华为海思Kirin 960芯片：细看其性能与功耗
2018-06-06 06:10:37 来源：网络整理 作者：秋军
为了了解CPU功耗，我们采用不同线程数来人为加载核心（译者注：原文是说用power virus来测试，直译就是功率病毒，这里可译作功耗程序）。借由每台设备自带的数据来做计算，从相应场景的总功率减去闲置功率（仅显示静态屏幕所需资源），得到表中所谓的Active Power消耗功率。这种统计方法并不完美，而且也没有可将既定块消耗资源单独出来的方式，比如SoC互联、内存控制器或者DRAM，所以下面这些数据包含了一些增量。下面的“1 Core”列数据更靠谱。
比较意外的是，Kirin 960的CPU大核心相较Kirin 950的A72消耗了更多资源，最大差距达到了43%！这和ARM自身制定A73的目标是相悖的，原本ARM宣称A73能够节约能耗，加强持续性能。我们无从了解，为何Kirin 960在最高频率下功率更高，这可能与工艺和实施方案都是有关的。
Kirin 950采用台积电的16FF+ FinFET工艺，不过针对Kirin 960，海思则转而采用台积电的16FFC FinFET工艺。更新版本的16FFC工艺减少了生产成本和die尺寸，令其在中端和低端市场更具竞争力。台积电还宣称，这种工艺能够低于0.6V运行，减少泄露和动态能耗，所以它很适合可穿戴设备和IoT产品。所以这是定位于对价格比较敏感的市场，外加超低功耗的可穿戴设备的，这种工艺倾向于采用更低的频率运行，而非像Kirin 960这样的2.36GHz频率。将定位性能更低、以更低电压和频率为目标的16FFC工艺，应用更高的频率，令其突破效能临界点，可能就是其功耗更高的原因所在。
Kirin 960和950的上述差异应该不止是工艺的关系。架构的具体实施方案在其中扮演更重要的角色。海思在16FF+工艺的Kirin 950的表现上很好，所以其效率也不错。要达到这样的表现本来就有难度，更何况还有16FF+与16FFC的差别，需求不同，工艺也不同。我们无从了解海思在这颗芯片上的表现与最优方案有多大差距，因为没有其他16FFC工艺的A73 CPU可作比较。
Kirin 960的峰值功率数值和Kirin 955（高频版Kirin 950）很接近。其单核方面的功率提升和Exynos 7420频率更低的A57核心接近，只少了50mW。
Kirin 960的A73核心相比骁龙820/821中的两个高性能Kryo核心功耗更低，最高为2.8W——后者最高为3.1-3.3W。骁龙的四颗核心中有两个是以更低频率运行的，功耗也更低，所以在3-4个核心一起运行的时候，Kirin 960的功耗优势就不存在了。
PCMark续航测试，单位小时，越高越好
华为Mate 9虽然在功率峰值状态的功耗更高，但在我们的电池续航测试中却表现得很不错。在WiFi网页浏览-屏幕长开测试中续航时间13.25小时，比Mate 8多出3个小时，而PCMark 2.0测试则接近10个小时，比Mate 8多出27%。续航成绩和我们在CPU功耗方面的数据是相悖的。
上图展示了Mate 9在跑PCMark 2.0性能测试的时候，总的系统功耗变化（所有无线信号全部切断，屏幕亮度降低至10nits）。除了某些情况下会形成功率峰值，总的功率维持在3W以下，一般都低于2W，也都远低于我们测试Kirin 960四个大核心并开时的5.3W。
（译者注：原文并没有对Power Comsumption与Energy Comsuption进行区分，文章中许多地方表达的“功耗”一词，意思和功率差不多，单位为瓦特或毫瓦；而文中出现“能耗”一词时，英文表达为Energy Consumption，则是指具体消耗了多少能量，单位为焦耳。1瓦特=1焦耳/秒。
但有时，文章对这两个词进行了混用；这里对功耗和能耗这两个中文表达的区分不够规范和严谨。文中不再作另外说明。）
展示这张图是因为我们日常使用的绝大部分应用行为，和PCMark都比较类似，从小核心到大核心的线程切换，还有DVFS工作令负载与CPU频率相匹配（不过绝大部分日常应用会表现出明显更多的CPU闲置时间，从这个角度来看，PCMark还是略显偏激）。许多任务负载也只用1-2个大核心，PCMark也是如此。在两个核心以最高频率运行的时候，Kirin 960相较950功耗多出754mW，而在开启四个核心的时候则多1601mW。所以说，虽然CPU效能是比较重要的，但还需要与具体日常使用中的工作负载相结合。
光看功率值是不行的，一台设备可能比另一台设备功率更高，但完成任务的时间也更短，或者实际上其能耗更少，续航更久。对于上面两张图来说，手机的无线电都已关闭，显示屏亮度调整到仅10nits（常规最低设置）来减少不同屏幕尺寸和效能的屏幕对于结果的影响。
