深入了解华为麒麟9000：GPU性能翻身，AI算力顶尖的5G旗舰芯片

为视频实时生成带翻译的字幕、支持各种姿势操作的隔空手势、超过人眼识别水平的夜间视频拍摄…… 在华为 Mate 40 系列发布会上，余承东为我们展示了新一代旗舰手机的大量功能。这些技术无不需要依赖机器学习，而想要实现如此强度的 AI 运算，还得有一块强大的手机芯片。

有关华为 Mate 40 的大多数信息，我们在 10 月 22 日和30日的两场发布会上已经了解了不少。不过余承东对于旗舰机首发的新一代麒麟 9000 芯片并没有花费很多精力进行介绍。人们也想知道：麒麟 9000 之后，还有麒麟吗？
在国内发布会开始前，华为芯片和硬件战略 Fellow 艾伟向我们详细介绍了这代旗舰芯片的能力，并就一些人们最感兴趣的话题给出了答案。


最强 5G，速度快过对手一倍
虽然套餐价格还是有点贵，但中国在 5G 通信网络的铺设速度上保持了全球最快：今年 1 至 9 月份，全国新增 5G 手机数量达到了 1.08 亿。
「这是第一次，中国消费者领先全球其他区域，能够享受到最先进的移动通信技术，」艾伟表示。「如果看 6 月份的数据，中国的 5G 用户数量占全球的 78%，中国与其他地区的差距还在不断拉大。目前我们有 70 万个 5G 基站，中国还将在这一领域里持续领先。」
在 5G 产业急速发展的第一年里，华为推出了自己的第三代 5G SoC――麒麟 9000 是目前手机行业技术挑战最大，工程最复杂的一块芯片，工程师们在手机 SoC 有限的面积中集成了 153 亿晶体管。相比之下，同样使用台积电 5nm 工艺的苹果 A14 芯片有 134 亿个晶体管，还需要外接高通 X55 基带。
在这样的密度下，华为集成了手机所需的绝大多数计算单元，从 CPU、GPU、NPU、ISP 到安全系统、5G 通信基带等等。这些功能的集中并不是简单的堆砌，还需要兼顾高性能和低功耗，这需要在研发时应用大量新技术和架构创新。


首先是 5G 速度。中国现在拥有最多的 5G 通信频谱，这意味着用户可以享受最快的通信速度，但这也需要通信设备的支持。麒麟 9000 集成了巴龙 5000 通信基带，可以享受理论值下行 4.6Gbps，上行 2.5Gbps 的双载波聚合下行速度，这是手机芯片设计、天线设计、基站线网协议匹配等等能力相互作用的结果。在实际使用上，相比同代产品 iPhone 12，华为的 5G 速度更是快了两倍以上。
5G 也可以为我们带来更低的延迟。我们在用 4G 网络打游戏时「流畅的体验」大约指 100ms 以内延迟，而在实际测试中，现在华为手机的 5G 的时延在超过 80% 的时间里都可以保持在 30ms 以内了。


和当前主流手机相比，麒麟 9000 有 5G 载波聚合，比其他 5G 单载波速度快一倍以上；WiFi 6 + 保证了比其他手机用 WiFi 的速度也快 2 倍以上。如果同时接通多种网络，麒麟 9000 的手机还支持四网协同，同时利用 5G、4G、2.4Ghz WiFi 6+ 和 5Ghz WiFi 6+，最高达到 5.6Gbps 的下行速率。
GPU 性能翻身
在麒麟 9000 上，八核 CPU 主频可达到 3.13GHz，八个核心继续保持 1+3+4 的设计，Cortex A-77 架构的核心频率为一个 3.13GHz 超大核 + 三个 2.54GHz 大核，四个 Cortex-A55 小核频率为 2.05GHz。


华为表示，这样的 CPU 性能比高通骁龙 865 + 的速度快 10%，能效比也要高出 25%。
相比之下麒麟 9000 在 GPU 方面的提升更加明显。这一代处理器首发了 24 核的 Mali-G78，在图像处理能力上实现了跨越式提升，带来了可观的游戏体验。有了最新架构 G78 的加持，麒麟 9000 的图形性能比骁龙 865 + 要高 52%，能效也要高 50%。


与之配合的是 Kirin Gaming+ 3.0 游戏解决方案，在王者荣耀、和平精英、明日之后等现有游戏上，华为手机运行起来更加省电。
在 22 日发布会后不久，社交媒体上出现了麒麟 9000 跑分时功耗过高的结果。华为从实用场景角度解释了这一问题。「我们看到有一些人在研究麒麟 9000 突发的高功耗场景，在实际运行游戏时，Mate 40 长时间运行的性能和能效情况相比三星 Note 20 Ultra（骁龙 865+）能效比要好 20%。」艾伟说道。


