![[arxiv weekly] 分布式，并行计算，集群计算论文速递 [2021.05.31]](https://www.ijkxs.com/wp-content/themes/b2/Assets/fontend/images/default-img.jpg)
一、前言：海思十年风雨回首 麒麟9000一骑绝尘
不知不觉当中，海思手机芯片的故事，我们已经讲了有十年了。
接着是青涩的K3V2，华为手机搭载的第一款自研芯片，它随华为Ascend P6/D2一同到来，在彼时以拥有前沿的64bit双通道内存带宽和作为当时“世界面积最小的四核芯片”而闻名。由于受到兼容性、功耗和发热表现等制约，K3V2并不算成功，但为后续手机芯片研发积累了宝贵的经验。
两次受挫未改变华为坚持自主芯片设计的既定路线。
2013年海思手机芯托名“麒麟”涅槃新生，作为第一枪的麒麟910吸取过往教训，换装Arm Mali的GPU，内存带宽收窄至32bit单通道，自研基带Balong 710首次与CPU、GPU集于SoC，加之28nm工艺解决过往顽疾，正式开启历史转折。
踩在麒麟920肩膀上的麒麟925助力Ascend Mate 7让华为手机第一次真正站上高端，尤其是自研Balong 720基带开始展现华为通讯领域的技术势能，当时能够支持峰值300Mbps的LTE Cat.6蔚为可观。
海思手机芯到了麒麟950这代终于“成年”，它是业界首款16nm FinFET+的旗舰SoC，凭借Cortex-A72与Cortex-A53的4+4大小核、Mali T880MP4GPU的强劲性能结合16nm FinFET+赋予的能效，正式进入全球手机芯片第一阵营，值得注意的是，此作的"PrimISP"成为华为发力手机影像的伏笔。
而后的麒麟960继续高歌猛进，至2017年的麒麟970突然另辟赛道，先于业界其它对手在手机SoC中引入NPU，并服务于为解决GPU图形计算效率问题而生的GPU Turbo，在游戏中实现功耗降低与性能提升。
2018年麒麟980臻于完美，集齐7nm工艺、2*A76大核心+2*A76中核心+4*A55小核心，以及作为GPU的Mali G76 MP10，综合各方面同期最接近苹果的A系列，达成完整旗舰形态。
到了2020年，前不久随华为Mate 40系列手机一起到来的，是最新的麒麟9000 芯片——这颗芯片被许多媒体、行业人士冠以“绝版”“绝唱”甚至是“最后一颗子弹”的名号。无论以上词汇是否言过其实，就当前的大环境来看，麒麟9000的确非常特殊。
今年8月份，余承东在中国信息化百人会2020年峰会曾公开说过，其芯片到9月15号生产就停止了，所以Mate40系列所搭载的麒麟高端芯片数量相对会比较有限。
值得一提的是，此前麒麟高端芯片几乎都被归纳在“麒麟900”系列，按照此前预期，接棒麒麟990的应该是“麒麟1000”，而现实是直接从“麒麟900”跨越到“麒麟9000”，这样终极的命名显现的似乎是一种放手一搏的决绝。
困局之中，麒麟9000就此诞生，成为全球首款量产商用的5nm集成式5G旗舰SoC，相比较同为5nm、外挂基带的苹果A14在体积、性能、散热等方面都更占优势，对技术挑战的解决完成度更高，在整个移动SoC领域都具有相当的领先优势。
接下来，我们就通过华为最顶级的旗舰机皇Mate40 RS保时捷设计，来体验一下麒麟9000的各种能力。
二、外观欣赏：感受顶奢机皇的华丽风采
Mate40 RS保时捷设计外包装
附带充电器、有线耳机、卡针等诸多配件
不同于Mate40系列的其它机型，华为Mate40 RS保时捷设计的陶瓷机身背部走的仍然还是奢侈路线，它具备标志性的跑道元素，镭射而出的“PORSCHE DESIGN”与哑光陶瓷和两面陶瓷排布有序、凹凸有致。