第一张图展示了手机运行PCMark 2.0性能测试时的总能耗，Mate 9相比Mate 8整体多出16%的能耗（虽然我们尽可能让屏幕的影响最小，P9的能耗还是比Mate 8略低，这和更小的屏幕尺寸可能也是有关系的）。视频和照片编辑测试项（Video和Photo Editing）会启用GPU，这类测试会表现出最大化差异；写入测试（Writing），会频繁用到CPU大核心，这项测试相比平均水准也会表现出更大的差异。乐视Pro3手机，及其骁龙821 SoC在数据操作与写入测试（Data Manipulation和Writing）中的确相比Mate 9能耗更大，用上了2个高性能的Kryo核心；不过在用到GPU的视频与照片编辑测试中，Mate 9和Kirin 960就没有优势了。
第二张图将PCMark的得分除以能耗，用以表现效能。由于Mate 9性能更出色，所以在写入（Writing）测试中，效能比Mate 8高出7%，在数据操作（Data Manipulation）测试中效能高出17%。不过Mate 9的GPU效能是这组测试中最差的，从视频与照片编辑测试（Video与Photo Editing）就能看得出来。相较之下乐视Pro3的Adreno 530 GPU在这些测试中效能就明显更好了。
虽然Kirin 960 SoC能耗更大，不过在PCMark的电池续航测试中，Mate 9相比Mate 8却续航更久，这么看来华为必然是在手机的其它部分减少了能耗。显示屏就成为最值得观察的部件，上图很清晰地展示了Mate 9的屏幕明显更省电。在200nits亮度下（我们用于电池测试的值），Mate 9功耗少了约19%。运行PCMark的时间，可转化为82J能量，基本消除了Mate 9和Mate 8之间102J的差距。我怀疑，这里显示屏功率方面的差异可能略大了一点，我们没有设备能够进行更准确的测试。这仍然无法完整地说明Mate 9功耗究竟省在了哪些地方，这也脱离了这篇文章讨论的范畴。
CPU热稳定性
我们的CPU调节测试，还是用上了前面的功耗程序（power virus），2个线程跑在2个A73大核心之上，跑大约30分钟。目标是要看设备维持CPU峰值性能的能力，也就是不对用户体验造成太大的影响。这也考验设备的散热能力，以及设备对于温度的安全限制。
Mate 8及其Kirin 950几乎能够毫无限制地让两颗A72核心维持住峰值性能，这可称得上牛逼了。Mate 9的表现就没有那么好了，因为Kirin 960用上了更高的功率。不过即便如此，Kirin 960依旧能够让两颗A73核心在峰值频率上运行11.3分钟，而且在20分钟的时间里对于频率的调整都没有对性能产生实际的影响，这仍然是非常出色的成绩。至少我没有想到其它手机的CPU工作负载，能够以这样的表现加载两颗大核心。所以仍然可以说，对Mate 9而言，CPU频率调节并不是个问题。这样一来，华为更小的手机，比如P10是否也能够有这样的表现就更值得观察了，毕竟更小的设备无法获得大设备那样的散热表现。
GPU功耗与热稳定性
GPU功耗
Kirin 960采用ARM最新的Mali-G71 GPU，先前的Kirin SoC为了平衡性能和功耗普遍用上了更少的GPU核心，这次Kirin 960的GPU也上了八个核心，显然是开始专注于峰值性能了。更多的核心也意味着更高的功率，持续性能表现可能是很多人关心的。
我们针对GPU功耗测试的方法和CPU部分是类似的。运行GFXBench Manhattan 3.1和T-Rex离屏性能测试（译者注：这里吐槽一句，不知道是哪个恶劣的译者首先把offscreen这个词翻译成了“离屏”，不仅难听到爆，而且一般国人也无法理解，还离屏，怎么不说离婚？），我们在运行每项测试时，从总的消耗功率（Active Power）中减去闲置功率，来计算系统负载功率——用的是每台设备自己提供的数据。
GFXBench曼哈顿3.1离屏能效表现，第二列为GPU的工艺制程，第三列为运行帧率-越高越好，第四列为平均功率-越低越好，第五列为每瓦特的帧率-越高越好
Mate 9的8.63W平均功率成为全组最高，对于智能手机的SoC而言的确是不大能接受的。GPU功耗这么高，就算同时只有1个A73 CPU核心跑在最高频率下，TDP都不可能不超过10W，这可能对于一台大型平板来说是可以接受的。Mate 9的GPU核心也达到了1037MHz，这也是不大合理的。相较而言，采用三星14LPE FinFET工艺的Exynos 7420，同样也是八核Mali GPU（不过是更老的Mali-T760），频率最高也就772MHz，这样才保持其平均功率低于5W。
Mate 9的平均功率相比Mate 8高出3.1倍，不过由于峰值性能也提升了差不多的量，能效基本也就持平了。高通骁龙820/821采用的Adreno 530 GPU在相同的负载下很轻易地达到了最佳效能；相较Kirin 960达到相同性能表现，前者只用了不到一半的功率。
在T-Rex测试中，Kirin 960的表现更糟，平均功率增加到9.51W，且GPU能效达到有史以来我们测试过所有设备的最低值。作为对比，三星Galaxy S7所用的Exynos 8890采用12核心Mali-T880 GPU，最高频率是650MHz，平均功率4.7W，能效高出了78%。
