麒麟960在深層次上的性能 - 全文

　　前言

　　對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，SoC的重要性不言而喻，而作為國(guó)產(chǎn)自研的海思麒麟處理器，一直以來(lái)備受關(guān)注，發(fā)展至今，逐漸躋身于移動(dòng)處理器中的領(lǐng)先水平，在麒麟960這款產(chǎn)品上，做到了“留長(zhǎng)補(bǔ)短”，被稱(chēng)作麒麟歷史上具有突破性的產(chǎn)品，在隨后的實(shí)際體驗(yàn)上，搭載麒麟960的產(chǎn)品都有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。因此，而我們今天就來(lái)測(cè)試一下麒麟960在深層次上的性能。

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　　注：ANANDTECH將麒麟960的工藝寫(xiě)成TSMC 16nm FFC，而實(shí)際上麒麟960的工藝為T(mén)SMC 16nm FF+。

　　從麒麟960、麒麟955、麒麟950三款（兩代）產(chǎn)品參數(shù)表來(lái)看，相比于上代產(chǎn)品，麒麟960是全球首款采用ARM最新的A73架構(gòu)的SoC，相比麒麟950，大核主頻由2.3GHz提升至2.36GHz，小核主頻從1.81升至1.84GHz，但略低于麒麟955的2.52GHz。可以看到，麒麟處理器對(duì)于CPU主頻的還是做了一定的限制、以賦予GPU可以做到更高的性能。

　　麒麟960采用的A73架構(gòu)出自于ARM在歐洲的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，而非設(shè)計(jì)出A15/A57/A72系列的德克薩斯奧斯丁團(tuán)隊(duì)，因此盡管A72與A73在編號(hào)上只差了1個(gè)數(shù)，但在CPU的性能設(shè)計(jì)上則截然不同。A57、A72則是偏重高性能，承擔(dān)著高端處理器上應(yīng)付復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理。A73則更加著重于對(duì)性能與功耗的平衡。

　　▲A73采用雙發(fā)射L/S

　　值得一提的是，A73與A72比較明顯的區(qū)別在于解碼器的寬度，A73采用雙發(fā)射L/S單元，在發(fā)射寬度上小于A72的三發(fā)射。雖然從紙面上有所降低，但根據(jù)資料顯示，A73架構(gòu)的11級(jí)核心流水線深度比A72的15級(jí)核心流水線深度更精簡(jiǎn)，因此發(fā)射寬度并沒(méi)有決定性的影響到A73的性能。另外，A73更短的流水線減少了前端延遲，包括1-2個(gè)更少的解碼器周期，它可以解碼單個(gè)周期中的大多數(shù)指令，以及1個(gè)更少的周期用于讀取層面。

　　電源管理：

　　這張圖顯示了A73相比于A72，在相同的進(jìn)程和相同的主頻下，A73能夠比A72減少20-30%的功耗。并且A73號(hào)稱(chēng)目前處理器中面積最小的高端核心，每顆核心的面積在0.65mm，相比于A72上1.15mm的面積整整小了43%。

　　▲G71架構(gòu)圖

　　一直以來(lái)，麒麟處理器的GPU性能相比于驍龍被人詬病，因此在麒麟960上，GPU則最大限度的保持了性能。在麒麟960上，同樣配備了ARM最新的G71處理器：Mali-G71 MP8，主頻最高為1037MHz。G71采用ARM最新的Bifrost架構(gòu)。與之前midgrad架構(gòu)相比，Bifrost最大的創(chuàng)新在于使用指令組著色器（ClausedShader）。在G71上重新設(shè)計(jì)了執(zhí)行單元，更好的利用著色器核心，增加吞吐量和性能。另外Bifrost架構(gòu)還采用Quad based vectorization技術(shù)，相比于之前SIMD矢量化技術(shù)一次只能執(zhí)行單一線程，Quad矢量化技術(shù)最高支持四線程執(zhí)行，共享控制邏輯，使用率接近100%。

　　通過(guò)解讀麒麟960的架構(gòu)，我們了解了麒麟960的設(shè)計(jì)思路：注重CPU性能與功耗的平衡，以及GPU的極限性能，整個(gè)麒麟960沒(méi)有哪部分成為明顯的短板為人詬病。