机身的背部采用了独占的星钻摄像头设计，5个摄像头外加一个闪光灯，形成了一个八边形。八边形的中间区域是徕卡认证标识。能够将华为+保时捷+徕卡的三重logo同时置于一面的机型，也就只有历代保时捷设计了，最大限度凸显出用户身份。
预置的手机壳采用皮质，质地、手感与前代保时捷设计的机身后背相似。这样来看是为不同喜好的用户提供了两个选择——喜欢陶瓷手感可以裸机使用，喜欢皮质手感可以戴上原装手机壳，握感、品质与前代保时捷设计相一致。
标志性红色电源键
机身顶部
机身底部
66W充电器
三、麒麟9000性能及能效测试：GPU拉满24核心！大翻身
——麒麟9000规格一览
麒麟9000系列SoC的一大创举便是集成153亿个晶体管，苹果最新的A14也只不过集成118亿晶体管。晶体管的多少，直接影响芯片性能发挥。一般一个芯片上集成的晶体管越多，即电流在一个时间单位上流动的分支越多，那么该芯片的功能越复杂，性能也就越高，同一时间内处理的数据也就越多。
麒麟9000规格一览
——CPU
麒麟9000的CPU部分采用的是1+3+4的组合方式，其中的那颗Cortex-A77超大核心的3.13GHz主频，甚至比被奉为骁龙865超频版的骁龙865 Plus的3.1GHz主频还要更高一些，从这一点来看，CPU部分算是有着在过去难以想象的激进。
值得提的是，麒麟9000上协助CPU工作的存储子系统有了相当大的升级，这是从麒麟980时代就开辟的一大侧重方向。
华为海思早在麒麟980时期就给它用上了DSU 4MB L3缓存；麒麟990在前者基础上采用新的系统级别的缓存，同时降低存储子系统的延迟，该芯在当时的性能表现比麒麟980有所提升且功耗更低的原因除了先进制程加持，与华为海思在存储子系统的投入是分不开的。
到了麒麟9000这一代，按照华为Fellow艾伟对Smart Cache 2.0关于“相对直接访问内存来说，带宽提升了一倍”的表述，系统级别的缓存很有可能是提升到了8MB，也就是相比较上代容量翻番，对于性能、能效的提升有着相当大的助力。
多说无益，接下来让我们跑个分。
注意Mate40系列手机提供有性能模式，开启后可以让麒麟9000一直处于满血状态释放自己的能力，在跑分过程当中笔者将一直开启性能模式。
GeekBench考察的是CPU单核心、多核心性能，权威性毋庸置疑。华为Mate40 RS保时捷设计凭借麒麟9000的智能多核心调度，在性能模式下可以达到单核跑分1012和多核跑分3713的成绩，多线程性能有明显改进。
GeekBench单核心对比
GeekBench多核心对比
按照Geekbench5的衡量标准，麒麟9000单核性能大概比骁龙865 Plus提升3.1%，多核性能比骁龙865 Plus提升13%。值得一提的是，二者都是基于ARM A77架构，可以看出麒麟对于此代架构的设计与优化已经得心应手，无论是体现绝对性能的单核心，还是考验调度配合的多核心都达到了极高水准。
对比有代际差异的麒麟990 5G，麒麟9000的提升幅度更是明显，单核性能提升达29%，多核性能提升15%。5nm工艺带来的红利以及ARM A77架构的优势尽显。
——GPU
无论是苹果A系列还是安卓阵营的GPU，前些时间都开始呈现小碎步式的前进。
天赋Adreno的图形能力“带头大哥”高通没有大步快跑的跃进，本该趁着Mali G77大爆发时迎头追上高通的三星Exynos 990与联发科天玑1000都不约而同地采取了保守策略，前者使用Mali G77 MP11（11个核心），后者更甚使用规模更小的Mali G77 MP9（9个核心），而麒麟990 5G因为时间差或者是其它原因，使用的是Mali G76，算是错失良机。
