雪落温灯
华为（海思）麒麟9020架构+性能解析
2023年8月29日，华为突然发售mate60系列旗舰手机，打得一众西方国家措手不及，更是在其后续的网速测试中被网友们与“轰6改，歼10改，95改”并称为“4G改”，其中时隔1041天再一次归来的麒麟9000S更是巅峰之作，芯片丝印上清楚地刻着“CN”的字样，而非“TW”，足以证明其是一枚纯血国产芯片。
再一次经过了几百天，2024年11月26日，华为海思新一代处理器，搭载国产工艺麒麟9020的华为mate70系列登场，在4号上午紧急去线下店提了两台mate70pro+，才得以进行测试工作。
我们先从芯片架构方面，一窥麒麟的“真容”，CPU方面依旧是1+3+4的核心规模，一颗2.5Ghz泰山超大核，三颗2.15Ghz泰山大核，四颗1.6Ghz泰山小核。GPU方面是最新的马良920，1024组ALUs，4CU设计，840Mhz。
一眼就看得出来，麒麟9020的小核部分从公版Arm的A510变成了自研的泰山小核，虽然在CPU规模上看起来改动不大，但是这颗自研的小核会给我们带来惊喜，这点我们在小核分析上再说。
我们先从超大核入手，通过软件来对微架构进行深入了解，四颗超大核与上代麒麟9010差不多，在延续基本设计的同时对细节部分进行了优化。
麒麟9020的超大核继承了上代麒麟9010的8-wide（宽）解码以及6组整数，4组浮点执行单元。相比麒麟9010，增加了访存调度器①的深度，由上代麒麟9010的28entry（进入）增加到了68entry，理论上讲可以提升访存性能，这颗超大核接近以前的Cortex-X系列，而且麒麟9020这颗超大核将频率提升到了2.5Ghz，应该是制程工艺有所进步，这可以给单核性能带来很直观的性能提升。
再来看看大核，麒麟9020的大核也延续了前代麒麟9010的设计，6-wide解码器，6组整数以及2组浮点单元，但是相比麒麟9010，麒麟9020加大了浮点调度器的深度，从上代48entry增加到了64entry，并且大幅增加了ROB（Reorder Buffer）②队列深度，从上代312enter增加到了506enter，大核的改进明显比超大核来的多。
最后就是提升最明显的，微架构改进最大的，泰山小核。先从一个概念入手吧，Arm公版架构的小核，也就是A5xx系列的核心，有一个被诟病多年的设计，叫做“顺序执行”③。
而这次的麒麟9020自研的泰山小核，使用了“乱序执行”④，不同于高通和联发科，华为走了另一条路，高通和联发科为了性能，砍掉了小核，改用全大核，而华为则是自研了新的小核，Arm的小核烂，那自己做个更好的不就解决了吗？
麒麟9020就是这个思路的产物，这颗全新的自研小核，与A510最根本的不同在于它是一颗乱序执行的小核，从架构上，就比A510这种顺序执行的处理器上限更高，具体到微架构上，这颗泰山小核拥有2-wide的解码单元，后端的执行单元则是使用了2组整数单元，1组浮点单元的设计，这是一颗规模非常精简的乱序执行小核，可是哪怕规模这么小的核心，我们也居然测出来241的ROB深度！作为对比AMD的Zen3架构的ROB深度才256深，足以见得华为的芯片设计能力有多强。
再来看看GPU，这次马良920的GPU几乎与上代相同，仅仅只是超频而已，不过有意思的是，它目前似乎在Vulkan的支持上相较上代有所进步，至少可以跑最新的Steel Nomad Light测试了。
除了CPU和GPU以外，麒麟9020还配备了达芬奇5.0的NPU，还有麒麟ISP8.0以及新的Modem，以及L3缓存从上代的8MB提升到了10MB，SLC也从4MB翻倍到了8MB，另外，CPU核心与缓存间的互联架构也做了重新设计，基本上把整颗芯片里最重要的部分都做了一遍升级。
以上这些就是对麒麟9020架构的解析，可以说麒麟9020才是9000S的完整续作，是华为真正的下一代平台。
接下来就是大家最喜欢的，赛博斗蛐蛐环节，跑分啦，由于华为手机无法进行root，所以只能使用性能模式已经省电模式进行测试。
先使用SPEC2017对麒麟9020的泰山超大核进行对比:
麒麟9020泰山超大核
