成了69億個(gè)晶體管。同樣選擇臺積電7nm工藝的還有本月發(fā)布的驍龍855，但這款SoC集成多少個(gè)晶體管暫不清楚。

不過，7nm并非最新手機(jī)SoC的唯一選擇，聯(lián)發(fā)科Helio P90采用的是12nm制程，對于為何不采用7nm工藝的問題，聯(lián)發(fā)科技無線通信事業(yè)部總經(jīng)理李宗霖接受媒體采訪時(shí)表示：“并不是有7nm就可以有很好的AI體驗(yàn)，還需要考慮系統(tǒng)架構(gòu)、功耗以及與應(yīng)用的結(jié)合。同時(shí)，還與我們要帶給消費(fèi)者什么樣的體驗(yàn)有很大的關(guān)系?！闭J(rèn)為，Helio P90的定位并非旗艦級，因此必須更多的權(quán)衡7nm成本增加和性能提升之間的關(guān)系，顯然12nm是聯(lián)發(fā)科認(rèn)為性價(jià)比最高的工藝。

三星Exynos9820雖然定位是旗艦級，但卻采用了8nm工藝。原因很簡單，8nm LPP工藝是三星基于10nm LPP演進(jìn)而來的工藝，可以使芯片能效提升10%，芯片面積降低10%。

可以看到，雖然不是5款最新處理器并非全都采用7nm工藝，但可以明確的是在處理器性能的提升上，手機(jī)SoC設(shè)計(jì)廠商依舊期待制程提升帶來的性能、功耗、芯片面積的提升，即便半導(dǎo)體制程的提升正變得越來越難。

CPU高性能核心集群再細(xì)分

選擇了工藝節(jié)點(diǎn)之后，在設(shè)計(jì)不出大問題的情況下已經(jīng)在很大程度上決定了這款處理器的性能。當(dāng)然，為了滿足AI的需求，上述5款處理器有3款處理器的CPU采用了大中小核的架構(gòu)。麒麟980是率先采用了Big.middle.little新設(shè)計(jì)的SoC，也就是將高性能核心集群再細(xì)分為高、中兩部分，包括2個(gè)Cortex A76@2.6GHz、2個(gè)Cortex A76@1.92GHz、4個(gè)Cortex A55@1.8GHz，三個(gè)集群將根據(jù)不同使用場景靈活調(diào)用，提升能耗比。

三星同樣采用Big.middle.little新設(shè)計(jì)，不同的是由于三星有自主研發(fā)的Mongoose架構(gòu)CPU，因此Exynos9820的CPU是2個(gè)第四代Mongoose架構(gòu)內(nèi)核、2個(gè)Cortex-A75、4個(gè)Cortex-A55組合在一起，自研內(nèi)核和Cortex-A75提供高處理性能，Cortex-A55提供更高效率。三星稱，對比上代旗艦處理器Exynos9810，智能任務(wù)調(diào)度程序的新設(shè)計(jì)可將Exynos9820的多核性能提升15%。

驍龍855采用基于Arm Cortex A76 打造的 Kryo 485 CPU，首次集成了一顆超級內(nèi)核，主頻高達(dá)2.84GHz，3顆主頻2.42GHz的性能內(nèi)核，4顆主頻1.80GHz的效率內(nèi)核。高通表示驍龍855芯片相比前代產(chǎn)品驍龍845，CPU性能提升 45%，是8系列處理器有始以來最大的一次提升。

蘋果和聯(lián)發(fā)科則沒有采用大中小核的設(shè)計(jì)。蘋果A12 Bionic的CPU采用6核設(shè)計(jì)，2個(gè)性能核心承擔(dān)高強(qiáng)度的計(jì)算任務(wù)，4個(gè)能效核心處理日常任務(wù)。蘋果稱最新的性能控制器可動態(tài)分配工作至不同核心，需要高速運(yùn)行時(shí)可同時(shí)發(fā)揮全部六個(gè)核心的性能。相比A11 Bionic，A12 Bionic的2個(gè)大核速度提升最高達(dá)15%，4小核最高節(jié)能50%。

聯(lián)發(fā)科Helio P90也采用八核架構(gòu)，包括2個(gè)Arm Corte A75處理器，工作主頻率為2.2 GHz，與6個(gè)A55處理器，工作主頻率為2.0 GHz。聯(lián)發(fā)科表示，最新的CorePilot技術(shù)可以確保芯片能夠以最高效的方式在八核之間實(shí)現(xiàn)運(yùn)算資源的最優(yōu)配置，充分發(fā)揮八核架構(gòu)優(yōu)勢。至于為何沒有采用大中小核的設(shè)計(jì)，聯(lián)發(fā)科技資深副總經(jīng)理暨技術(shù)長周漁君對表示 :“我們希望每種核心之間的表現(xiàn)能有明顯的差別，不然大中小核的架構(gòu)可能意義不大。當(dāng)然，架構(gòu)的選擇還需要關(guān)注SoC的制程、散熱、用途等方面?！?/p>

GPU性能提升最高達(dá)50%

除了CPU，GPU也是移動SoC主要的關(guān)注點(diǎn)，A12 Bionic 4核GPU相比上代3核心的A11 Bionic GPU速度提升最高為50%。麒麟980首發(fā)Arm最新的GPU架構(gòu)Mali G76 MP10，與麒麟970的Mali G72 MP12相比，性能提高46％，能效比提高178％。Exynos的GPU同樣從Mali-G72升級為Mali-G76，三星稱升級后GPU的性能提升40%或35%的功耗表現(xiàn)。

