麒麟980性能表現大起底：既有情理之中，又有意料之外
原標題：麒麟980性能表現大起底：既有情理之中，又有意料之外
雷鋒網消息，不久前外媒ChipRebel剛剛發佈了華為Mate 20手機的拆解，並公佈了麒麟980處理器的透視照片，讓我們有了一窺這款讓華為表示“穩了”的處理器，並首次看到Arm全新Cortex A76 CPU和全新Mali G76 GPU的真容。
當高通和三星在2016年下半年發佈驍龍835和Exynos 8895這兩款使用10nm LPE工藝的產品時，麒麟960卻只能選擇台積電16nm FFC工藝，這種劣勢顯著的體現在芯片的能耗比方面。
麒麟970雖然縮小了製造工藝方面的差距，但由於其設計週期較早，錯過了Arm當時最新的Cortex A75架構，只能基於Cortex A73架構設計，而推出較晚的驍龍845則全面基於Cortex A75和Cortex A55改進。
在這次的麒麟980，華為終於再次集齊了最先進的製造工藝和最新的架構設計，從這方面來看，麒麟980揹負着比麒麟970和麒麟960更大的期望和歷史任務，有望複製甚至超越幾年前麒麟950的成功。
濃縮的都是精品
雖然華為在此前公佈麒麟980時表示其核心面積小於100mm²，但實際上麒麟980的硅片尺寸要比官宣還有要小得多，僅為74.13mm²。在CPU、GPU、NPU及內存等全面升級的情況下，麒麟980相比去年麒麟970的96.72mm²小了30％，可説是相當驚人了。
芯片的左上角是全新的Mali G76 MP10 GPU集羣，雷鋒網曾介紹過，Mali G76達到Mali G72翻倍的性能只需132%的芯片面積，理論上單位面積性能提升了50%。華為將麒麟980的GPU面積維持在了11.97mm²，僅稍大於驍龍845中Adreno 630的10.69mm²，遠小於Exynos 9810 Mali G72 MP18的24.53mm²和蘋果A12 GPU的14.88mm²。
GPU模塊右側是CPU模塊，Cortex A76架構在核心尺寸方面仍然非常小巧，配備512KB L2緩存時的單核面積僅為1.26mm²，同樣遠小於三星自研Exynos M3“貓鼬”架構核心的3.5mm²，甚至比不含L2緩存的蘋果A12的Vortex架構核心（2.07mm²）還要小。
此次華為充分利用了Arm的新DSU集羣及異步CPU配置，將麒麟980中Cortex A76架構的高性能CPU集羣細分為兩組，高頻率的一組運行在2.6GHz頻率上，另一組Cortex A76 CPU的運行頻率為1.92GHz（這應該是一個很好的能效比平衡點），各自運行在不同的頻率和電壓上，可根據不同使用場景靈活調用，有效提升實際使用時的能效比。
緩存方面，所有Cortex A76都帶有推薦的512KB L2緩存配置，而A55則採用128KB緩存。在雷鋒網此前分析Cortex A76的文章中曾提到過，在最新的DynamIQ羣集配置中，L2緩存是每個CPU核心獨佔的。DSU中的L3緩存則為4MB共享式設計，容量為驍龍845和麒麟970的兩倍。
改進的內存延遲
SoC的存儲子系統對其性能表現至關重要，麒麟970便在這方面吃了一些虧，它在高頻率下運行時似乎有些問題，這使得華為不得不在默認情況下選擇降低其設備的頻率，導致了一些性能下降，尤其是在對內存延遲敏感的工作負載中。
與麒麟970相比，麒麟980的內存延遲得到了顯着改善。測試中使用的是完全隨機延遲，包括TLB未命中等在內的所有可能的懲罰，但是這仍然是一個重要的性能指標。
Cortex A76架構的獨佔L2緩存延遲非常出色，只有4ns，不到麒麟970中Cortex A73共享L2緩存延遲的一半。而4MB共享L3緩存確實與CPU核心異步運行，在測試中可以看到明顯的延遲懲罰，但仍然在合理範圍內。