　　CPU跑分測(cè)試：

　　▲SPECint2000單項(xiàng)測(cè)試

　　
麒麟960 IPC#e#

　　▲麒麟960 IPC

　　通過(guò)SPECint 2000可以看到，麒麟960在CPU整數(shù)運(yùn)算性能上相比麒麟950有了比較大的進(jìn)步，A73的IPC比A72的高出11%、比A57增加29%。值得一提的是，竟然比驍龍821的kryo高出30%，比8890的Mongoose高15%。在這里，我們也只能說(shuō)一句公版大法好了。

　　▲單線程整數(shù)IPC

　　GeekBench4的整數(shù)運(yùn)算單線程跑分，可以看到，麒麟960總體來(lái)說(shuō)也是有好有壞。相比麒麟950，在邊緣檢測(cè)（Canny）和直方圖均衡（HE）項(xiàng)目中，麒麟960輸給了其它三位對(duì)手，而在HTML5 Parse和HTML5 DOM的測(cè)試中，麒麟960則有上佳的表現(xiàn)。而在IPC的計(jì)算中，A73略優(yōu)與A72 4%，但在SPECint2000的整數(shù)運(yùn)算中，A73的優(yōu)勢(shì)則為11%，二者差距比較大，并且在單項(xiàng)測(cè)試中的起伏不定，因此比較A73與A72之間的好壞，則 是一個(gè)非常困難的事情。

　　另外，可以看到，A73的整數(shù)運(yùn)算IPC大概是A53的1.7-2倍，這也是為什么那些只配備A53的中低端SoC性能表現(xiàn)不好的原因之一。

　　▲浮點(diǎn)單項(xiàng)測(cè)試

　　GeekBench4浮點(diǎn)運(yùn)算，麒麟960的表現(xiàn)并不能算好。與麒麟950相比也不算優(yōu)秀，而對(duì)比驍龍821則全面落?。ó?dāng)然，驍龍的浮點(diǎn)運(yùn)算一直都不錯(cuò)）。考慮到A73的NEON執(zhí)行單元與A72相比并沒(méi)有改變，而降低了特殊指令的延遲，使得NEON的性能還提升了5%。因此這樣的結(jié)果還是有些意外，只能猜測(cè)為有些測(cè)試項(xiàng)目受到A73解碼器寬度的變化。但最終的原因，也只能在之后測(cè)試其它采用A73的SoC上的表現(xiàn)在下結(jié)論。

　　▲浮點(diǎn)測(cè)試IPC結(jié)果

　　在浮點(diǎn)IPC的結(jié)論中，麒麟960不出意外的只能排在中游水準(zhǔn)，比驍龍821、麒麟950、三星8890都落后。而這也意味著麒麟960會(huì)在不同的任務(wù)之間有著比較大的性能變化。

　　內(nèi)存性能：

　　此次ARM將A73的一級(jí)緩存由48kB提升至64kB，二級(jí)緩存由A72的最大2MB提升至8MB，并且為一級(jí)緩存和二級(jí)緩存都配備了獨(dú)立的預(yù)讀器，使得A73可以獲得接近理論的最大帶寬值。并且，與A72一樣，A73中配備了兩個(gè)AGU，能夠同時(shí)加載和存儲(chǔ)操作，而不像A72中只能單個(gè)操作，這對(duì)提高主系統(tǒng)內(nèi)存的發(fā)射率。

　　CPU緩存和內(nèi)存延遲：

　　▲系統(tǒng)延遲與傳輸速度

　　可以看到，得益于A73 64kb的一級(jí)緩存，麒麟960保持了1.27ns的穩(wěn)定延遲，對(duì)比麒麟950的1.74ns，有著27%的提升。

　　▲帶寬讀取測(cè)試

　　▲帶寬寫(xiě)入測(cè)試

　　上面兩個(gè)圖標(biāo)顯示了使用兩線程讀/寫(xiě)NEON指令，有助于表明麒麟960的內(nèi)存帶寬。讀取時(shí)，麒麟960的L1緩存優(yōu)于麒麟950，但從64kb分界線可以明顯看出，當(dāng)?shù)竭_(dá)2級(jí)緩存的時(shí)候，帶寬則有著明顯的下降。圖2可以看到，寫(xiě)入時(shí)，L1、L2下麒麟960都低于麒麟950，而在1024kb分界線過(guò)后，寫(xiě)入系統(tǒng)時(shí)，則低于麒麟960。緩存帶寬的減少，也從側(cè)面解釋了GeekBench4浮點(diǎn)測(cè)試中麒麟960的劣勢(shì)。