终于轮到麒麟9000上场了，它一出手就意外地跳过G77，直接用上了Mali G78。Mali G78 GPU算是Mali G77的升级版，两者都采用Valhall图形架构，最突出的是首次支持到24个核心，相比Mali-G77的设计上限16个核心增加了有一半。
而且不同于猎户座或者联发科只能将G76的核心数拉至9到11个，麒麟9000拉满到Mali G78的设计上限，即24核，一改过去GPU方面高频少核的保守行进路线，大有放手一搏的意味。
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阿兹特克废墟(Normal) OpenGL
按照GFXBench的衡量标准，在阿兹特克废墟(Normal) OpenGL的测试项目当中，麒麟9000相比较骁龙865 Plus的领先幅度达50%，相当夸张。
阿兹特克废墟(Normal) Vulkan
在阿兹特克废墟(Normal)Vulkan的测试项目当中，麒麟9000相比较A13的领先达12%，相比较骁龙865 Plus的领先幅度更是达到了38%。
赛车追逐
在赛车追逐的测试项目当中，只有A13能够追上麒麟9000，而麒麟9000相比较骁龙865 Plus的提升幅度仍然比较大，达到了20%。
曼哈顿3.1
在曼哈顿3.1测试项目当中，麒麟9000相比较A13的领先幅度达17%，相比较骁龙865 Plus的领先幅度达到了27%。
曼哈顿
终于到曼哈顿测试项目，A13取得了不大的优势，此项当中麒麟9000相比较骁龙865 Plus的领先幅度达到26%。
霸王龙
霸王龙测试项目当中，麒麟9000相比较A13还有着19%的差距，但是相比较骁龙865 Plus仍能保持4%的领先优势。
综合以上测试数据来看，麒麟9000能够实现对骁龙865 Plus的全面压制，以及从26%到50%不等的测试子项领先。
即便是面对苹果A13，两者只存在不到20%的互有胜负。从GFXbench的测试结果来看，可以肯定麒麟9000的图形处理能力已经不逊苹果A13，考虑到A14（我们在撰写此文时未拿到iPhone12系列机器，无法获得详细数据）相比较A13提升不大，麒麟9000的图形性能与之硬碰硬也有相当的可能。
——能效测试
所谓“开源”、“节流”。
在电池技术难以取得根本性突破的大背景下，延长手机续航只能从“节流”方面入手，以缓解续航焦虑。
由此，当前最先进的5纳米工艺制程成为了Mate40系列的节能必选项。
前文我们所看到的1个超大核+3个大核+4个小核的三档能效架构，也是在为能效做充分考虑：用户轻度使用时主要依靠小核减少能量消耗，看视频或者多任务时，大核动身，玩大型游戏时火力全开，呈现出梯度运行的路线，以实现最佳能效。
图形显示方面，麒麟9000集成了迄今安卓阵营最为强劲的24核Mali-G78 GPU集群，还有着诸如GPU Turbo等均衡高性能、高能效、高画质的解决方案加成。
不仅如此，麒麟9000还将巴龙5G基带集成在SoC内部，规避外挂处理所带来的额外能量消耗。
Mate40系列旗舰整机电流值记录为773mA，某骁龙865 Plus旗舰的整机电流值记录为890mA。
为了进一步了解芯片功耗情况，我们测试了两部手机的idle电流值，均在290mA左右。用整机电流值-idle电流值的计算方式，可以大致得出芯片的电流值： 麒麟9000电流值为483mA，骁龙865+电流值为600mA。意味着在我们的测试场景中，相同性能下，麒麟9000芯片的功耗可能要比865+优20%左右。
