多虧了 Armv9,即時光線追蹤功能將是 Android 旗艦標配

作者 | 發布日期 2022 年 07 月 11 日 8:45 | 分類 Android 手機 , IC 設計 , 晶片 line share follow us in feedly line share
多虧了 Armv9,即時光線追蹤功能將是 Android 旗艦標配


除了 iPhone 搭載自研 A 系列晶片,Android 廠商的 SoC 多來自高通、聯發科與三星。

高通、聯發科與三星 SoC 自主設計 CPU、GPU 架構涉獵不深,更偏向以 Arm 公版架構為主。如此造成問題,當 Arm 公版架構設計不佳,很容易引起連鎖反應讓旗艦晶片表現不佳,Android 旗艦手機大面積發熱耗電。倘若加上晶片代工廠製程良率不高,簡直是雪上加霜。

近年來,Android 高階 SoC 也陷入如此惡性循環,近年各廠 Android 旗艦都被拖下水。原本算較小眾的 SoC 知識,逐步成為普通消費者的選購知識背景。不過相對較難超越的製程,Arm 公版架構定型後,還是可最佳化慢慢扭轉劣勢。

去年 Arm 公版架構引入 Armv9 指令集,推出 Cortex-X2、Cortex-A 710 和 Cortex-A510 三款全新公版 CPU 核心。最後驍龍 8 Gen1 和天璣 9000 這套全新的架構相對前代有一定提升,但仍有不小改善空間。

前日 Total Compute Solutions 2022 大會,Arm 公布最新公版架構,包括全新 Cortex-A 三個 CPU 核心與全新 GPU 系列。新一代 CPU 架構核心幾乎就是加強,GPU 則是創新。

CPU 著重提升能效比

Arm 晶片優勢便是能效比,但近年超大核 Cortex-X 出現開始讓行動端 Arm 晶片絕對性能進步不少。新一代 Cortex-X3 出現,依舊是為了峰值性能,與 Cortex-X2 相同 3.3GHz 時脈,X3 有 25% 性能提升。

倘若 X3 運行 3.6GHz,相對主流等級筆電處理器來說,有 34% 提升。顯然 Cortex-X3 超大核的超頻潛力,以及更高性能(和能耗)是為 Arm 的 PC 準備,並非為下一代手機旗艦 SoC 設計。

大核心 Cortex-A715 從命名看,更像前作 A710 的改進,重點是效率。核心結構最佳化後,Cortex-A715 有 5% 性能提升,能耗 20% 降低。從曲線看,無論何種狀態,A715 相對 A710 都有更好能效比。Arm 還表示相同時脈和快取記憶體,A715 性能媲美 X1。

另大核心方面,Arm 徹底取消支援 32 位元 App。A715 指令解碼器尺寸比前作縮小 4 倍,使 A715 核心面積、功率和執行更有效率。中核心命名仍是 Cortex-A510,但 Arm 仍有最佳化,並稱為煥然一新的 A510(感覺更像重頭做 A510,畢竟前作問題很大)。

新 A510 核心改進時脈,最佳化效率,功耗降低 5%。最關鍵的是 A510 重新支援 32 位元 App。

全新 A510 也會用到物聯網等其他領域,同樣也不僅針對智慧手機。除了三款自有 Cortex 核心的最佳化更新,Arm DSU(DynamIQ Shared Unit 動態共享單元)也更新支援 12 個內核與 16MB L3 快取記憶體。

未來 Arm 處理器可能有更多核心組合,除了常見 1+3+4 三叢架構,也可以是 1+4+4、2+2+4 等組合,甚至在些追求更高能的晶片,也可用 8+4+0 這種究極組合。

總體來說,Arm 新一代 Cortex 核心多是最佳化前代結構,盡量提供更佳能效比,以及修正前代不合理的設計。Arm 核心設計也不限智慧手機,而是擴展各核心範圍,超大核心 X3 著重 PC 領域,中核心 A510 有更強兼容性於物聯網等領域。