　　在GeekBench4的內(nèi)存測(cè)試中（單線程），盡管麒麟960的L1、L2的緩存性能都是混合的，但在系統(tǒng)內(nèi)存方面還是比麒麟950有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。內(nèi)存延遲提升了25%、內(nèi)存帶寬提升了69%，但在內(nèi)存復(fù)制上，麒麟960還是被驍龍821甩在了身后。說(shuō)明kryo對(duì)于內(nèi)存數(shù)據(jù)的管理還是有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　當(dāng)然，上面測(cè)試的都是理論性能，而理論性能究竟有多少能轉(zhuǎn)化為真實(shí)性能，則體現(xiàn)出廠商的優(yōu)化能力。當(dāng)然，不同的廠商對(duì)于處理器性能的策略也導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果，比如發(fā)熱（后降頻）的閾值、CPU的核心調(diào)度策略等，也都會(huì)使同樣的處理器在不同的產(chǎn)品上有著不同的體驗(yàn)。

　　▲PCMark綜合測(cè)試成績(jī)

　　▲瀏覽器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

　　▲寫(xiě)入測(cè)試

　　PCMark通過(guò)模擬一些現(xiàn)實(shí)的工作場(chǎng)景，調(diào)用許多常永的安卓應(yīng)用API，突出對(duì)CPU、GPU、RAM等部分的測(cè)試。而在瀏覽器測(cè)試、數(shù)據(jù)操縱等測(cè)試項(xiàng)目的評(píng)分中，麒麟960都均為最高（采用Mate9測(cè)試）?？梢钥吹?，kryo架構(gòu)對(duì)于整數(shù)性能的測(cè)試一直都比較頭疼，因此在整數(shù)性能權(quán)重比較重的測(cè)試項(xiàng)目中，驍龍820/821的手機(jī)落后于采用公版A72/A73架構(gòu)的手機(jī)。

　　最后的數(shù)據(jù)操縱測(cè)試是對(duì)整數(shù)運(yùn)算的測(cè)試項(xiàng)目，通過(guò)測(cè)量多種不同類(lèi)型文件的數(shù)據(jù)包解壓速度，然后記錄動(dòng)態(tài)交叉表的幀率。而在這個(gè)測(cè)試中，麒麟960比麒麟950快了30%，比驍龍821快了37%。

　　▲Kraken測(cè)試?

　　▲WebXPRT測(cè)試

　　▲JetStream

　　注：Kraken在Chrome/Safari/IE中測(cè)試javascript性能;WebXPRT測(cè)試不同瀏覽器之間的Web性能（基于HTML5和Javascript）、JetStream測(cè)試JavaScript的性能；

　　在Javescript測(cè)試中，我們選取了不同的應(yīng)用在不同的瀏覽器當(dāng)中測(cè)試，綜合來(lái)看，麒麟960的表現(xiàn)比不錯(cuò)，在旗艦中堪稱(chēng)優(yōu)秀。

　　GPU能耗和發(fā)熱：

　　對(duì)于CPU理論性能與真實(shí)體驗(yàn)之間轉(zhuǎn)換，功耗一直是一個(gè)比較矛盾的問(wèn)題。性能強(qiáng)，CPU的功耗自然比較大，而功耗過(guò)大又會(huì)限制CPU峰值能力的穩(wěn)定性，因此控制性能與功耗之間的平衡，則是考驗(yàn)廠家對(duì)SoC把握的重要部分。在麒麟950時(shí)，海思曾經(jīng)做到比較不錯(cuò)的功耗比，而ARM宣稱(chēng)A73在同頻、同任務(wù)下相比A72能減少20-30%的功耗，因此我們對(duì)麒麟960的能耗比也有所期待。