显然Mate40旗舰所搭载麒麟9000的能效要更高一些，所以综合性能与能效比等多个维度来看，麒麟9000如今的表现堪称突飞猛进。
四、影像体验：麒麟9000平台成就影像机皇
——Mate40 RS保时捷设计影像规格一览
华为Mate40 RS保时捷设计的背部是八边形星钻设计的超感知徕卡电影五摄，具体包括：
——5000万像素超感知主摄，1/1.28英寸传感器，光圈F1.9，支持OIS光学防抖；
——800万像素潜望式长焦镜头，支持10x光学变焦、20x混合变焦、100x双目变焦，光圈F4.4；
——1200万像素长焦镜头，支持3x光学变焦、OIS光学防抖，光圈F2.4；
——3D深感摄像头，支持渐进式景深。
值得一提的是，这五摄还支持XD Fusion硬件实时HDR视频、AIS超级运动防抖等功能。前置则是双摄，包括1300万像素超感知镜头(广角+F2.4)、3D深感镜头，支持3D人脸识别、4K分辨率录像。
笔者在初上手Mate40 RS保时捷设计之时，首先被该系列强大的影像系统硬件所吸引，关注重点自然也一直停留在此。而随着体验的深入，我们渐渐发现，硬件之外的ISP、NPU与算法机制是华为Mate40系列的影像能力迥异于过去的灵魂核心，也是关键所在。
现今，随着定制传感器、重金堆料的泛滥，大多数厂商又重回同质化宿命。在这种情况下，算法、以及驱动算法的处理器平台的地位越来越重要。随着P40系列伴生的XD Fusion、华为Mate40系列伴生的麒麟9000平台到来，华为的影像体系进化到新高度。
——麒麟9000为强悍影像带来了什么？
到了这一代的华为Mate 40系列，麒麟9000 5G SoC芯片更是内置了目前华为最先进的ISP 6.0，带来50%的吞吐率提升，以及在噪声消除方面48%等提升，麒麟9000在业界首次实现了ISP+NPU融合架构，带来超强的细节还原和降噪能力，可以被运用到手机摄影，尤其是暗光、弱光条件下的影像记录，助力Mate40系列再次夺得DXO影像排行榜第一名的霸主地位。
顺便提一下，大家现在熟知的类似IMX600、IMX700等图像传感器，实际不能独立获得色彩信息，它们都是“色盲”，需要色彩滤波器协助，否则拍出来的照片就是黑白的。
拜耳阵列RGB色彩滤波器
上图是比较典型的拜耳阵列RGB颜色滤波器。最下面一层灰色色块是一个个感光PD部分，光子在这里转换成电信号；上面一层R/G/B（红/绿/蓝）三种颜色的马赛克色块就是颜色滤波器，白光透过RGB色彩滤波器后，分别滤出红/绿/蓝光，在灰色PD部分被吸收。
华为从P30系列开始就将RYB色彩滤波器引入，凭借着覆盖更多光谱、捕获更多光子的特殊能力一直传延至今，进光量相比RGB色彩滤波器可以提升30%-40%左右，让Mate系列、P40系列的暗光拍摄能力一骑绝尘。
而且，这套方案至今没有其它任何一家手机厂商能够跟进。
如果探究此中因果的话，会发现有一项因素就是传统的手机处理器SoC中的ISP只能支持RGB算法，无法同时支持RGB传感器和RYB超感光传感器。ISP pipeline中各个模块无法应对Y像素所蕴含的颜色信息量，也无法对RYB传感器精准的插值。
正是凭借自研平台的优势，华为的技术演进路线是掌握自己手中的。基于以上复杂的需求，海思将全新的AI去马赛克算法、全新的AI色彩自动白平衡和全新的颜色管理算法一起整合进麒麟ISP Pipeline图像处理的框架当中。各模块的神经网络模型经过大量的RYYB sensor RAW数据训练后，能有效找到物体细节和色彩分量之间的映射关系，在传统ISP处理架构上用计算摄影的方法，实现RYYB的支持。