對比安卓陣營的幾款SoC，麒麟980的L3緩存看起來略慢於驍龍845，可能是由於華為略微降低了L3緩存的運行頻率；Exynos 9810的緩存延遲最大，雖然在內存延遲方面略有優勢，但這是以很大的功耗代價衝擊高頻率換來的，當核心運行在合理的頻率上時，Exynos 9810的優勢會喪失殆盡。
（PS：蘋果A12處理器在緩存和內存延遲方面都遙遙領先，在所有指標和深度上都展示了巨大的優勢，讓安卓陣營的所有SoC都相形見絀。）
CPU性能和能耗比
華為在發佈會上表示，麒麟980相比麒麟970可獲得75%的性能提升，能耗比則比麒麟970提高58％。演講中的PPT腳註顯示其能效數據基於Dhrystone，而Dhrystone非常專注於考驗CPU核心，相對在內存等其他方面不會給SoC帶來太大的壓力。
現在，使用麒麟980的Mate 20、Mate 20 Pro及Magic 2均已上市，SPECint2006和SPECfp2006的測試成績比華為的官宣更能體現這款處理器的真實性能水平。
下圖顯示了完成測試中的電能消耗量及平均功耗，左邊的條形表示消耗的能量，以J（焦耳）為單位，條形越短代表耗能越少，相應的平台的效率越高；右邊的條代表性能分數，條形越長代表性能越強。
測試成績出人意料，麒麟980的SPEC2006性能達到了麒麟970的2倍，不過依然只有蘋果A12的57%~62%；且在CPU的能耗比方面，麒麟980相比麒麟970只提升了28%，這導致雖然其功耗只有蘋果A12的59%~62%，但實際消耗的能量卻幾乎與蘋果A12相同。
全新Cortex A76架構和麒麟980的內存子系統耗電量更大，SPECint測試中平均達到2.14W，SPECfp測試中達到2.65W，比麒麟970的1.38W和1.72W有顯著增加。從這方面來看，Arm的新架構是在以線性的方式提升功耗和性能，包括驍龍845的Cortex A75。
當然，只要控制好性能和功耗的關係，這樣的提升方式並不能説是消極的。麒麟980的CPU性能是蘋果A12的57%~62%，功耗是蘋果A12的59%~62%，二者處理相同任務消耗的能量基本相同，這有什麼不對的呢？相比之下Exynos 9810是個典型的反例，在衝擊高頻時付出了極大的功耗代價，卻沒有表現出與之相匹配的性能提升，能效比極差。
在SPECint2006測試中，麒麟980或者説Cortex A76表現出了相當均衡的各方面性能，在403.gcc測試項中的成績相比麒麟970提高了2.67倍。456.hmmer和464.h264ref是SPECint2006測試中兩個最強的後端綁定測試，Cortex A76也展示了與其時鐘頻率及亂序4發射前端相符的分數。在這一測試中，驍龍845的內存延遲表現不太好，因為它的L4系統緩存塊在規格上確實有一點缺陷。
在SPECfp2006的結果中，麒麟980同樣展現出了大幅度的進步。總而言之，麒麟980在所有測試中都有着全面改進，在性能和能耗方面的表現都非常出色。麒麟980以及Arm的Cortex A76都兑現了他們的承諾，甚至超過了此前人們根據官方消息所做的預測。
當然，麒麟980還無法與蘋果的A12甚至是A11相提並論，而且這種情況很可能在接下來的幾代中不會發生太大變化，至少在安卓陣營的處理器廠商設計出更好、更健壯的內存子系統之前都會是這樣。
GPU性能和能耗比
GPU的性能和能耗比一直是麒麟960和麒麟970的一大痛點，而麒麟980是世界上第一款使用了Arm全新Mali G76 GPU的SoC，華為表示麒麟980的GPU性能相比麒麟970提升46％，能耗比則大幅提升178%。後一個數字尤其引起了一些關注，因為在這個行業中你看不到這樣的增長。