GPU 光追將成為標配

以往 Arm 公版 GPU 相對 CPU 核心弱勢,更像基礎規格。Arm 公版 Mali GPU 不斷更新,上一代旗艦晶片公版 Mali 表現接近高通自研 Adreno。

新 CPU 核心發表後,Arm 也更新新公版 GPU。與例行升級不同,這次 Arm 帶來全新 Immortalis 旗艦系列。Immortalis 系列與 Mali 功能最大差別就是支援光線追蹤,核心 Immortalis-G715 有至少 10 個,而 Mali-G715 則可搭載 7~9 個核心。

核心數量差距及硬體支援光線追蹤,都讓 Immortalis-G715 用途更廣,與 Cortex-X3 一樣,更像提前為 Arm 桌面級晶片做準備。

Arm 產品管理總監 Andy Craigen 宣稱 Immortalis-G715 僅用 4% 著色器核心區域,便透過硬體加速帶來 3 倍性能提升。Arm 前代 Mali-G710 GPU 就提供基於軟體的光線追蹤。三星 Exynos 2200 也與 AMD 合作,推出硬體支援光線追蹤。

無論 Arm 還是晶片商,都在提前布局行動端光線追蹤,只不過展示多是 Demo,遊戲開發商都沒有明確行動。

▲ 新 GPU 光線追蹤展示 Demo(動圖有壓縮),注意看光影變化。(Source:Arm)

對行動端 3D 遊戲來說,大範圍硬體光追加持,有點像黎明前的黑暗。不過 Arm Paul Williamson 接受 TheVerge 採訪時,暗示明年搭載 Immortalis-G715 GPU 的裝置上市後,就會有相應產品提供有趣體驗。

正常更新的 Mali-G715 如 Cortex-A715 著重效能提升,相對 G710 有 15% 最佳化。Arm 也更新定位略低於 Mali-G715 的 GPU Mali-G615,差別就是核心更少(小於 6 個),針對中階 Arm 處理器。

要說 Mali-G715 和 G615 是正常更新,那硬體支援光追的 Immortalis-G715 就是大升級,運算 3D 圖像更強。Immortalis 系列 GPU 與 Cortex-X 超大核類似,更像 Arm 為桌面級處理器做準備,似乎開始要發力 Arm PC 了。

晶片廠商瞄準 Arm PC 領域

除了高通,三星 Exynos、聯發科都會直接用 Arm 公版 CPU、GPU 架構,不過核心頻率、製程不同。三星上一代 Exynos 2200 開始與 AMD 合作推出 Xclipse GPU,主流 SoC 市場也只有聯發科照 Arm 公版架構開發天璣系列。

與三星 Exynos 找上 AMD 合作類似,高通直接收購 NUVIA,有自主設計 Arm 晶片架構的公司,目的便是著手開發 Arm 架構晶片。高通也準備代號「Hamoa」的晶片,初期目標對手便是蘋果 M 晶片。CPU 將引入自主設計的 IP 架構內核,而非 Arm 公版架構。

很多分析師表示,高通也有計劃將自主設計 IP 的 CPU 內核引入驍龍晶片,當然前提是表現夠好。之所以不像蘋果 A 晶片直接換,還是驍龍晶片市占率太高,風險太大。如今 Arm 公版架構更像基礎,越來越接近給廠商看的範例。有能力的晶片商也逐步開始自主設計核心架構,為與蘋果 A、M 晶片一樣有更強差異化,取得更多訂單。

Arm 公版架構也開始著眼 Arm 生態打造,超大核 Cortex-X、 Immortalis 系列的 GPU 峰值性能提升,為的就是 Arm PC 處理器布局,Cortex-A510 重新設計,有了更好向下兼容性。智慧手機市場已為存量市場,無論高通等晶片商,還是 Arm 等核心 IP 供應商,潛力巨大的 Arm PC 領域可能是下一個增長點。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:Pixabay

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