Arm Mali GPU的噩夢：三星、華為紛紛轉向自研！

摘要：近年來，隨著以智能手機為代表的移動市場競爭的進一步升級，為了提升自身手機產品的競爭力，三星、蘋果、華為等頭部的智能手機廠商繼打造自己的手機SoC之後，紛紛加碼投入自研CPU、GPU、NPU及基帶晶元等核心器件當中。

目前在桌面級的CPU市場，是英特爾和AMD兩家的天下。而在桌面級的GPU，特別是獨立顯卡市場，則是被Nvidia和AMD兩家壟斷。數據顯示，Nvidia佔據了66.3%的獨立顯卡市場，AMD的份額則為33.7%。雖然英特爾正準備推出自研的獨立顯卡，但是想要與Nvidia和AMD競爭卻並不容易。

而在移動CPU市場，Arm的Cortex系列CPU一家獨大，其他的例如MIPS、RISC-V、x86架構都難以與其抗衡。但是，在移動GPU市場，Arm的Mali系列GPU的老大地位卻並不穩固。

雖然，自從2017年蘋果宣布將在兩年內棄用Imagination Technologies的GPU技術之後，Arm的Mali系列GPU便開始少了一個強有力的競爭對手。而且近年來採用Arm Mali系列GPU的華為手機晶元的出貨猛增，也幫助Arm提升在移動GPU市場的地位。但是，高通自研的Adreno GPU仍佔據了相當一大部分的市場份額（高通的Adreno GPU源自ATI的imageon，AMD收購ATI後，將移動設備資產出售給了高通）。

來自unity的數據顯示，截止至2016年7月，移動GPU市場（包括安卓，iOS，WP設備）市場排名為：Arm（35.9%）、高通（32.4%），蘋果（16.0%），Imagination（11.2%），Vivante（1.9%），Broadcom （1.1%）、NVIDIA（0.7%）、Intel:（0.4%）。

近年來，隨著以智能手機為代表的移動市場競爭的進一步升級，為了提升自身手機產品的競爭力，三星、蘋果、華為等頭部的智能手機廠商繼打造自己的手機SoC之後，紛紛加碼投入自研CPU、GPU、NPU及基帶晶元等核心器件當中。

今年6月，三星與AMD達成合作協議，三星將可採用AMD最新的RDNA架構GPU自行設計手機GPU核心。另外，自「中興事件」、美國制裁華為之後，華為便開始進一步加大了對於自研核心晶元的投入。近日有傳聞稱，華為除了自研的CPU之外，還在研發自主的GPU晶元。而這無疑將對Arm在移動GPU市場的地位產生威脅。

蘋果：CPU/GPU/基帶即將全面實現自研

iPhone 4是蘋果手機發展歷程當中的非常重要的一款產品，因為蘋果自iPhone 4開始，首次採用了自己的A系列處理器。而在此之前，都採用的是第三方的處理器。第一代的蘋果A系列處理器是基於Arm的公版Coretx-A8內核，隨後的幾代產品也依然是基於Arm的Cortex內核。直到2013年9月，蘋果發布了首款自行研發的基於64位ARMv8雙核心的處理器——蘋果A7，這也是全球首款64位的處理器。在此之後，蘋果的A系列處理器便開始一直採用自研的CPU。

在GPU方面，自蘋果A系列處理器推出之後，一直採用的都是Imagination公司的PowerVR系列GPU，成為了Imagination公司的最大客戶。直到2017年4月，蘋果公司宣布將在兩年內放棄使用Imagination的一切技術，包括專利、知產、保密信息等等。而蘋果之所以會做出這樣的決定，是因為其自研的GPU獲得了突破。

其實，早在2013年的時候，蘋果就已經開始在研發自主GPU。蘋果當時召集了許多GPU高級人才組建團隊自主設計GPU，AMD前圖形設計首席技術官Raja Koduri也在其中。但是，當時蘋果在自主GPU的研發上並不順利，這點從Raja Koduri隨後重返AMD就可以看出。所以，蘋果在2014年仍然與Imagination續簽了為期多年的授權協議，涵蓋了Imagination公司當時全部的和未來幾年的PowerVR圖形和視頻技術專利。不過蘋果並未放棄自主GPU的研發。

