Arm Mali GPU的噩梦：三星、华为纷纷转向自研

摘要：近年来，随着以智能手机为代表的移动市场竞争的进一步升级，为了提升自身手机产品的竞争力，三星、苹果、华为等头部的智能手机厂商继打造自己的手机SoC之后，纷纷加码投入自研CPU、GPU、NPU及基带芯片等核心器件当中。

目前在桌面级的CPU市场，是英特尔和AMD两家的天下。而在桌面级的GPU，特别是独立显卡市场，则是被Nvidia和AMD两家垄断。数据显示，Nvidia占据了66.3%的独立显卡市场，AMD的份额则为33.7%。虽然英特尔正准备推出自研的独立显卡，但是想要与Nvidia和AMD竞争却并不容易。

而在移动CPU市场，Arm的Cortex系列CPU一家独大，其他的例如MIPS、RISC-V、x86架构都难以与其抗衡。但是，在移动GPU市场，Arm的Mali系列GPU的老大地位却并不稳固。

虽然，自从2017年苹果宣布将在两年内弃用Imagination Technologies的GPU技术之后，Arm的Mali系列GPU便开始少了一个强有力的竞争对手。而且近年来采用Arm Mali系列GPU的华为手机芯片的出货猛增，也帮助Arm提升在移动GPU市场的地位。但是，高通自研的Adreno GPU仍占据了相当一大部分的市场份额（高通的Adreno GPU源自ATI的imageon，AMD收购ATI后，将移动设备资产出售给了高通）。

来自unity的数据显示，截止至2016年7月，移动GPU市场（包括安卓，iOS，WP设备）市场排名为：Arm（35.9%）、高通（32.4%），苹果（16.0%），Imagination（11.2%），Vivante（1.9%），Broadcom （1.1%）、NVIDIA（0.7%）、Intel:（0.4%）。

近年来，随着以智能手机为代表的移动市场竞争的进一步升级，为了提升自身手机产品的竞争力，三星、苹果、华为等头部的智能手机厂商继打造自己的手机SoC之后，纷纷加码投入自研CPU、GPU、NPU及基带芯片等核心器件当中。

今年6月，三星与AMD达成合作协议，三星将可采用AMD最新的RDNA架构GPU自行设计手机GPU核心。另外，自“中兴事件”、美国制裁华为之后，华为便开始进一步加大了对于自研核心芯片的投入。近日有传闻称，华为除了自研的CPU之外，还在研发自主的GPU芯片。而这无疑将对Arm在移动GPU市场的地位产生威胁。

苹果：CPU/GPU/基带即将全面实现自研

iPhone 4是苹果手机发展历程当中的非常重要的一款产品，因为苹果自iPhone 4开始，首次采用了自己的A系列处理器。而在此之前，都采用的是第三方的处理器。第一代的苹果A系列处理器是基于Arm的公版Coretx-A8内核，随后的几代产品也依然是基于Arm的Cortex内核。直到2013年9月，苹果发布了首款自行研发的基于64位ARMv8双核心的处理器——苹果A7，这也是全球首款64位的处理器。在此之后，苹果的A系列处理器便开始一直采用自研的CPU。

在GPU方面，自苹果A系列处理器推出之后，一直采用的都是Imagination公司的PowerVR系列GPU，成为了Imagination公司的最大客户。直到2017年4月，苹果公司宣布将在两年内放弃使用Imagination的一切技术，包括专利、知产、保密信息等等。而苹果之所以会做出这样的决定，是因为其自研的GPU获得了突破。

其实，早在2013年的时候，苹果就已经开始在研发自主GPU。苹果当时召集了许多GPU高级人才组建团队自主设计GPU，AMD前图形设计首席技术官Raja Koduri也在其中。但是，当时苹果在自主GPU的研发上并不顺利，这点从Raja Koduri随后重返AMD就可以看出。所以，苹果在2014年仍然与Imagination续签了为期多年的授权协议，涵盖了Imagination公司当时全部的和未来几年的PowerVR图形和视频技术专利。不过苹果并未放弃自主GPU的研发。

2016年上半年，苹果进一步扩大了其GPU研发部门，四处招揽GPU研发人才。同时还不断从合作伙伴Imagination那里挖人。或许由于苹果是其最大的客户，所以对于苹果的挖角，Imagination似乎是有些“敢怒而不敢言”。