我们测试过的所有旗舰SoC，包括苹果、高通和三星，在这项测试中触顶也就5W的程度。即便如此，由于运行中温度升高，这些SoC都无法维持峰值性能较长时间。理想化的情况是手机在这项测试中功率低于4W，提升到5W以上是相当不合理的。
Kirin 960更高的功耗对于Mate 9游戏时的续航是有负面影响的。相较Mate 8，其运行时间少了1个小时，整体低了22%，这和Mate 9在测试中不对GPU频率进行适当的限制显然是有关的。所以，Mate 9在此项测试中的续航时间和其它旗舰手机相似（但其它手机电池容量更小），性能表现相当或更佳。为了进一步了解Kirin 960这种较高的GPU功耗，却在我们的游戏测试中表现出可接受的电池续航的原因，我们需要进一步探寻测试中其行为。
GPU热稳定性
GFXBench曼哈顿3.1/Metal系统总功率 vs GPU频率，橙色曲线代表系统功率，蓝色曲线代表GPU频率；横轴时间单位分钟，橙色曲线纵轴单位瓦特（W），蓝色曲线纵轴单位MHz
Mate 9在降低GPU频率之前，仅维持住了峰值性能约1分钟，8分钟后帧率掉到21fps，相较峰值降低38%。在大约30分钟后开始平稳，帧率保持在19fps上下，这个成绩依然比采用Kirin 950/955的手机更好——后者峰值帧率为11.5fps，平稳状态下是9-11fps。这样的表现和采用骁龙820/821的手机差不多，或者更好。比如说Moto Z Force Droid能够维持近18fps的峰值性能大约12分钟，稳定状态下帧率为14.5fps，乐视Pro3峰值表现33fps，稳定帧率19fps。
上面的第二张图，表现这项游戏续航测试前15分钟的功耗变化。可以看到一旦GPU降到533MHz，平均功耗就降到了4W以下——此刻的性能依然与其它旗舰SoC处于同等水平。这说明华为/海思针对Kirin 960的GPU可能应该选择650MHz-700Mhz的最高频率。将GPU频率推高到1037MHz的唯一原因，应该就是要让设备规格看起来更好，以及在跑分测试中得分更高。
实际上降低其GPU频率并不会提升Kirin 960在GPU低频率下的效能。因为现在我们没有其它采用Mali-G71的SoC可对比，我们也就无法下结论说上面的测试结果就是ARM这款最新GPU微架构的表现。
总结
海思Kirin 950先前就表现出了出色的性能和效率，这让我们对其继任者有了更高的期待。至少从纸面数据来看，Kirin 960各方面的表现都更好。这颗SoC采用ARM最新IP，包括A73 CPU和更多核心的Mali-G71 GPU，还有CCI-550互联总线。其他方面也有提升，如更新的modem，支持更快的LTE速度，另外还支持UFS 2.1。但在性能和效能方面，Kirin 960的表现是好坏参半的。
在处理整型工作任务的时候，Kirin 960的A73 CPU核心相比950的A72的确一定程度上更快，相比高通的Kryo和更早的A57核心优势也更大。而在浮点运算IPC方面，结果就相反了，高通的Kryo和Kirin 950的A72核心相比960的A73成绩更好。
某些性能方面的退步可能与Kirin 960的存储性能表现有关。其更大的64KB L1缓存在延迟和读取带宽方面有提升，但写入带宽相较Kirin 950更低。且960的L2缓存带宽，无论是读还是写都更低。其主存储延迟提升了25%，而带宽提升则有69%。
Kirin 960比较让人失望（以及令人疑惑的）的地方在于CPU效能比950差。ARM其实在A73的功耗方面，相较A72是做了很多工作的。悲剧的能效表现，和海思的具体实施方案，以及采用16FFC工艺可能都是有关系的。不过Mate 9的续航表现却更好了，因为手机其它组件更省电，比如显示屏，抵消了SoC功耗提升的问题。但不难想见，其电池续航表现原本是可以更好的。
Kirin 960的GPU效能更糟，其峰值功耗对于一款手机而言甚至是完全不合理的。这可能与其具体实施方案和工艺都是有关系的，而且最高频率还上了极为激进的1037MHz，这只能让配置规格和跑分结果看起来更好。
所以Kirin 960很难界定，我们无法确切地说它相较950是种升级，但我们也不能忽略忽略其全方位的努力。比如说，在实际负载中，其相较950的整数运算性能提升，及其更低的系统存储延迟。我们也不能全面否定其GPU，因为其性能维持得不错，相较其它旗舰手机表现相当或者更好，而且游戏续航也还不错。Mate 9也证明了Kirin 960的确是称职的旗舰SoC，华为也针对短板付出了努力。但在新一代10nm SoC即将全面铺货的当下，这些短板只会变得愈加明显。52RD.com 微博关注: 微信关注:admin_52RD
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