麒麟960在深層次上的性能 - 全文

　　前言

　　對于智能手機來說，SoC的重要性不言而喻，而作為國產(chǎn)自研的海思麒麟處理器，一直以來備受關(guān)注，發(fā)展至今，逐漸躋身于移動處理器中的領(lǐng)先水平，在麒麟960這款產(chǎn)品上，做到了“留長補短”，被稱作麒麟歷史上具有突破性的產(chǎn)品，在隨后的實際體驗上，搭載麒麟960的產(chǎn)品都有著不錯的表現(xiàn)。因此，而我們今天就來測試一下麒麟960在深層次上的性能。

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　　注：ANANDTECH將麒麟960的工藝寫成TSMC 16nm FFC，而實際上麒麟960的工藝為TSMC 16nm FF+。

　　從麒麟960、麒麟955、麒麟950三款（兩代）產(chǎn)品參數(shù)表來看，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?？梢钥吹剑梓胩幚砥鲗τ?a target="_blank">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)計團隊，而非設(shè)計出A15/A57/A72系列的德克薩斯奧斯丁團隊，因此盡管A72與A73在編號上只差了1個數(shù)，但在CPU的性能設(shè)計上則截然不同。A57、A72則是偏重高性能，承擔著高端處理器上應付復雜數(shù)據(jù)的處理。A73則更加著重于對性能與功耗的平衡。

　　▲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級核心流水線深度比A72的15級核心流水線深度更精簡，因此發(fā)射寬度并沒有決定性的影響到A73的性能。另外，A73更短的流水線減少了前端延遲，包括1-2個更少的解碼器周期，它可以解碼單個周期中的大多數(shù)指令，以及1個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，在相同的進程和相同的主頻下，A73能夠比A72減少20-30%的功耗。并且A73號稱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，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%。

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

　　CPU跑分測試：

　　▲SPECint2000單項測試

　　
麒麟960 IPC#e#

　　▲麒麟960 IPC

　　通過SPECint 2000可以看到，麒麟960在CPU整數(shù)運算性能上相比麒麟950有了比較大的進步，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，我們也只能說一句公版大法好了。

　　▲單線程整數(shù)IPC

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

　　另外，可以看到，A73的整數(shù)運算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。

　　▲浮點單項測試

　　GeekBench4浮點運算，麒麟960的表現(xiàn)并不能算好。與麒麟950相比也不算優(yōu)秀，而對比驍龍821則全面落?。ó斎?，驍龍的浮點運算一直都不錯）?？紤]到A73的NEON執(zhí)行單元與A72相比并沒有改變，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，只能猜測為有些測試項目受到A73解碼器寬度的變化。但最終的原因，也只能在之后測試其它采用A73的SoC上的表現(xiàn)在下結(jié)論。

　　▲浮點測試IPC結(jié)果

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

　　內(nèi)存性能：

　　此次ARM將A73的一級緩存由48kB提升至64kB，二級緩存由A72的最大2MB提升至8MB，并且為一級緩存和二級緩存都配備了獨立的預讀器，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AGU，能夠同時加載和存儲操作，而不像A72中只能單個操作，這對提高主系統(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的一級緩存，麒麟960保持了1.27ns的穩(wěn)定延遲，對比麒麟950的1.74ns，有著27%的提升。

　　▲帶寬讀取測試

　　▲帶寬寫入測試

　　上面兩個圖標顯示了使用兩線程讀/寫NEON指令，有助于表明麒麟960的內(nèi)存帶寬。讀取時，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?shù)竭_2級緩存的時候，帶寬則有著明顯的下降。圖2可以看到，寫入時，L1、L2下麒麟960都低于麒麟950，而在1024kb分界線過后，寫入系統(tǒng)時，則低于麒麟960。緩存帶寬的減少，也從側(cè)面解釋了GeekBench4浮點測試中麒麟960的劣勢。

　　在GeekBench4的內(nèi)存測試中（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)存復制上，麒麟960還是被驍龍821甩在了身后。說明kryo對于內(nèi)存數(shù)據(jù)的管理還是有著明顯的優(yōu)勢。