虽然2017年9月苹果推出的A11就有媒体称其集成的GPU是苹果自研的，但是实际上，其似乎仍然是基于Imagination的IP定制的。因为它的内核设计与之前Imagination的Rogue非常相似。值得一提的是，苹果在A11处理器上还首次集成了自研的NPU内核。

图片来源：TechInsights Apple A12 Die Shot，ChipRebel Apple A11 Die Shot

随后苹果在2018年推出的A12的GPU仍支持PVRTC（PowerVR纹理压缩），这是一种专有格式，意味着其GPU仍有可能与Imagination的IP相关联。

结合苹果在2017年时所宣布的，“将在未来两年内放弃使用Imagination的一切技术”来看，苹果应该会在今年9月发布的A13处理器上采用自研的GPU。

另外需要指出的是，苹果近几年一直在研发自己的基带芯片，特别是在今年斥资10亿收购了英特尔基带芯片业务之后，预计苹果自研的手机基带芯片的研发进程将会进一步加速，预计在未来两年内就将会商用。

三星：结盟AMD，预计两年内推出自研GPU

2015年，三星在韩国发布了14nm FinFET 工艺的Exynos 8890八核处理器，而这款处理器的特别之处在于，其CPU采用四个基于Arm v8指令集自研的“猫鼬”架构的大核，以及四个Arm Cortex-A53的小核。而在此之后，三星的旗舰处理器便开始了对于自研的“猫鼬”CPU架构的持续升级。

经过几年的时间的演讲，目前三星的自研CPU架构已经到了第四代。2018年，三星推出的Exynos 9820处理器，采用了两颗第四代自研大核心，两颗Cortex-A75和四颗Cortex-A55组合而成，同时还首次加入了自研的NPU。

值得一提的是，在2018年8月，三星还正式发布了首款自研的5G基带芯片Exynos Modem 5100。而在今年年初发布的三星Galaxy S10 5G版的韩国版本则采用了Exynos Modem 5100基带。

而在三星自研CPU、NPU、基带芯片的全面崛起的同时，三星也早已开始了自研GPU的开发。早在2017年之时，业内就有消息称三星正在开发自研的GPU。2018年，三星挖来了Nvidia老将、GPU技术专家吕坚平（Chien-Ping Lu）博士，他将负责领导GPU研发团队。

资料显示，吕坚平曾在英伟达参与了集成GPU的 nForce芯片组研发，IGP集成显卡芯片组也是他主导的。值得一提的是，在NVIDIA之后，吕坚平博士加入了联发科，主导联发科的自研GPU计划，不过这款自研GPU后来由于各种原因被取消了。

或许是自研GPU的开发上遭遇了挫折，毕竟GPU市场已经相当成熟，完全独立开发的话，就需要避开其他GPU厂商的专利，这并不容易。于是，三星开始寻求GPU大厂AMD进行合作。今年6月，三星正式宣布与AMD达成合作协议，AMD将最新的RDNA架构GPU授权给了三星，让三星可以自行设计相应的GPU核心。值得注意的是，在双方达成合作之前一个月，吕坚平便从三星离职了。

根据外界预计，三星将会在未来两年内推出集成AMD Radeon图形处理技术的移动GPU，而新的移动GPU将有望大幅提升三星手机图形处理能力。

华为：除了自研的手机SoC/基带/NPU，自研CPU/GPU也在进行中 ？

一直以来，华为在很多核心器件上都坚持自主研发，除了华为近期曝光的针对高清智能电视的“鸿鹄”处理器之外，华为海思芯片家族已有麒麟、巴龙、鲲鹏、昇腾、天罡、凌霄等产品系列。

早在2004年，华为就成立了海思半导体，从事相关手机芯片的研发。到2009年华为的首款手机处理器K3V1才正式发布，不过这款芯片主要是面向中低端市场，在当时也并未获得成功。而随后华为在2012年推出的四核Coretex-A9处理器K3V2，则在当时的市场上获得较高的关注，华为还在当时的旗舰Ascend D上搭载这款处理器，并取得了一定的成绩。不过，此后近两年的时间，华为未推出新的芯片，一直是靠K3V2打市场，因此也备受外界吐槽“万年K3V2”。