在3DMark Sling Shot Extreme Unlimited的圖形測試中，Mate 20和Mate 20 Pro都展現出了可觀的峯值性能值，與麒麟970相比提升相當顯著，但在達到熱平衡之前仍然有很大的波動。
在GFXBench測試最新的Aztec Ruins Vulkan場景中，高質量模式下，Mate 20和Mate 20 Pro的性能表現都比較奇特：峯值性能並不是特別好，但持續性能幾乎與峯值性能相同。而在普通質量模式下，Mate 20 Pro則表現出比Mate 20更高的性能。
在GFXBench測試的曼哈頓3.1場景中，麒麟980的峯值性能和持續性能也均有可觀的提升。與Aztec Ruins Vulkan場景相比，Mate 20和Mate 20 Pro在曼哈頓3.1場景中的峯值性能和持續性能表現出了正常的差異，性能與大多數驍龍845設備相當。
遺憾的是，麒麟980的能耗比與華為官方數據及此前的預測相差較大，其性能表現正常，但功耗比此前預測的3.5瓦要高出1W，最終麒麟980的能耗比相比麒麟970提高了100％。
雖然外媒Anandtech稱這仍然是相當大的代際改進，且表示此前華為官宣的178％能耗比提升可能是指麒麟980在與麒麟970相同的性能上的比較，不過麒麟970本身的GPU性能和能耗比表現就比較差，7nm工藝下的麒麟980在GPU性能提升45%、能耗比提升100%後，居然仍小幅落後於10nm工藝下的驍龍845，這不得不説是讓人大跌眼鏡的。
而在T-Rex中，麒麟980相比麒麟970的峯值性能提升幅度要小得多，不知道這裏的瓶頸究竟是什麼。麒麟980在Mate 20 Pro上的持續性能提升了50%，但在Mate 20上出現了嚴重的限制。T-Rex在現代SoC上的幀速率非常高，因此在許多方面都會受到CPU的制約。
同樣，麒麟980在T-Rex場景中的能耗比相比麒麟970大幅提升，不過與在Aztec Ruins Vulkan和曼哈頓3.1場景測試一樣，大幅提升的基礎是麒麟970的能耗比是在太差，麒麟980也只不過是提升到了相對正常的水平，依然不及驍龍835、驍龍845和Exynos 9810，更遑論蘋果A12。
第二代NPU
在去年1月測試麒麟970的NPU性能時，可選的測試軟件只有魯大師的AI測試，但它不支持華為的HiAI API，相關運算均依靠CPU實現進行處理。不幸的是，到了麒麟980和Mate 20上依然如此。
“AI-Benchmark”是由瑞士ETH蘇黎世計算機視覺實驗室的Andrey Ignatov開發的新基準測試程序，也是第一個廣泛使用Android 8.1新NNAPI，而不依賴於每個SoC供應商自己的SDK工具和API的基準測試程序。AI-Benchmark應該能夠更好地準確地表示從使用NNAPI的應用程序所預期的最終NN性能。
需要記住的一點是，NNAPI不僅僅是一些能夠在NPU上運行神經網絡模型的通用轉換層，而且API和SoC供應商的底層驅動程序必須能夠支持公開的函數，並且能夠在IP塊上運行它。這裏的區別在於，使用NNAPI尚未支持的特性（必須退回到CPU上運算）的模型和能夠硬件加速並對量化的INT8或FP16數據進行操作的模型。還有一些模型依賴於FP32數據，這裏同樣依賴於底層驅動程序，它可以在CPU上運行，也可以在GPU上運行。
前三個CPU測試項使用了NNAPI尚未支持的函數的模型，影響性能的僅僅是CPU性能以及性能響應時間，這意味着DVFS和調度器響應等機制可能對結果產生巨大影響，比如Galaxy S9上的表現就要明顯優於同為Exynos 9810處理器的Note9。
儘管如此，將麒麟970與麒麟980進行對比，依然能夠展示Cortex A76的性能，以及華為的DVFS /調度器可能的改進。