2016年上半年，蘋果進一步擴大了其GPU研發部門，四處招攬GPU研發人才。同時還不斷從合作夥伴Imagination那裡挖人。或許由於蘋果是其最大的客戶，所以對於蘋果的挖角，Imagination似乎是有些「敢怒而不敢言」。

雖然2017年9月蘋果推出的A11就有媒體稱其集成的GPU是蘋果自研的，但是實際上，其似乎仍然是基於Imagination的IP定製的。因為它的內核設計與之前Imagination的Rogue非常相似。值得一提的是，蘋果在A11處理器上還首次集成了自研的NPU內核。

圖片來源：TechInsights Apple A12 Die Shot，ChipRebel Apple A11 Die Shot

隨後蘋果在2018年推出的A12的GPU仍支持PVRTC（PowerVR紋理壓縮），這是一種專有格式，意味著其GPU仍有可能與Imagination的IP相關聯。

結合蘋果在2017年時所宣布的，「將在未來兩年內放棄使用Imagination的一切技術」來看，蘋果應該會在今年9月發布的A13處理器上採用自研的GPU。

另外需要指出的是，蘋果近幾年一直在研發自己的基帶晶元，特別是在今年斥資10億收購了英特爾基帶晶元業務之後，預計蘋果自研的手機基帶晶元的研發進程將會進一步加速，預計在未來兩年內就將會商用。

三星：結盟AMD，預計兩年內推出自研GPU

2015年，三星在韓國發布了14nm FinFET 工藝的Exynos 8890八核處理器，而這款處理器的特別之處在於，其CPU採用四個基於Arm v8指令集自研的「貓鼬」架構的大核，以及四個Arm Cortex-A53的小核。而在此之後，三星的旗艦處理器便開始了對於自研的「貓鼬」CPU架構的持續升級。

經過幾年的時間的演講，目前三星的自研CPU架構已經到了第四代。2018年，三星推出的Exynos 9820處理器，採用了兩顆第四代自研大核心，兩顆Cortex-A75和四顆Cortex-A55組合而成，同時還首次加入了自研的NPU。

值得一提的是，在2018年8月，三星還正式發布了首款自研的5G基帶晶元Exynos Modem 5100。而在今年年初發布的三星Galaxy S10 5G版的韓國版本則採用了Exynos Modem 5100基帶。

而在三星自研CPU、NPU、基帶晶元的全面崛起的同時，三星也早已開始了自研GPU的開發。早在2017年之時，業內就有消息稱三星正在開發自研的GPU。2018年，三星挖來了Nvidia老將、GPU技術專家呂堅平（Chien-Ping Lu）博士，他將負責領導GPU研發團隊。

資料顯示，呂堅平曾在英偉達參與了集成GPU的 nForce晶元組研發，IGP集成顯卡晶元組也是他主導的。值得一提的是，在NVIDIA之後，呂堅平博士加入了聯發科，主導聯發科的自研GPU計劃，不過這款自研GPU後來由於各種原因被取消了。

或許是自研GPU的開發上遭遇了挫折，畢竟GPU市場已經相當成熟，完全獨立開發的話，就需要避開其他GPU廠商的專利，這並不容易。於是，三星開始尋求GPU大廠AMD進行合作。今年6月，三星正式宣布與AMD達成合作協議，AMD將最新的RDNA架構GPU授權給了三星，讓三星可以自行設計相應的GPU核心。值得注意的是，在雙方達成合作之前一個月，呂堅平便從三星離職了。

根據外界預計，三星將會在未來兩年內推出集成AMD Radeon圖形處理技術的移動GPU，而新的移動GPU將有望大幅提升三星手機圖形處理能力。

華為：除了自研的手機SoC/基帶/NPU，自研CPU/GPU也在進行中 ？

一直以來，華為在很多核心器件上都堅持自主研發，除了華為近期曝光的針對高清智能電視的「鴻鵠」處理器之外，華為海思晶元家族已有麒麟、巴龍、鯤鵬、昇騰、天罡、凌霄等產品系列。

早在2004年，華為就成立了海思半導體，從事相關手機晶元的研發。到2009年華為的首款手機處理器K3V1才正式發布，不過這款晶元主要是面向中低端市場，在當時也並未獲得成功。而隨後華為在2012年推出的四核Coretex-A9處理器K3V2，則在當時的市場上獲得較高的關注，華為還在當時的旗艦Ascend D上搭載這款處理器，並取得了一定的成績。不過，此後近兩年的時間，華為未推出新的晶元，一直是靠K3V2打市場，因此也備受外界吐槽「萬年K3V2」。