实际上，华为这段时间是在针对K3V2上所出现的问题进行深度的改进，2014年，首款“麒麟”处理器——麒麟910成功面世。虽然麒麟910只是K3V2的升级版，但是其解决此前K3V2的一些列问题，同时还首次集成了自研的巴龙（Balong） 710 LTE多模基带芯片。而在此之前，华为手机芯片都是外挂基带。

其实在华为开始研发手机处理器的同时，华为也同步开始了基带芯片的研发。2008年9月，华为正式成立LTE UE开发部门，启动LTE芯片的开发。2010年初，华为就成功推出了业内首款支持LTE FDD和TD-LTE双模的Balong 700芯片。2012年，华为发布了业界首款支持LTE Cat.4的多模LTE终端芯片巴龙710，并成功整合在麒麟910系列处理器中。

此后数年，随着智能手机市场的快速爆发，华为在麒麟处理器和巴龙基带芯片上也是快速的升级迭代。2017年9月，基于10nm工艺的麒麟970的成功发布可以说是麒麟芯片一个里程碑，其整体的水平首次达到了与高通骁龙旗舰处理器一样的高度，甚至在多方面更具优势。比如，麒麟970首次集成了NPU内核，同时其集成的巴龙基带可支持LET Cat.18（4.5G，Pre 5G)，支持5载波聚合，4 x 4 MIMO以及256QAM，能够将数据的传输效率最大化，超过了高通骁龙835搭载的千兆级基带芯片骁龙X16，达到了与当时高通才发布不久的骁龙X20一样的1.2Gbps的下载速率。

随后在2018年2月，华为又率先发布了旗下首款5G商用芯片——巴龙5G01（Balong 5G01）和5G商用终端——华为5G CPE。今年年初，华为又抢先高通发布了首款SA/NSA双模5G基带芯片巴龙5000。

另外值得一提的是，华为麒麟970和麒麟980集成的NPU都是基于寒武纪科技的NPU的IP，而今年7月，华为发布的麒麟810处理器，则首次集成了华为自研的全新达芬奇架构的NPU，而其强悍的AI性能让麒麟810一发布便登顶了权威机构AI-Benchmark的排行榜。

可以说，目前华为设计的麒麟处理器，自研的NPU、巴龙基带芯片都已经达到了全球顶级的水平。但是，需要指出的是华为的麒麟处理器当中的CPU内核和GPU内核都是来自于Arm。而在今年5月，美国将华为列入出口管制“实体名单”之后，Arm便中断了与华为的合作，这也意味着华为未来新的移动芯片的开发，可能将由于无法获取Arm最新的IP授权许可，将会遭遇困难。

所幸的是，华为此前已经获得了ARMv8架构的永久授权，也就是说，华为不需要Arm提供的已经设计完成的IP核，而是直接获取设计这些IP核的指令集授权，这样华为可以对IP核进行大幅度的改造，甚至可以对Arm指令集进行扩展或缩减。而目前的主流的Arm手机处理器CPU核心基本都是基于ARMv8指令集设计。

因此，华为完全可以基于ARMv8指令集自主设计处理器，并且拥有完整知识产权，不受美国禁令制约。比如苹果的A系列处理器、高通的部分高端旗舰处理器、三星的基于猫鼬核心的CPU都是基于Arm指令集授权进行自主设计的。另外，今年1月，华为发布的高性能服务器处理器——鲲鹏920就是华为基于ARMv8指令集自主研发的。

所以，芯智讯（ID：icsmart）判断，华为接下来必然会基于ARMv8指令集设计自主的手机CPU内核。虽然，华为也可以选择开源的RISC-V架构来设计自主的CPU内核，但是，在性能RISC-V架构可能还无法与Arm在手机市场抗衡，并且在软件兼容性上可能也会有问题，其更适用于物联网市场。因此，华为大概率会基于ARMv8指令集设计自主的手机CPU内核。

而近日，据台湾媒体报道，相关供应链人士指出，“海思目前正在开发设计多种芯片，从移动设备使用的一系列芯片，到多媒体显示芯片及电脑使用的 CPU、GPU。而且，海思芯片使用的技术全部集中在台积电 7nm 以下先进制程技术，同时顺势包下台湾后段封测厂及下游 PCB 行业的产能”。