　　從表格可以看到，麒麟960的四顆大核所消耗的功率遠(yuǎn)超A72架構(gòu)的麒麟950，這與ARM所宣傳的A73架構(gòu)更加省電并不太相符。從單純的數(shù)據(jù)來(lái)看，麒麟960的峰值功率與超頻過(guò)后的麒麟955比較接近，每顆核心與低頻的Exynos 7420相近，只有大約50mW。

　　而與驍龍820/821的兩個(gè)kryo大核相比，麒麟960的功耗更低，兩顆大核的功率大致為2.8W，而kryo則能達(dá)到3.1-3.3W。但剩余的兩顆小核在運(yùn)行時(shí)消耗更低的功率，相比之下，麒麟960之前的優(yōu)勢(shì)不再。

　　續(xù)航測(cè)試：

　　盡管在峰值功耗上麒麟960明顯更高，但華為Mate9在續(xù)航測(cè)試中的表現(xiàn)結(jié)果卻非常不錯(cuò)。在PCMark的測(cè)試中，接近10小時(shí)的續(xù)航時(shí)間比Mate8甚至都高出27%，與單純的CPU性能測(cè)試的結(jié)果并不相符，恐怕也只能說(shuō)這一代的系統(tǒng)優(yōu)化更加出色。

　　▲續(xù)航測(cè)試

　　在這張圖中，顯示了Mate9在運(yùn)行PCMark 2.0性能測(cè)試時(shí)的總系統(tǒng)功耗（測(cè)試環(huán)境：無(wú)線電關(guān)閉、屏幕亮度僅為10nits），而除了在加載下一個(gè)測(cè)試場(chǎng)景時(shí)的引起的較高功率之外，總功率消耗保持在3W以下，且平時(shí)一般都低于2W，遠(yuǎn)低于麒麟960四顆大核測(cè)量的5.3W。

　　而在這個(gè)表中的測(cè)試項(xiàng)目：瀏覽器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、視頻測(cè)試、文件寫(xiě)入、圖片編輯和數(shù)據(jù)操作，這些項(xiàng)目基本上都是我們平時(shí)經(jīng)常用到的手機(jī)功能?？梢钥吹?，線程從小核心轉(zhuǎn)移到大核心以及手機(jī)動(dòng)態(tài)地調(diào)整電壓匹配CPU頻率和負(fù)載，在大部分場(chǎng)景下，CPU只開(kāi)啟1-2個(gè)大核，麒麟960比麒麟950的功率多使用754mW，而非四核全開(kāi)時(shí)的1601mW。因此，雖然CPU效率很重要，但我們需要根據(jù)實(shí)際使用的情況來(lái)考慮，也不能忘記軟件（程序調(diào)度、CPUidle）對(duì)續(xù)航的影響。

　　系統(tǒng)功耗：

　　單方面的只看功耗是片面的，一款設(shè)備的功耗大于其它設(shè)備，但如果它在更短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，實(shí)際上可以使用更少的功耗，以獲得更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。而在上兩個(gè)圖中，同樣關(guān)閉無(wú)線電、屏幕亮度為10nits，減少不同屏幕對(duì)結(jié)果的影響。

　　第一張圖中，顯示了每款手機(jī)在PCMark 2.0性能測(cè)試時(shí)所消耗的總功耗。Mate9比Mate8大概超出了16%，而使用GPU的視頻和圖片編輯功能時(shí)從高到低差距最大，而在數(shù)據(jù)操縱和寫(xiě)入時(shí)，驍龍821的功耗比麒麟960還略大，因?yàn)樵谶@樣的測(cè)試中必須使用兩顆大核，而非GPU（可見(jiàn)麒麟的CPU功耗較低、GPU功耗略高）。

　　第二張圖片是將PCMark分?jǐn)?shù)除以顯示效率后所得到的功耗值（越高越高），可以看到，在寫(xiě)入測(cè)試以及數(shù)據(jù)操縱的項(xiàng)目中，Mate9都比Mate8的效率更高，但在視頻和照片編輯部分，Mate9的GPU效率偏低，而高通的Adreno依然是效率最高的。