實際上，華為這段時間是在針對K3V2上所出現的問題進行深度的改進，2014年，首款「麒麟」處理器——麒麟910成功面世。雖然麒麟910隻是K3V2的升級版，但是其解決此前K3V2的一些列問題，同時還首次集成了自研的巴龍（Balong） 710 LTE多模基帶晶元。而在此之前，華為手機晶元都是外掛基帶。

其實在華為開始研發手機處理器的同時，華為也同步開始了基帶晶元的研發。2008年9月，華為正式成立LTE UE開發部門，啟動LTE晶元的開發。2010年初，華為就成功推出了業內首款支持LTE FDD和TD-LTE雙模的Balong 700晶元。2012年，華為發布了業界首款支持LTE Cat.4的多模LTE終端晶元巴龍710，並成功整合在麒麟910系列處理器中。

此後數年，隨著智能手機市場的快速爆發，華為在麒麟處理器和巴龍基帶晶元上也是快速的升級迭代。2017年9月，基於10nm工藝的麒麟970的成功發布可以說是麒麟晶元一個里程碑，其整體的水平首次達到了與高通驍龍旗艦處理器一樣的高度，甚至在多方面更具優勢。比如，麒麟970首次集成了NPU內核，同時其集成的巴龍基帶可支持LET Cat.18（4.5G，Pre 5G)，支持5載波聚合，4×4 MIMO以及256QAM，能夠將數據的傳輸效率最大化，超過了高通驍龍835搭載的千兆級基帶晶元驍龍X16，達到了與當時高通才發布不久的驍龍X20一樣的1.2Gbps的下載速率。

隨後在2018年2月，華為又率先發布了旗下首款5G商用晶元——巴龍5G01（Balong 5G01）和5G商用終端——華為5G CPE。今年年初，華為又搶先高通發布了首款SA/NSA雙模5G基帶晶元巴龍5000。

另外值得一提的是，華為麒麟970和麒麟980集成的NPU都是基於寒武紀科技的NPU的IP，而今年7月，華為發布的麒麟810處理器，則首次集成了華為自研的全新達芬奇架構的NPU，而其強悍的AI性能讓麒麟810一發布便登頂了權威機構AI-Benchmark的排行榜。

可以說，目前華為設計的麒麟處理器，自研的NPU、巴龍基帶晶元都已經達到了全球頂級的水平。但是，需要指出的是華為的麒麟處理器當中的CPU內核和GPU內核都是來自於Arm。而在今年5月，美國將華為列入出口管制「實體名單」之後，Arm便中斷了與華為的合作，這也意味著華為未來新的移動晶元的開發，可能將由於無法獲取Arm最新的IP授權許可，將會遭遇困難。

所幸的是，華為此前已經獲得了ARMv8架構的永久授權，也就是說，華為不需要Arm提供的已經設計完成的IP核，而是直接獲取設計這些IP核的指令集授權，這樣華為可以對IP核進行大幅度的改造，甚至可以對Arm指令集進行擴展或縮減。而目前的主流的Arm手機處理器CPU核心基本都是基於ARMv8指令集設計。

因此，華為完全可以基於ARMv8指令集自主設計處理器，並且擁有完整知識產權，不受美國禁令制約。比如蘋果的A系列處理器、高通的部分高端旗艦處理器、三星的基於貓鼬核心的CPU都是基於Arm指令集授權進行自主設計的。另外，今年1月，華為發布的高性能伺服器處理器——鯤鵬920就是華為基於ARMv8指令集自主研發的。

所以，芯智訊（ID：icsmart）判斷，華為接下來必然會基於ARMv8指令集設計自主的手機CPU內核。雖然，華為也可以選擇開源的RISC-V架構來設計自主的CPU內核，但是，在性能RISC-V架構可能還無法與Arm在手機市場抗衡，並且在軟體兼容性上可能也會有問題，其更適用於物聯網市場。因此，華為大概率會基於ARMv8指令集設計自主的手機CPU內核。

而近日，據台灣媒體報道，相關供應鏈人士指出，「海思目前正在開發設計多種晶元，從移動設備使用的一系列晶元，到多媒體顯示晶元及電腦使用的 CPU、GPU。而且，海思晶元使用的技術全部集中在台積電 7nm 以下先進位程技術，同時順勢包下台灣後段封測廠及下游 PCB 行業的產能」。