性能模式整数5.08分，功耗4.42w
性能模式浮点7.97分，功耗6.16w
省电模式整数3.42分，功耗1.49w
省电模式浮点5.42分，功耗2.18w
麒麟9010泰山超大核
性能模式整数4.34分，功耗3.65w
性能模式浮点6.69分，功耗4.42w
省电模式整数3.21分，功耗1.52w
省电模式浮点5.01分，功耗2.29w
麒麟9000S泰山超大核
性能模式整数3.94分，功耗3.95w
性能模式浮点6.07分，功耗4.21w
省电模式整数2.72分，功耗1.38w
省电模式浮点4.89分，功耗2.18w
骁龙8+Gen1 X2超大核
整数5.52分，功耗3.35w
浮点9.33分，功耗4.44w
整数定值功耗1.5w，3.76分
浮点定值功耗2.2w，6.18分
从测试来看，麒麟9020的整数性能比麒麟9010提升17%，浮点性能提升19%，相比9000S，更是有着30%的提升，性能提升还是很显著的，虽然更高的频率会带来更高的功耗，但是从能效来看，尤其是低频，麒麟9020的超大核确实有所进步，并不只是超频，也算是有制程工艺上的改善。
再来看看大核的SPEC2017性能:
麒麟9020泰山大核
性能模式整数3.45分，功耗1.46w
性能模式浮点4.86分，功耗1.89w
省电模式整数2.71分，功耗0.92w
省电模式浮点3.97分 功耗1.21w
麒麟9010泰山大核
性能模式整数3.25分，功耗1.74w
性能模式浮点4.87分，功耗2.38w
省电模式整数1.97分，功耗0.94w
省电模式浮点3.89分，功耗1.23w
骁龙8+Gen1 A710大核（无法通过root测出高低频功耗）
整数3.96分，功耗1.54w
浮点6.23分，功耗2.21w
看得出来，这个泰山大核的能效提升还是挺明显的，并且峰值功耗还低了不少。
最后是小核部分，拿出SPEC2017来看看:
（由于小核功耗极低，难以排除主板功耗带来的影响，所以功耗仅供参考）
麒麟9020泰山小核
整数1.13分，0.4w
浮点1.37分，0.44w
麒麟9010 A510小核
整数0.82分，0.34w
浮点0.93分，0.39w
整数部分比上代麒麟9010提升38%，而浮点部分则是提升47%，这大概是用114%的功耗跑出了143%的性能，总的来看，麒麟9020上的小核还是真小核，哪怕性能比A510更强，他依然还是A510的替代品而已，并不是苹果，高通和联发科那种大核替代小核的方案。
斗胆猜测一下，华为不直接替换大核的原因在于，华为不止是做手机芯片。路由器，耳机，音响一类的设备也需要小核心芯片，单独设计一款小核，还能给其他设备用，在商业逻辑上更合理。
接下来就是大家比较熟悉的Geekbench6，来供大家直接参考，先来进行单核测试:
麒麟9020
1616分
麒麟9010
1458分
麒麟9000S
1299分
骁龙8+Gen1
1852分
骁龙8Gen1
1706分
骁龙888
1514分
麒麟9020相比麒麟9010，单核性能提升11%，单核峰值性能介于骁龙888至8Gen1之间。
再来看看Geekbench6多核性能:
麒麟9020
性能模式5314分，功耗11.2w
省电模式3701分，功耗4.3w
麒麟9010
性能模式4699分，功耗10.5w
省电模式3468分，功耗4.2w
麒麟9000S
性能模式4121分，功耗9.9w
省电模式3012分，功耗4w
骁龙8+Gen1
峰值性能4710分，功耗6.8w
定值功耗4w，3786分
骁龙888,峰值性能4010分，功耗8.4w
定值功耗4w，3204分
从一年的迭代周期来看，进步幅度还是不小的，麒麟9000S的CPU能效和骁龙888差不多,而麒麟9020的能效却已经达到麒麟9000了，高频方面甚至接近骁龙8+Gen1的能效了，以至于,峰值性能已经超越了骁龙8+Gen1，总体来看，CPU在过去一年的提升还是蛮大的。
看完CPU，我们再来跑一下GPU，拿出GFXBenchu5.0：
麒麟9020
性能模式37帧，功耗8.8w
省电模式13帧，功耗1.6w
麒麟9010
性能模式30帧，功耗6.7w