驍龍855集成Adreno 640 GPU，高通表示新GPU能夠帶來20%的圖形渲染速度提升，同時(shí)還能繼續(xù)保持業(yè)界領(lǐng)先水平的每瓦特能效。Helio P90沒有選擇Arm Mali GPU而是集成了Imagination的PowerVR GM 9446，聯(lián)發(fā)科表示對比Helio P70，Helio P90的GPU性能提升了50%。

驍龍855和Helio P90為什么沒有NPU？

了解完5款最新手機(jī)SoC的工藝制程、CPU和GPU的升級之后，接下來要談的是這些最新SoC都強(qiáng)調(diào)的AI性能。蘋果和華為在SoC中集成了專為處理AI設(shè)計(jì)的新的NPU，其中A12 Bionic的Neural Engine架構(gòu)從A11 Bionic的雙核增加到了八核，性能也從A11 Bionic每秒能完成6000億次操作提高到A12 Bionic每秒能夠完成5萬億次運(yùn)算，并且Core ML運(yùn)行速度最高可提升至9倍。

麒麟980的NPU則是從單核升級為雙核，使用了更高精度的深度網(wǎng)絡(luò)，每分鐘可識別4500張圖像，具備更高的實(shí)時(shí)性，支持人臉識別、物體識別、物體檢測等AI場景。余承東表示，新的 NPU 處理單元速度比麒麟 970 的NPU快 2.2 倍。

相比蘋果和華為海思集成NPU已經(jīng)到了第二代產(chǎn)品，Exynos9820則是三星首次在SoC中集成專門處理人工智能任務(wù)的硬件單元NPU。三星方面稱，在NPU的支持下，Exynos9820相比Exynos99810人工智能性能提升7倍，并可以增強(qiáng)從照片到AR的性能。

高通和聯(lián)發(fā)科則沒有集成專門處理人工智能任務(wù)的硬件單元，而是在已有的硬件單元上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。驍龍855選擇在DSP中集成一個(gè)全新設(shè)計(jì)的Hexagon張量加速器（Hexagon Tensor Accelerator，HTA），另外，Hexagon 690處理器、Adreno 640 GPU、Kryo 485 CPU共同構(gòu)組成了驍龍855支持的第四代多核人工智能引擎 AI Engine，可實(shí)現(xiàn)每秒超過7萬億次運(yùn)算（7TOPs），AI性能較驍龍845提升3倍。

Helio P90對AI性能的提升則是借助APU1.0到APU 2.0的升級，使AI算力提升4倍。據(jù)悉APU 2.0采用聯(lián)發(fā)科技的融合AI（Fusion AI）架構(gòu)，AI算力最高可達(dá)到1127 GMACs（2.25 TOPs），支持Int8和FP16。此前報(bào)道過，APU是基于此前 Helio P30 內(nèi)置的 VPU（圖像處理單元）經(jīng)過算法提升而推出。因此APU也是基于此前的硬件單元進(jìn)行的升級和優(yōu)化。

那么，高通和聯(lián)發(fā)科為什么不像蘋果、華為和三星一樣在SoCial中集成專為AI加速設(shè)計(jì)的硬件單元？其實(shí)原因很簡單，那就是AI相關(guān)的技術(shù)和算法都還不夠成熟，高通和聯(lián)發(fā)科作為手機(jī)SoC的提供方，在確定到底哪種算法以及數(shù)據(jù)類型最適合深度學(xué)習(xí)之前，押注其中一種不僅不是明智的選擇，還可能因?yàn)橛布簧纤惴ǖ鵁o法滿足市場的需求缺乏競爭力，因此除了借助工藝制程、CPU、GPU的持續(xù)升級滿足AI應(yīng)用，高通和聯(lián)發(fā)科還針對目前比較熱門的AI圖像應(yīng)用在已有的硬件上進(jìn)行優(yōu)化來更好地適應(yīng)不同手機(jī)廠商的需求。還有一點(diǎn)也非常關(guān)鍵，增加NPU帶來的成本的增加手機(jī)廠商可能難以接受。

相反，無論是蘋果、華為還是三星，他們自主研發(fā)的SoC目前都只用于自家的手機(jī)中，因此在應(yīng)用和需求相對明確的前提下去增加專用的AI加速單元不僅能獲得更好的效果，還能借此打造更多吸引消費(fèi)者的AI應(yīng)用，增加手機(jī)的吸引力和競爭力。當(dāng)然，作為全球手機(jī)銷量前三的三星、華為和蘋果，手機(jī)的銷量也是支撐他們研發(fā)自主芯片和集成NPU的基礎(chǔ)。

小結(jié)

手機(jī)作為最普及的智能設(shè)備，對于AI的發(fā)展和普及有非常重要的作用，手機(jī)SoC除了比拼CPU和GPU性能，現(xiàn)在也開始比拼AI性能。不過在AI發(fā)展的初期，技術(shù)還有很多不確定的時(shí)候，手機(jī)SoC的提供方選擇的是在已有的硬件上進(jìn)行優(yōu)化滿足AI應(yīng)用需求，而具備自主研發(fā)處理器能力的手機(jī)廠商在需求和出貨量都更明朗的情況下用NPU來增加手機(jī)的競爭力。

還有不可忽略的是，軟件在AI性能的提升中發(fā)揮著非常重要的作用，越來越多的芯片廠商都在增加在軟件方面的投入和優(yōu)化，同時(shí)還在增強(qiáng)與軟件公司的合作。

到底誰的AI性能更高體驗(yàn)更好？光看跑分和性能的提升我們難以簡單下結(jié)論，我們需要等待搭載驍龍855和Helio P90的手機(jī)發(fā)布后，再做一個(gè)對比。