對於這個消息，芯智訊（ID：icsmart）認為，華為除了會設計自主的手機CPU之外，接下來確實可能會設計自己的GPU。因為，美國禁令的存在，華為接下來將無法使用Arm的新的Mali GPU。另外，對於智能手機來說，GPU的性能直接影響到手機的畫面顯示、畫面流暢度，特別是在大型遊戲、AR/VR方面的體驗，甚至還會影響到手機AI方面的能力（GPU的AI運算能力遠高於CPU）。因此，要想進一步提升手機處理器的競爭力，自研GPU也是必然。

所以，我們可以看到，蘋果、三星等一線的頭部手機品牌廠商都在開發自己的GPU內核。而高通的驍龍旗艦處理器備受手機品牌廠商歡迎，其中一大關鍵因素就是其自研的Adreno GPU的出色性能表現。

不過，要研發自己的GPU並不是一件易事。蘋果自2013年開始研發以來，到目前尚未商用，雖然可能已接近成功，但是這也是基於其與Imagination長期合作，同時挖去了大量的GPU人才基礎之上的。三星更是研發了數年，還遭遇挫折，最終選擇與AMD合作。我們不難看出，GPU的研發的困難程度之高，同樣華為想要推出自研GPU也絕非易事。

不過，芯智訊倒是認為，華為其實可以先選擇與Imagination合作，進行GPU聯合定製入手。畢竟在2017年9月，移動GPU大廠Imagination 就已經成功被中國背景的私募基金Canyon Bridge以5.5億英鎊收購。目前Imagination已經算是一家中資企業，並且也正在大力開拓國內市場。

此前Imagination中國區總經理劉國軍在接受媒體採訪時就曾表示，中國市場佔Imagination的總營收約為10%，第一任務是要抓整個中國地區的市場份額。

芯智訊認為，華為甚至可以考慮從Canyon Bridge手中直接把Imagination買下來。當然，現階段不太可能，畢竟美國禁令存在，華為對Imagination的收購可能得不到美國監管機構的審查批准。

另外，前面的消息說華為要設計電腦使用的CPU和GPU，這恐怕就是胡說了。誰都知道，目前電腦市場的CPU/GPU競爭已經是極度的成熟，剩下的幾個玩家早已經壟斷了市場好多年（文章開篇就有提及），生態也已經是非常的成熟，華為介入完全沒有機會。當然，類似基於Arm架構的驍龍 Win10筆記本倒是有些機會（即推出基於ARM v8指令集的自研CPU以及自研GPU的麒麟處理器的Windows筆記本），但是目前驍龍Win10筆記本在市場上的反饋一般，而且目前微軟也僅與高通一家晶元廠商在合作。

小結：

僅從智能手機市場來看，三星、蘋果、華為等頭部的智能手機廠商，紛紛選擇自研CPU、GPU、NPU，將不可避免的對Arm的授權業務造成影響，即便是這些CPU仍是基於ARM v8指令集授權，但是畢竟是一次性付費授權。GPU更是不必說，如果三星、華為都轉向採用自研GPU，無疑將會對Arm的GPU授權業務造成重創，因為僅剩的能夠為Arm GPU授權業務做貢獻的手機晶元廠商就只有聯發科和紫光展銳了，而紫光展銳同時也有用Imagination的GPU。

圖片來源：Counterpoint

此前Counterpoint分析師Parv Sharma就曾表示，「由於美國對華為的禁令，Arm與華為及其子公司海思的業務將受影響，因此Arm在移動GPU的市場份額將大幅下降，預計未來幾年的份額可能降至30％以下。」

從物聯網市場來看，Arm的CPU授權業務正受到RISC-V的挑戰，雖然目前影響程度還比較有限，但是RISC-V的生態目前正在快速壯大，眾多的一線的晶元設計廠商正紛紛入局。因此，Arm也開始被迫通過下調授權費，推出新的授權合作形式來應對。

另外，隨著AI市場的崛起，眾多的AI晶元也是如雨後春筍般出現。三星、蘋果、高通、華為都紛紛開始在自己的手機晶元中集成了自研的NPU內核，華為甚至還推出了自研的AI雲端晶元。這也使得Arm推出的相關的AI內核IP一下子缺少了頭部手機大廠的支持。

作者：芯智訊-浪客劍

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