　　屏幕亮度-功耗曲線圖：

　　盡管麒麟960的SoC功耗更高，但在續(xù)航測(cè)試中Mate9卻優(yōu)于Mate8，因此可以猜想，華為在其它地方做出了更多的優(yōu)化。而在這種圖中，可以明顯的看出，在顯示效率方面Mate9要遠(yuǎn)勝與Mate8。而作為一個(gè)手機(jī)最大的電量消耗部分，在屏幕方面的進(jìn)步使得Mate9在續(xù)航方面有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。

　　CPU線程穩(wěn)定性：

　　在CPU穩(wěn)定方面的測(cè)試中，使用了與之前一樣的電源病毒，在A73的兩顆大核上運(yùn)行兩線程，持續(xù)時(shí)間30分鐘，確定設(shè)備能夠保持CPU的峰值性能，而不至于像我們平時(shí)說(shuō)的“三秒真男人”。這個(gè)測(cè)試也綜合考驗(yàn)了CPU功耗、元器件散熱能力和對(duì)于熱量調(diào)度管理的水平。

　　通過(guò)測(cè)試，Mate8和麒麟950可以非常穩(wěn)定的保持在A72的峰值，Mate9卻沒(méi)能做到。因?yàn)轺梓?60的功耗較高，因此CPU的峰值大約維持在11分鐘，但仍然是一個(gè)不錯(cuò)的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，以手機(jī)CPU為中心的工作負(fù)載能夠?qū)⒋蠛说膸p峰維持到這個(gè)時(shí)間就已經(jīng)表現(xiàn)不錯(cuò)，因此Mate9的效率還算不錯(cuò)。那么接下來(lái)，我們也比較期待像P10這樣身材較小的手機(jī)能否有很好的散熱。

　　GPU功耗測(cè)試：

　　麒麟960采用ARM最新的Mali-G71 GPU，與之前麒麟的 SoC不同，G71采用8核GPU以提高峰值性能。當(dāng)然，更多的 核心也意味著更高的功耗，因此我們對(duì)GPU的持續(xù)性也比較感興趣。

　　測(cè)試方法：在手機(jī)上運(yùn)行GFXBench曼哈頓3.1和霸王龍性能測(cè)試，通過(guò)設(shè)備的電量計(jì)收集數(shù)據(jù)，在運(yùn)行每個(gè)測(cè)試時(shí)將總功率減去設(shè)備空閑的功率，得到系統(tǒng)負(fù)載功率。

　　曼哈頓3.1離屏功耗測(cè)試：

　　從圖中可以看到，Mate9平均8.63W的功耗也是整個(gè)小組中成績(jī)最高的，這樣的成績(jī)對(duì)于智能手機(jī)的SoC實(shí)在是過(guò)高，因?yàn)檫@么高的數(shù)據(jù)對(duì)于想要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在峰值功率基本不太可能?；蛟S是由于G71的主頻有點(diǎn)過(guò)高（1037MHz）導(dǎo)致的。畢竟三星8890的Mali-T880主頻也只有650MHz。

　　在測(cè)試中，Mate9的曼哈頓3.1離屏成績(jī)?yōu)?2.49Fps，比Mate8時(shí)期提高了整整3倍性能，但相同的，平均功耗也是Mate8的3倍，因此在效率方面基本持平。而高通的Adreno 530在驍龍820/821上同樣的成績(jī)，但功耗只有麒麟的一半?？梢钥吹剑贕PU方面，高通依舊有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

　　霸王龍離屏測(cè)試：

　　在霸王龍離屏的測(cè)試中，麒麟960的成績(jī)變得更加糟糕，平均功率增加至9.51W，GPU的效率甚至低過(guò)麒麟950。而相比之下，三星S7的Exynos 8890使用的Mali-T880 MP12，主頻為650MHz，平均功耗4.7W，只有麒麟960的一半，效率卻能達(dá)到88%。

