半年後,即時光線追蹤將會是所有 Android 旗艦手機的基本標準

半年後,即時光線追蹤將會是所有 Android 旗艦手機的基本標準

除了 iPhone 搭載自研 A 系列晶片,Android 廠商們的 SoC 多是來自於高通、聯發科與三星。

圖片來自:wccftech

而高通、聯發科與三星在 SoC 自主設計 CPU、GPU 架構上涉及不深,更偏向以 Arm 的公版架構為主。

如此,就帶來了一個問題,當 Arm 公版架構設計不佳的時候,很容易引起連鎖反應,旗艦晶片表現不佳,最終 Android 旗艦產品也大面積發熱耗電。倘若再加上晶片代工廠的工藝良率不高,簡直就是雪上加霜。

近年來,Android 高階 SoC 也陷入了如此的惡性循環,近年各廠的 Android 旗艦也被拖下了水。

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原本算是較為小眾的 SoC 知識,也逐步成為普通消費者的一個選購認知。

不過,相對於較難趕超的製程工藝,Arm 的公版架構定型之後,還是可以透過優化逐步扭轉劣勢。

第一代 Armv9 CPU 核心 圖片來自:Arm

去年,Arm 在公版架構中引入了 Armv9 指令集,帶來了 Cortex-X2、Cortex-A 710 和 Cortex-A510 三款全新的公版 CPU 核心。

最終在驍龍 8 Gen1 和天璣 9000 中,這套全新的架構相對於前代有了一定的提升,但仍舊有著不小的優化空間。

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在前些日子的 Total Compute Solutions 2022 大會上,Arm 對外公佈了最新一代的公版架構,包括全新的 Cortex-A 三個 CPU 核心與全新的 GPU 系列。

新一代的 CPU 架構核心幾乎也是就是圍繞著優化與加強,GPU 則實實在在的是創新。

CPU 著重提升能效比

Arm 晶片的優勢便是能效比,但近年超大核 Cortex-X 的出現也開始讓移動端的 Arm 晶片的絕對性能有了不小的進步。

新一代的 Cortex-X3 的出現,依舊是為了峰值性能,在與 Cortex-X2 相同的 3.3GHz 時鐘頻率之下,X3 有著 25% 的性能提升。

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倘若 X3 運行在 3.6GHz 下,相對於一些主流規格的筆電處理器來說,則有著 34% 的提升。

顯然,Cortex-X3 超大核的超頻潛力,以及更高的性能(和能耗)是給 Arm 的 PC 所准備,並非是為下一代的手機旗艦 SoC 所設計。

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大核心 Cortex-A715 從命名來看,更像是對前作 A710 的改進,重點圍繞的是效率。

核心結構優化之後,Cortex-A715 帶來了 5% 的性能提升,同時能耗有了 20% 的降低。

從曲線來看,無論是在何種狀態,A715 相對於 A710 都有著更好的能效比。為此,Arm 還表示在相同的頻率和快取下,A715 已經有了媲美 X1 的性能。

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另外在大核心上,Arm 徹底地取消了對 32 位 App 的支援。因此,A715 的指令解碼器的尺寸比前作縮小了 4 倍,使得 A715 核心在面積、功率和執行方面更有效率。

中核心的命名仍是 Cortex-A510,但 Arm 仍舊做了優化,並稱之為是煥然一新的 A510。(感覺更像是重做了一遍 A510,畢竟前作問題很大。)

新 A510 核心,改進了時序,優化效率,由此功耗降低 5%。最為關鍵的是,A510 重新加入了對 32 位 App 的支援。

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為此這個全新的 A510 也會被運用到物聯網等其他領域,同樣地,也不僅面向智慧型手機。

除了三款自有 Cortex 核心的優化迭代,Arm 的 DSU(DynamIQ Shared Unit 動態共享單元)也更新支援 12 個核心與 16MB 的 L3 快取。

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由此,未來的 Arm 處理器可能有著更為豐富的核心組合,除了常見的 1+3+4 的三叢架構,也可以是 1+4+4、2+2+4 等組合,甚至在一些追求更高能的晶片上,也可以用上 8+4+0 這種究極組合。

總的來說,Arm 新一代的 Cortex 核心多是在優化前代的結構,盡量提供更優的能效比,以及修正前代的一些不合理的設計。

另外,Arm 的核心設計也不僅限於智慧型手機,而是開始擴展各個核心的覆蓋范圍,超大核心 X3 著重向 PC 領域發展,而中核心 A510 具有更強的相容性以面向物聯網等領域。