接下來的測試項基於8位整數量化的NN模型。不幸的是，華為手機的NNAPI驅動程序似乎仍未提供硬件加速，這些測試沒有使用麒麟處理器上的NPU，測試結果展示的依然是CPU性能，華為表示計劃在未來版本的驅動中修正這個問題。
在使用驍龍845的設備中，一加6和Pixel 3在性能上遙遙領先，甚至相比同為驍龍845的Galaxy S9+也是如此，原因是這兩款手機都使用了高通公司最新更新的NNAPI驅動程序，該驅動程序與Android 9/P BSP一起發佈，可通過HVX DSP加速NN應用。
接下來的FP16測試項終於啓用了麒麟處理器的NPU，並且在新老兩代處理器上都取得了領先的成績。在這裏麒麟980的雙核NPU終於得以體現，Mate 20展現出了巨大的領先優勢。不過一加6似乎在其NNAPI驅動程序中出現了一些非常奇怪的問題，使得它的性能比其他平台差一個數量級，不知道這項測試是跑在了其CPU上還是GPU上。
而在最後的FP32測試項中，大多數手機都再次回到CPU上進行運算，麒麟980的改進有限。
總體而言，AI-Benchmark至少驗證了華為對NPU性能的一些宣傳，不過從這些測試結果中得出的真正結論是，大多數具有NNAPI驅動程序的設備目前本身尚不成熟且功能仍然非常有限，與蘋果如今的CoreML生態系統相比相差甚遠。
雷鋒網總結
麒麟980的CPU性能表現應該在很大程度上可以代表下一代驍龍8150的情況，高通或許會在CPU頻率上稍稍提升一些，但最大的問題在於內存子系統方面，高通能不能解決L4系統緩存引入的延遲懲罰問題。
而Cortex A76對於三星來説就實在是太可怕了，如果Exynos 9820所用的Exynos M4架構只是一次常規迭代，説實話在Cortex A76面前是沒什麼競爭力的。三星需要在性能和能耗比兩個方面均作出重大改進，才能與麒麟980相匹敵。
GPU方面，雷鋒網認為，雖然Arm玩GPU確實比從桌面端過來的Imagination和高通（GPU團隊來自ATI）差得遠，但這個鍋恐怕還沒辦法直接甩給Arm的Mali G76架構，因為三星Exynos SoC的GPU能耗比要明顯好於麒麟SoC，兩家分別選擇了犧牲面積換性能和犧牲功耗換性能的方式。
三星Exynos 9810和8895雖然GPU面積很大（24.53mm² & 32mm²），但由於頻率只有560MHz左右，因此功耗表現尚可，Exynos 9810的能耗比甚至非常接近於驍龍845。而與三星的狂堆核心數相比，麒麟970則只使用了中等數量的核心，然後通過拉高核心頻率來榨取性能。
雷鋒網曾經提到，每種核心架構在某一工藝下，都有一個能耗比最佳的頻率區間，越過這個區間後，繼續拉高頻需要付出極大的功耗代價。麒麟970的Mali G72 MP12頻率為746MHz，功耗上升非常明顯，能耗比僅略高於使用Mali G71的Exynos 8895。
因此在理論上説，對比三星Exynos SoC，華為的麒麟SoC從未曾表現出Arm Mali GPU應有的能耗比。不過，據悉三星集成NPU的Exynos 9820也只採用了Mali G76 MP12的配置，遠不如以前動輒MP18或MP20那麼豪邁了。由此來看，華為“少核高頻”的策略，是為了給NPU騰地方不得已而為之吧，或許只能等三星Exynos 9820的具體參數和測試成績公佈後才能進一步揭秘了。
NPU方面，回顧一下此前麒麟970的測試，在麒麟980上仍然沒有看到NPU對用户有明顯的好處，因為我們還沒有可用的軟件來使用這部分硬件。我們不清楚華為是怎樣使用NPU進行相機處理的，但除了這些自帶的第一方軟件外，NPU目前對設備體驗仍然處於一種薛定諤狀態。
via：Anandtech