值得注意的是，ISP-NPU融合架构已经能将ISP处理流水线和NPU矩阵计算结合，解决了带宽问题，提升了神经网络算法的运行性能。麒麟9000的SoC内部甚至设计有硬件直连，将NPU计算直接融入ISP的Pipeline中，利用SmartCache 2.0的大容量、大带宽能力，形成硬件级的帧内和帧间信息直通，在一帧33ms时间内，多个算法无缝切换，首次实现端侧AI实时像素级视频处理。
简而言之，造就强大的影像系统，并不是单纯依靠纸面参数强大的图像传感器便能一蹴而就，色彩滤波器和ISP算法pipeline作为最终成像的物理和算法基础至关重要。
而且从华为的影像技术演进来看，要想在此领域构建起高壁垒，其中基于SoC平台发挥的算法基础可能才是关键的法门所在。
——样张展示
主摄微距
主摄 夜间拍摄
超广角逆光HDR
超广角 夜间拍摄
3X变焦夜间拍摄（添加怀旧滤镜）
3X变焦夜间拍摄雕塑
10X变焦拍摄
10X变焦 抓拍悬于风中、垂直地面的落叶
10X变焦微距
总的来看，麒麟9000芯片的ISP、NPU结合XD Fusion，对Mate40 RS保时捷设计全焦段的优化十分显著。特别是针对暗处细节的优化、复杂光线下的色彩纠正以及必要的HDR优化都相当出色。
五、总结：向上攀登的故事仍在继续
这背后，是与之相配的麒麟9000为其高筑起平台基底。
而且，关于麒麟芯片目前所遭遇的来自外部环境的困难，相信大家都有所耳闻。在这样的困局之下，麒麟9000却依然能够在技术上超越以往5G芯片的精密与强大，以一个非常高的完成度出现在消费者面前，帮助夯实Mate系列5G旗舰性能巅峰的行业地位，难能可贵。
通过测试体验，我们发现：
首先是CPU部分，得益于5nm制程红利以及海思团队的核心调配优化能力，麒麟9000相比较同为A77架构的骁龙865 Plus，在Geekbench评判体系当中单核性能比之提升3.1%，多核性能比之提升13%，达到了极高水准。
GPU曾经是海思平台的一块短板，也正是因此倒逼华为推出GPU Turbo等各种软件方案强化图形处理能力。而今短板不再，反而成为麒麟9000的一大亮点所在，华为史无前例地将GPU的核心数堆到设计上限，所有人第一次看到24核心的GPU在麒麟平台满血释放，蔚为壮观。
超大规模的GPU带来了性能和能效的巨大提升。在我们的GFXbench测试当中，阿兹特克废墟(Normal) OpenGL的测试子项，麒麟9000相比较骁龙865 Plus的领先幅度达到了50%！即便是面对苹果A13，两者综合起来只存在不到20%的互有胜负。
从GFXbench的测试结果来看，可以肯定麒麟9000的图形处理能力已经不逊苹果A13，可以想象打着时间差在明年上场的骁龙875压力会陡升得多么大。
综合5nm制程工艺、CPU三挡能效架构以及集成式5G基带设计等，能效方面，我们仅仅是打开一个手游进行简单测试，就能发现搭载麒麟9000的华为Mate40系列手机与某骁龙865 Plus机型在维持同一性能表现的前提下，显现了20%左右的效率提升，综合性能与能效比等多个维度来看，麒麟9000如今的表现堪称突飞猛进。
影像更无需多言，这是华为的基本盘，华为Mate40 RS保时捷设计能够集齐这世上仅有的超感知徕卡电影五摄，又有麒麟9000芯片强悍的ISP、NPU结合XD Fusion，对全焦段、暗处细节、复杂光线下的色彩纠正、必要的HDR优化十分显著，进一步巩固影像霸主的地位。
Mate40 RS保时捷设计作为年度顶奢旗舰、麒麟9000 5G SoC作为年度旗舰顶级芯片，确实都做到了不负众望。而且它们是在重重困境之中，遭外力束手束脚之后，仍能交出如此完美答卷，一如前言回首的十年逆风之旅，华为、海思向上攀登的故事仍在继续。