　　在類(lèi)似的測(cè)試中，無(wú)論是蘋(píng)果、高通還是三星，其SoC的平均功耗都在5W為上限，而到了5W時(shí)GPU就很難長(zhǎng)時(shí)間保持在峰值性能，會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而降頻，因此麒麟960這樣的成績(jī)實(shí)在有些難以接受。

　　曼哈頓3.1續(xù)航測(cè)試：

　　過(guò)高的功耗對(duì)于麒麟960的電池續(xù)航也有著一定的影響，尤其是在游戲環(huán)節(jié)，Mate9比Mate8還少1小時(shí)的續(xù)航，說(shuō)明在運(yùn)行過(guò)程中Mate9并沒(méi)有對(duì)GPU的使用作出太明顯的優(yōu)化。而最終，Mate9在續(xù)航測(cè)試中只有比較中等的水平，與比它電池容量明顯減小的一加3T等水平相同。

　　GPU穩(wěn)定性（曼哈頓3.1）：

　　通過(guò)圖表可以看到，Mate9在GPU降頻之前堅(jiān)持了1分鐘左右，在8分鐘時(shí)幀數(shù)為21Fps，相對(duì)于峰值減少38%，在30分鐘后達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)，幀率為19Fps，不過(guò)依然比麒麟950的峰值的11.5Fps要強(qiáng)。而相比之下， 樂(lè)Pro3從峰值的33Fps峰值隨后會(huì)下降至19Fps，基本與麒麟960差不多。

　　而在這張圖中可以看到，Mate9的GPU頻率和功耗在游戲續(xù)航測(cè)試前15分鐘的變化：一旦GPU主頻下降至533MHz，其平均功耗會(huì)下降至4W，這也屬于可持續(xù)穩(wěn)定的功耗。這說(shuō)明麒麟應(yīng)該把GPU的主頻下調(diào)至650MHz至700MHz更為明智，目前來(lái)看，1037MHz的峰值主頻確實(shí)有些Hold不住。

　　總結(jié)：

　　性能方面，在進(jìn)行整數(shù)運(yùn)算時(shí)，麒麟960的A73比950的A72效率更高，甚至優(yōu)于高通的kryo和A57，但在浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，結(jié)果正相反，高通的kryo和A72要優(yōu)于A73。麒麟960采用更大的64KB L1緩存，使得延遲和讀取帶寬都有所提高，但寫(xiě)入帶寬則低于麒麟950;寫(xiě)入方面，麒麟960的L2緩存帶寬對(duì)于讀取和寫(xiě)入都較低與麒麟950。綜合來(lái)看，麒麟960對(duì)于主內(nèi)存的延遲降低了25%，帶寬提高了69%。而截至CPU的部分，麒麟960的提升顯而易見(jiàn)。

　　但麒麟960的GPU功耗卻出了問(wèn)題，甚至低于麒麟950。盡管ARM宣稱(chēng)A73的功耗低于A72不少，但在麒麟960上卻并沒(méi)有體現(xiàn)，GPU功耗過(guò)高可能與主頻有關(guān)。不過(guò)在其它方面，Mate9對(duì)于顯示效率的提升、CPU功耗的控制使得在續(xù)航方面，Mate9依然有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

　　相比過(guò)去，麒麟960的進(jìn)步確實(shí)給人留下了深刻的印象，并且也增強(qiáng)了我們對(duì)麒麟970的期待。麒麟960提供了ARM最強(qiáng)的A73架構(gòu)、更強(qiáng)性能的G71 GPU和CCI-550互聯(lián)。并且支持Cat12/13的鏈接速度以及UFS 2.1的內(nèi)存規(guī)格。麒麟960并非簡(jiǎn)單的對(duì)麒麟950的升級(jí)，而是一顆全新的處理器，在實(shí)際體驗(yàn)中也優(yōu)于麒麟950。在Mate9上的表現(xiàn)，證明了麒麟960稱(chēng)得上一顆旗艦級(jí)的SoC，并且我們也期待在下一款產(chǎn)品身上，華為能夠解決其現(xiàn)有缺陷，在各方面都能躋身于優(yōu)秀的水準(zhǔn)。