对于这个消息，芯智讯（ID：icsmart）认为，华为除了会设计自主的手机CPU之外，接下来确实可能会设计自己的GPU。因为，美国禁令的存在，华为接下来将无法使用Arm的新的Mali GPU。另外，对于智能手机来说，GPU的性能直接影响到手机的画面显示、画面流畅度，特别是在大型游戏、AR/VR方面的体验，甚至还会影响到手机AI方面的能力（GPU的AI运算能力远高于CPU）。因此，要想进一步提升手机处理器的竞争力，自研GPU也是必然。

所以，我们可以看到，苹果、三星等一线的头部手机品牌厂商都在开发自己的GPU内核。而高通的骁龙旗舰处理器备受手机品牌厂商欢迎，其中一大关键因素就是其自研的Adreno GPU的出色性能表现。

不过，要研发自己的GPU并不是一件易事。苹果自2013年开始研发以来，到目前尚未商用，虽然可能已接近成功，但是这也是基于其与Imagination长期合作，同时挖去了大量的GPU人才基础之上的。三星更是研发了数年，还遭遇挫折，最终选择与AMD合作。我们不难看出，GPU的研发的困难程度之高，同样华为想要推出自研GPU也绝非易事。

不过，芯智讯倒是认为，华为其实可以先选择与Imagination合作，进行GPU联合定制入手。毕竟在2017年9月，移动GPU大厂Imagination 就已经成功被中国背景的私募基金Canyon Bridge以5.5亿英镑收购。目前Imagination已经算是一家中资企业，并且也正在大力开拓国内市场。

此前Imagination中国区总经理刘国军在接受媒体采访时就曾表示，中国市场占Imagination的总营收约为10%，第一任务是要抓整个中国地区的市场份额。

芯智讯认为，华为甚至可以考虑从Canyon Bridge手中直接把Imagination买下来。当然，现阶段不太可能，毕竟美国禁令存在，华为对Imagination的收购可能得不到美国监管机构的审查批准。

另外，前面的消息说华为要设计电脑使用的CPU和GPU，这恐怕就是胡说了。谁都知道，目前电脑市场的CPU/GPU竞争已经是极度的成熟，剩下的几个玩家早已经垄断了市场好多年（文章开篇就有提及），生态也已经是非常的成熟，华为介入完全没有机会。当然，类似基于Arm架构的骁龙 Win10笔记本倒是有些机会（即推出基于ARM v8指令集的自研CPU以及自研GPU的麒麟处理器的Windows笔记本），但是目前骁龙Win10笔记本在市场上的反馈一般，而且目前微软也仅与高通一家芯片厂商在合作。

小结：

仅从智能手机市场来看，三星、苹果、华为等头部的智能手机厂商，纷纷选择自研CPU、GPU、NPU，将不可避免的对Arm的授权业务造成影响，即便是这些CPU仍是基于ARM v8指令集授权，但是毕竟是一次性付费授权。GPU更是不必说，如果三星、华为都转向采用自研GPU，无疑将会对Arm的GPU授权业务造成重创，因为仅剩的能够为Arm GPU授权业务做贡献的手机芯片厂商就只有联发科和紫光展锐了，而紫光展锐同时也有用Imagination的GPU。

图片来源：Counterpoint

此前Counterpoint分析师Parv Sharma就曾表示，“由于美国对华为的禁令，Arm与华为及其子公司海思的业务将受影响，因此Arm在移动GPU的市场份额将大幅下降，预计未来几年的份额可能降至30％以下。”

从物联网市场来看，Arm的CPU授权业务正受到RISC-V的挑战，虽然目前影响程度还比较有限，但是RISC-V的生态目前正在快速壮大，众多的一线的芯片设计厂商正纷纷入局。因此，Arm也开始被迫通过下调授权费，推出新的授权合作形式来应对。

另外，随着AI市场的崛起，众多的AI芯片也是如雨后春笋般出现。三星、苹果、高通、华为都纷纷开始在自己的手机芯片中集成了自研的NPU内核，华为甚至还推出了自研的AI云端芯片。这也使得Arm推出的相关的AI内核IP一下子缺少了头部手机大厂的支持。