GPU 光追將成為標配

以往來說,Arm 的公版 GPU 相對於 CPU 核心來說要弱勢一點,更像是個基礎的配置。

Arm 公版的 Mali GPU 不斷迭代,在上一代的旗艦晶片中,公版的 Mali 在表現上已經接近高通自研的 Adreno。

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隨著新一代 CPU 核心的發布,Arm 也更新了新一代的公版 GPU。與此前例行升級不同的是, 這次 Arm 帶來了一個全新的 Immortalis 旗艦系列。

Immortalis 系列與 Mali 在功能上最大的區別就是對光線追蹤的支援,而在核心上,Immortalis-G715 擁有至少 10 個核心,而 Mali-G715 則可搭載 7~9 個核心。

核心數量上的差距,以及硬體上對光線追蹤的支援,都讓 Immortalis-G715 有著更廣泛的用處,與 Cortex-X3 一樣,更像是提前為 Arm 桌面級晶片做一個鋪墊。

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Arm 產品管理總監 Andy Craigen 宣稱 Immortalis-G715 僅用了 4% 的著色器核心區域,便透過硬體加速帶來了 3 倍的性能提升。

其實,在 Arm 前代的 Mali-G710 GPU 上,就提供了基於軟體的光線追蹤。另外,三星的 Exynos 2200 也同 AMD 合作,推出了硬體上對光線追蹤的支援。

無論是 Arm,還是晶片廠商,都在提前佈局移動端的光線追蹤,只不過目前來說對外展示的多是幾個 Demo,而遊戲開發商們並未有明確的行動。

新 GPU 光線追蹤展示 Demo(動圖有壓縮),注意看光影的變化 圖片來自:Arm

對於移動端的 3D 遊戲來說,大范圍的硬體光追加持,有些像黎明之前的黑暗。

不過,Arm 的 Paul Williamson 在接受 TheVerge 的採訪時,就暗示待明年搭載 Immortalis-G715 GPU 的終端上市後,就會有相應的產品以提供有趣的體驗。

圖片來自:Android Authority

常規更新的 Mali-G715,如同 Cortex-A715 一般,著重在能效上提升,相對於 G710,有著 15% 的能效優化。

另外,Arm 也更新了一款定位略低於 Mali-G715 的 GPU,Mali-G615,區別就是有著更少的核心(小於 6 個),面向中階 Arm 處理器。

要說 Mali-G715 和 G615 是常規迭代的話,那硬體上支援光追的 Immortalis-G715 實實在在的是大升級,對於 3D 圖像有了更好的計算性能。

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Immortalis 系列的 GPU 與 Cortex-X 超大核類似,更像是 Arm 為桌面級處理器所准備,似乎准備開始在 Arm PC 上發力了。

晶片廠商們開始瞄向 Arm PC 領域

除了高通,三星 Exynos、聯發科都會直接運用 Arm 的公版 CPU、GPU 架構,只不過核心頻率、製程有所不同。

AMD 的加入,也沒能拯救 Exynos 2200

而隨著三星上一代 Exynos 2200 開始與 AMD 一同合作推出 Xclipse GPU 之後,目前主流 SoC 市場也只有聯發科在依照 Arm 公版架構進行開發天璣系列。

與三星 Exynos 找到 AMD 合作類似,高通則是直接收購了 NUVIA,一家擁有自主設計 Arm 晶片架構的公司,目的便是著手於自己的 Arm 架構晶片。

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高通內部也准備了一塊代號「Hamoa」的晶片,初期的目標便是蘋果 M 晶片。其 CPU 將會引入自主設計的 IP 架構核心,而非是 Arm 公版架構。

很多分析師也表示,高通也有計劃將自主設計 IP 的 CPU 核心引入驍龍晶片之中,當然前提是表現足夠優秀。

蘋果晶片已經領跑於高通、聯發科、三星

之所以不像蘋果 A 晶片一般直接切換,實則還是由於驍龍晶片的市佔率太大,風險太高。

如今,Arm 的公版架構更像是一個基礎,越來越接近於給廠商們一個參考。

蘋果晶片就是「差異化」的代名詞

有能力的晶片廠商也在逐步開始自主設計核心架構,為的就是與蘋果 A、M 晶片一樣,有著更強的差異化,進而獲得更多的訂單量。

Arm 公版架構也開始著眼於 Arm 生態的打造,超大核 Cortex-X、Immortalis 系列的 GPU 峰值性能的提升, 為的就是 Arm PC 處理器的佈局,Cortex-A510 的重新設計,有了更好的向下相容性。

智慧型手機市場已經轉變為存量市場,無論是高通這種晶片廠商,還是 Arm 這種核心 IP 提供商來說,潛力巨大的 Arm PC 領域可能會是它們的下一個增長點。

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