省电模式12帧，功耗1.7w
麒麟9000S,性能模式31帧，功耗7.8w
省电模式12帧，功耗2w
骁龙8+Gen1
峰值性能52帧，功耗8.4w
定值功耗2w，19帧
骁龙888
峰值性能30帧，功耗7.9w
定值功耗2w，14帧
马良920的性能提升还是很明显的，在这个测试,中性能提升超过25%，能效上总算打过麒麟9000了，我们认为，它应该是跟今年的Arm一,样，在GPU的驱动方面做了某些优化，不过GPU作为高通的优势项目，麒麟9020和骁龙8+Gen1的差距就比较大了。
再来看看最新支持的3D Mark SNL吧：
麒麟9020
性能模式551分，功耗5.4w
省电模式189分，功耗1w
骁龙8Gen1
峰值性能814分，功耗7.1w
定值功耗1.5w，254分
晓龙888
峰值性能523分，功耗5.6W
定值功耗1.5w，263分
看得出来，能效略微强于骁龙888，不过至少是支持这个最新的PC级测试了。麒麟9020这一代是华为首次做到芯片主要部分的全自研，属于是非常有里程碑意义的芯片了，哪怕白后架构以及制程双制裁，我们也能依靠麒麟芯片里那全自研的架构打个翻身仗。
我们依然坚信且推进全球化，但是以我们自前的实力来说，这是远远不够的，只有核心技术在自己手上，才能真正的打出一片天，不用看他人脸色的活看，这也是我们科技独立的意义，30年前“银河号”的悲剧如今不再上演,我们终究会胜利，就像我们如今强盛的国家一样，不再畏惧任何挑战。
①访存调度：访存调度是指在计算机系统中，对内存访问请求进行管理和调度的过程。其主要目的是优化内存访问的效率和减少内存访问的冲突，从而提高系统的整体性能。
②在计算机体系结构中，特别是在乱序执行处理器中，是一个重要的概念。ROB是一种重排序缓冲区，用于存储推测值。在乱序执行中，指令的执行顺序与程序的原始顺序可能不同，ROB用于存储这些被重新排序的指令结果，直到它们被验证为正确后才能被使用。
③此概念较为抽象，我们用比喻来还原一下：假设CPU现在要执行多个操作，操作①需要进入整数单元，操作②需要进入浮点单元，对于顺序执行的CPU来说，这些操作的执行顺序就是固定的，必须先将①送入整数单元才能将②送入浮点单元。那么问题来了，目前CPU需要,处理一个大任务，①②③均需要进入整数单元，④以后需要进人浮点单元，可是CPU处理,整数①需要一段时间，此时②③整数指令堆积在前端，阻碍着④以后的操作进入浮点单元，可是后端的整数单元无法空出来，就只能堵着整个前端队列。这个效率就对我们目前的CPU来说就太低了，现代CPU具有超标量特性，高并行度设计，有许多执行单元，如果死板地按顺序执行，很多单元就会被闲置。
④在90年代，为了提高效率，人类设计出了“乱序执行”处理器，在前端与后端之间多了一步重排序，按上个词条的假设来看，既然①②③是整数单元，而④以后是浮点，与其等着整数处理完，还不如提前进入浮点单元，④可以直接插队到①后面，不需要等看①②③处理完，这样，后端的各个执行单元就可以更高效的利用起来，避免处理器摸鱼。
补充：由于乱序执行处理器需要增加不少排序单元同时工作，所以性能更强的同时，代价就是更复杂，更高成本，更高功耗。这也就是为什么A5xx系列核心会选择顺序执行，毕竞从手机和PC的使用场景来看，都算是高性能的，但是很多日常生活用到的电子产品以及工业用的机器人，它们根本不需要多少CPU性能，顺序执行CPU绝对的低功耗以及低成本才是他们对芯片,的诉求，Arm公司还是没法放弃这部分市场，所以A5x系列的核心才很难有性能提升。但是哪怕优点那么多，对于手机处理器来说，它还是太弱了，所以高通和联发科自然是用不下去的，双双放弃Arm小核，他们的方案就是直接砍掉小核，使用大核替代小核，全大核的能效是更好的。
说在最后:由于mate70pro+的芯片涉及敏感供应商信息，所以这次就不放出芯片简图。
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2024-12-06
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