使用多核心低频率的 GPU，不仅意味着更低功耗，更好的游戏体验，更意味着人们可以追求更高画质。近期手机的计算系统、芯片算力的提升，已经让手游可以跑出原来只能在电脑主机上实现的效果，包括 SSR 屏幕空间反射：体现玻璃和地板不同的反射纹理，以及动态模糊：面对强光照射下的体积光和光影效果。
AI 算力业界第一
虽然今年被人们关注最多的是 GPU，但麒麟 9000 的 NPU（神经网络处理单元）性能提升也是巨大的，实打实的翻了一倍。这代芯片的 NPU 采用 2 大核 1 小核架构，又升级到了达芬奇 2.0 架构。
「2017 年，麒麟 970 第一次把 NPU 技术应用在手机里。今天我们看到的情况是所有的手机芯片都必须有 AI 处理芯片了，」艾伟说道。「华为更新了整个达芬奇的架构，2.0 版的 NPU 算力翻倍。在内存瓶颈方面，我们大幅提升了 System Cache 的容量。大部分情况下可以把部分数据缓存在 Cache 中，不需要调用内存带宽。同时，华为的机器学习软件工具支持全球最多的算子数量。」
在苏黎世联邦理工的手机 AI 性能榜单 AI Benchmark 上，麒麟 9000 排名第一，相对上一代提升了一倍。相对其他公司的产品，麒麟在 int8 精度上跑 ResNet-50 的性能相对骁龙 865 + 要高 60%，能效比是后者的 150%。


AI 算力的提升意味着更多的应用成为可能。在 2017 年，麒麟 970 可以做到每分钟识别 2000 张图片，现在麒麟 9000 可以每秒钟识别 2000 张图片，性能提升了 60 倍。当我们在一帧之内完成处理图像分类、目标检测、语义分割、实例分割，甚至实时图像编辑的任务时。在视频里，我们就可以进行实时的 AI 图像风格转换。


英伟达的 RTX 上首先出现的 AI 画质增强能力，麒麟 9000 也有：华为 Mate 40 可以把在线视频的分辨率变得更高，从 540p 提升到 FHD 高清，实时完成图像锐化、超分辨率、色彩增强等操作。「如果视频网站的内容源不好，用 AI 视频超分技术可以为用户优先带来高品质的体验，不过这还需要视频播放器的支持，我们正在和应用开发者们进行合作。」艾伟说道。
AI 算力在手机拍摄时也可以提供性能加持，Kirin ISP 6.0 加入了 Quad Pipeline 架构，3A 处理能力提升了 100%，管线处理速度提升了 50%，「现在手机可以做专业相机的事了」。
华为在业界首先实现了 ISP+NPU 融合架构，让暗光视频的细节「淋漓尽致」，图像处理时间又低于 33ms。「AI 已经证明了自己在图像处理上的能力，以往我们由于延迟问题无法做到 4K 视频的处理，现在再不是问题了，」艾伟说道。「相比 iPhone 12 Pro，华为 mate 40 Pro 可以在暗光拍摄情况下视频更清楚，细节更清晰。原来是拍照上超越人眼的识别能力，现在可以拍视频超过人眼。」
前面提到，麒麟 9000 上的 NPU 是两个大核加一个微核。达芬奇 2.0 架构的微核可以在全天低功耗运行的条件下解锁更多应用体验，全天候待机耗电最低可到 3mA，相比上一代 6.4mA 降低了一倍还多，比业界平均的 30mA 以上更是低了十倍以上。
微核负责处理的任务更贴近你的生活，比如华为的低功耗注视检测（OLED 屏幕的智能版 always on display，或者防止息屏显示，而且可以检测手机主人的特定人脸），隔空手势操纵、解锁、音量调节、浏览等都需要使用微核进行计算。


5G 可以用来干什么？华为给了答案
今天，手机已可以像人一样在陌生环境中感知声音和图像的变化。我们还希望手机更能够「看懂」一些内容，做分类、测量、各种识别。Kirin AR 3.0 可以实现高能效的实施智慧感知、同步定位 AR 地图等功能。现在，AR 也可以用 SLAM 核心模块进行硬件加速了，这大大降低了时延和功耗。
Mate 40 有了 AR 实时感知能力，可以进行实时的 AR 物体测量，用摄像头一秒钟检测人物高度、房屋的层高、桌椅和各种物件的尺寸大小。就像电影《终结者》里施瓦辛格从未来到现代之后，用眼镜探测周围环境一样。
有了 5G 网络，强大的算法和设备端、云端 AI 算力，全新的应用将出现在人们的生活中。华为认为，手机是最重要的信息入口，它会对人、物体和文字进行识别，随后数据会通过 5G 脱敏地传送到云端，知识图谱和复杂的机器学习模型会以人类无法企及的能力完成任务。
「当我们把手机实时感知、AI 能力和云服务用 5G 网络连接在一起，就可以构建起『超智慧』的感知体验。未来的一切都会被数字化和识别，并与云端结合在一起。这或许就是 5G、AI 计算、更强大的手机算力存在的意义。」艾伟说道。
中国正在进行超前的 5G 部署，华为保守估计：如果人们的平均换机周期为两年，在一年多以后，市场上 50% 的用户将拥有自己的 5G 手机，在 4G 时候我们拥抱了数字支付、共享经济，5G 时代的实时虚拟现实融合技术，也将很快与我们见面。


最后，在强大的 Mate 40 和麒麟 9000 之后，华为还在研发下一代产品吗？我们得到了肯定的答案：「华为致力于给全球消费者提供最好的旗舰机体验。无论未来有多少困难，我们会继续前行。」

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