　　當然，上面測試的都是理論性能，而理論性能究竟有多少能轉(zhuǎn)化為真實性能，則體現(xiàn)出廠商的優(yōu)化能力。當然，不同的廠商對于處理器性能的策略也導致會出現(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，也都會使同樣的處理器在不同的產(chǎn)品上有著不同的體驗。

　　▲PCMark綜合測試成績

　　▲瀏覽器網(wǎng)絡(luò)測試

　　▲寫入測試

　　PCMark通過模擬一些現(xiàn)實的工作場景，調(diào)用許多常永的安卓應用API，突出對CPU、GPU、RAM等部分的測試。而在瀏覽器測試、數(shù)據(jù)操縱等測試項目的評分中，麒麟960都均為最高（采用Mate9測試）?？梢钥吹剑琸ryo架構(gòu)對于整數(shù)性能的測試一直都比較頭疼，因此在整數(shù)性能權(quán)重比較重的測試項目中，驍龍820/821的手機落后于采用公版A72/A73架構(gòu)的手機。

　　最后的數(shù)據(jù)操縱測試是對整數(shù)運算的測試項目，通過測量多種不同類型文件的數(shù)據(jù)包解壓速度，然后記錄動態(tài)交叉表的幀率。而在這個測試中，麒麟960比麒麟950快了30%，比驍龍821快了37%。

　　▲Kraken測試?

　　▲WebXPRT測試

　　▲JetStream

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

　　在Javescript測試中，我們選取了不同的應用在不同的瀏覽器當中測試，綜合來看，麒麟960的表現(xiàn)比不錯，在旗艦中堪稱優(yōu)秀。

　　GPU能耗和發(fā)熱：

　　對于CPU理論性能與真實體驗之間轉(zhuǎn)換，功耗一直是一個比較矛盾的問題。性能強，CPU的功耗自然比較大，而功耗過大又會限制CPU峰值能力的穩(wěn)定性，因此控制性能與功耗之間的平衡，則是考驗廠家對SoC把握的重要部分。在麒麟950時，海思曾經(jīng)做到比較不錯的功耗比，而ARM宣稱A73在同頻、同任務下相比A72能減少20-30%的功耗，因此我們對麒麟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)來看，麒麟960的峰值功率與超頻過后的麒麟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則能達到3.1-3.3W。但剩余的兩顆小核在運行時消耗更低的功率，相比之下，麒麟960之前的優(yōu)勢不再。

　　續(xù)航測試：

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

　　▲續(xù)航測試

　　在這張圖中，顯示了Mate9在運行PCMark 2.0性能測試時的總系統(tǒng)功耗（測試環(huán)境：無線電關(guān)閉、屏幕亮度僅為10nits），而除了在加載下一個測試場景時的引起的較高功率之外，總功率消耗保持在3W以下，且平時一般都低于2W，遠低于麒麟960四顆大核測量的5.3W。

　　而在這個表中的測試項目：瀏覽器網(wǎng)絡(luò)測試、視頻測試、文件寫入、圖片編輯和數(shù)據(jù)操作，這些項目基本上都是我們平時經(jīng)常用到的手機功能。可以看到，線程從小核心轉(zhuǎn)移到大核心以及手機動態(tài)地調(diào)整電壓匹配CPU頻率和負載，在大部分場景下，CPU只開啟1-2個大核，麒麟960比麒麟950的功率多使用754mW，而非四核全開時的1601mW。因此，雖然CPU效率很重要，但我們需要根據(jù)實際使用的情況來考慮，也不能忘記軟件（程序調(diào)度、CPUidle）對續(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間內(nèi)完成任務，實際上可以使用更少的功耗，以獲得更長的待機時間。而在上兩個圖中，同樣關(guān)閉無線電、屏幕亮度為10nits，減少不同屏幕對結(jié)果的影響。

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

　　第二張圖片是將PCMark分數(shù)除以顯示效率后所得到的功耗值（越高越高），可以看到，在寫入測試以及數(shù)據(jù)操縱的項目中，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要遠勝與Mate8。而作為一個手機最大的電量消耗部分，在屏幕方面的進步使得Mate9在續(xù)航方面有著不錯的表現(xiàn)。

