首颗5nmSoC君临

5nm成就153亿晶体管

我们都知道，制程工艺越先进，可以在相同尺寸和封装面积的芯片内塞进越多的晶体管，实现性能和功能的进一步提升。麒麟9 0 0 0系列最大的特色，就是采用台积电最新的5nm（EUV）工艺，集成了高达153亿个晶体管（图1），较之同样采用5nm工艺打造的苹果A14（118亿）增加了30%左右。由于麒麟9 0 0 0还同时集成巴龙50 0 0基带单元，所以它便成為了全球第一颗基于5nm工艺制造的5G SoC。

混搭的CPU和GPU核心

麒麟9000系列包含麒麟9000标准版和麒麟9000E，二者的差异在于GPU和NPU的核心规模（图2），笔者将它们与其他麒麟9系5G SoC的规格进行了对比（表1）。

简单来说，麒麟9000系列是一颗“新旧搭配”的SoC，它的CPU部分选用了ARM在2019年发布的Cortex-A77老架构，而GPU部分则是ARM在2020年最新推出的Mali-G78，从理论层面的竞争底蕴来看并不如Cortex-X1+Cortex-A78+Mali-G78这种新新组合。

但是，麒麟9000系列却深谙“一力降十会”的道理。根据ARM的官方数据，Cortex-A78相较于Cortex-A77，其IPC（同频率下的架构性能）只提升了7%，功耗降低了4%，差距其实并不明显（图3）。此次，麒麟9000系列将最高主频直接拉到了3.13GHz，打破了智能手机芯片史上的最高频率记录，用以迎接Cortex-A78乃至Cortex-X1的挑战。考虑到高频带来的高功耗，麒麟9000系列改用了1+3+4的三丛集方案，即只有1个大核心能达到3.13GHz，而其余3个Cortex-A77则只能运行在2.54GHz的主流频率上。

再来看看麒麟9000系列的GPU，它所集成的Mali-G78沿用了Mali-G77采用的Valhall图形架构，但通过对全局时钟域的优化和重写的FMA（融合乘加）引擎，较之Mali-G77的性能提升幅度高达25%，即便是在同等工艺条件下也可提升15%，同时能效提升10%，机器学习性能提升15%（图4）。

Mali-G78GPU最多可以搭配24个计算单元（图5），没错，麒麟9000集成的Mali-G78MC24就是这颗GPU的“满血版”（指核心数量，不涉及核心频率），而麒麟9000E也集成了多达22个计算单元的Mali-G78MC22。作为对比，Mali-G77最多可以搭配16个计算单元，但受制于成本、发热和功耗，哪怕是最激进的三星Exynos990也才用了11个。Mali-G76最多可以搭配20个计算单元，但麒麟990系列也只用了16个。

换句话说，麒麟9000系列集成的Mali-G78MC22或Mali-G78MC24，已然代表了这颗GPU的性能上限。

基于AI的一系列革新

麒麟970和麒麟980集成的NPU来自寒武纪，从麒麟810和麒麟990开始，则改用海思自研的达芬奇架构1.0。麒麟9000的另一个特色，就是将集成的NPU升级到了达芬奇架构2.0（图6），后者通过架构升级和指令增强，以及华为SmartCache2.0技术的加持，AI计算带宽最高提升了100%，能效最高提升15%，性能最高提升20%。以智能识别2000张照片的速度为例，3年前的麒麟970需要60秒，而麒麟9000则只需1秒。

如果说过去的NPU算力只能处理静态图片，麒麟9000系列集成的NPU（大核部分）则已经可以处理动态的视频了（图7），比如将一段视频中的人物秒变卡通风格，再比如通过AI对视频进行去噪、锐化、超分和色彩增强等，将标清视频提升到接近超清画质，让高清视频秒变接近蓝光画质。当然，上述功能还需要APP端的支持，华为现在正与视频播放平台进行合作，未来可期。

麒麟9000系列集成的NPU微核主要赋能智能感知，它可以全天候以超低功耗运行，用于实现AI隔空手势、AI灵动熄屏等交互功能（图8）。

除了达芬奇架构2.0的NPU，麒麟9000系列此次还集成了ISP6.0单元，并实现了ISP+NPU的融合架构，具备实时包围曝光HDR视频合成能力、超强细节还原及降噪算法、能够更清晰地处理视频图像，逆光拍摄的画质也更趋完美（图9）。此外，麒麟9000系列支持AI+AR智能环境感知功能（KirinAR3.0），可以让手机看懂形状，测量尺寸，识别种类，计算数据、位置等，无论是针对人脸还是周围环境都能够识别建模，实现强大的实时感知能力（图10）。

载波聚合让5G速率翻番

麒麟9905G虽然是量产最早的5GSoC，但由于它不支持载波聚合技术，下行和上行速率分别只有2.3Gbps和1.2Gbps。作为对比，天玑1000系列的下/上行速率分别为4.7Gbps和2.5Gbps，而驍龙865更是高达7.5Gbps和3Gbps。需要注意的是，骁龙865的高速率是建立在毫米波频段下的峰值速度，在Sub-6G频段中的速率将大打折扣。

麒麟9000系列虽然依旧集成巴龙5000基带，但加入了对5G双载波聚合技术的支持，可以将2个100MHz的载波进行聚合，从而实现对于200MHz带宽的利用。在Sub-6G频段中的下/上行理论峰值速率提升到了4.6Gbps和2.5Gbps（图11），追平了其他5GSoC玩家。此外，麒麟9000系列还搭配支持Wi-Fi6+的麒麟W650单元，理论峰值速率可达2.4Gbps。

麒麟9000实测性能分析

得益于5nm工艺，超过3.1GHz的大核主频以及满血Mali-G78MC24GPU的加持，麒麟9000在常见理论跑分软件中的测试成绩并没有让我们失望（表2）。它不仅具备秒杀前辈麒麟9905G的实力，在与搭载骁龙865的iQOO5Pro（几乎是同配置手机中的最强音）的较量中也能全面领先，一改麒麟3D性能总是落后同期骁龙的历史。

需要注意的是，表2中的跑分都是Mate40Pro在“性能模式”下测得，该模式虽然可以“满血输出”，但存在较高的发热量，不适合长时间运行《原神》一类的高负载游戏，否则容易出现过热降频现象。实际上，Mate40Pro在平衡模式下的性能输出就已经不逊于骁龙865了，可以兼顾性能、功耗和温度。当然，如果你给手机配备了外部散热器，再激活性能模式就无须担心过热风险，只是电量的消耗会更快一些。

麒麟9000的对手即将来袭

继麒麟9000之后，5nmSoC领域还将先后迎来三星Exynos1080、Exynos2100、高通骁龙875和天玑2000（表3）。这些竞品的特色在于全部采用了ARM最新的Cortex-A78架构，除了Exynos1080以外还都引入了Cortex-X1超大核，在能耗比方面的表现上可能将优于麒麟9000。如果你对这些芯片的具体规格和性能感兴趣，敬请关注CFan的后续报道。