　　CPU線程穩(wěn)定性：

　　在CPU穩(wěn)定方面的測試中，使用了與之前一樣的電源病毒，在A73的兩顆大核上運行兩線程，持續(xù)時間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說的“三秒真男人”。這個測試也綜合考驗了CPU功耗、元器件散熱能力和對于熱量調(diào)度管理的水平。

　　通過測試，Mate8和麒麟950可以非常穩(wěn)定的保持在A72的峰值，Mate9卻沒能做到。因為麒麟960的功耗較高，因此CPU的峰值大約維持在11分鐘，但仍然是一個不錯的結(jié)果。一般來說，以手機CPU為中心的工作負載能夠?qū)⒋蠛说膸p峰維持到這個時間就已經(jīng)表現(xiàn)不錯，因此Mate9的效率還算不錯。那么接下來，我們也比較期待像P10這樣身材較小的手機能否有很好的散熱。

　　GPU功耗測試：

　　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。當然，更多的 核心也意味著更高的功耗，因此我們對GPU的持續(xù)性也比較感興趣。

　　測試方法：在手機上運行GFXBench曼哈頓3.1和霸王龍性能測試，通過設(shè)備的電量計收集數(shù)據(jù)，在運行每個測試時將總功率減去設(shè)備空閑的功率，得到系統(tǒng)負載功率。

　　曼哈頓3.1離屏功耗測試：

　　從圖中可以看到，Mate9平均8.63W的功耗也是整個小組中成績最高的，這樣的成績對于智能手機的SoC實在是過高，因為這么高的數(shù)據(jù)對于想要長時間穩(wěn)定在峰值功率基本不太可能?；蛟S是由于G71的主頻有點過高（1037MHz）導致的。畢竟三星8890的Mali-T880主頻也只有650MHz。

　　在測試中，Mate9的曼哈頓3.1離屏成績?yōu)?2.49Fps，比Mate8時期提高了整整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，但功耗只有麒麟的一半?？梢钥吹?，在GPU方面，高通依舊有著巨大的優(yōu)勢。

　　霸王龍離屏測試：

　　在霸王龍離屏的測試中，麒麟960的成績變得更加糟糕，平均功率增加至9.51W，GPU的效率甚至低過麒麟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，效率卻能達到88%。

　　在類似的測試中，無論是蘋果、高通還是三星，其SoC的平均功耗都在5W為上限，而到了5W時GPU就很難長時間保持在峰值性能，會因為過熱而降頻，因此麒麟960這樣的成績實在有些難以接受。

　　曼哈頓3.1續(xù)航測試：

　　過高的功耗對于麒麟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小時的續(xù)航，說明在運行過程中Mate9并沒有對GPU的使用作出太明顯的優(yōu)化。而最終，Mate9在續(xù)航測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）：

　　通過圖表可以看到，Mate9在GPU降頻之前堅持了1分鐘左右，在8分鐘時幀數(shù)為21Fps，相對于峰值減少38%，在30分鐘后達到比較穩(wěn)定的狀態(tài)，幀率為19Fps，不過依然比麒麟950的峰值的11.5Fps要強。而相比之下， 樂Pro3從峰值的33Fps峰值隨后會下降至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)航測試前15分鐘的變化：一旦GPU主頻下降至533MHz，其平均功耗會下降至4W，這也屬于可持續(xù)穩(wěn)定的功耗。這說明麒麟應該把GPU的主頻下調(diào)至650MHz至700MHz更為明智，目前來看，1037MHz的峰值主頻確實有些Hold不住。

　　總結(jié)：

　　性能方面，在進行整數(shù)運算時，麒麟960的A73比950的A72效率更高，甚至優(yōu)于高通的kryo和A57，但在浮點運算時，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，但寫入帶寬則低于麒麟950;寫入方面，麒麟960的L2緩存帶寬對于讀取和寫入都較低與麒麟950。綜合來看，麒麟960對于主內(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。

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

　　相比過去，麒麟960的進步確實給人留下了深刻的印象，并且也增強了我們對麒麟970的期待。麒麟960提供了ARM最強的A73架構(gòu)、更強性能的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并非簡單的對麒麟950的升級，而是一顆全新的處理器，在實際體驗中也優(yōu)于麒麟950。在Mate9上的表現(xiàn)，證明了麒麟960稱得上一顆旗艦級的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。