解读最强5G SoC的诞生:华为麒麟990 5G靠这些实力领跑全球

作者:黄海峰 责任编辑:刘婷宜 2019.09.10 21:03 来源:通信世界全媒体

5G改变社会,将重构科技产业。2019年是5G元年,全球都在推进5G网络建设,比如特朗普着重强调美国要实现5G领先。

5G商用领先的一个关键是5G终端成熟,因为终端是离消费者最近的部分。但目前上市5G终端都采用处理器外挂5G基带的模式(4G SoC+5G基带),而非更优更好的5G SoC(系统级芯片,5G基带集成到SoC中)。因为5G SoC的实现并不容易。

业界传来重磅消息。9月6日,华为消费者业务CEO余承东在德国发布华为旗舰芯片麒麟990系列,包括麒麟990和麒麟990 5G两款芯片。其中,麒麟990 5G被誉为全球首款旗舰5G SoC,也是支持NSA/SA(非独立组网/独立组网)的全网通5G SoC。

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华为消费者业务CEO余承东发布华为麒麟990系列

产品发布几天来,业界在热议麒麟990 5G的性能与能效、AI智慧算力及ISP拍摄能力等。因为麒麟990 5G是全球首个7nm+ EUV 5G SoC,在拇指大小空间集成103亿晶体管。在安卓手机中,其CPU、GPU、NPU均属业界最强。

该款产品的问世实现5G+AI手机的升级,将率先为消费者提供卓越5G联接体验。值得一提的是,不同于一些企业的5G SoC PPT (发布而非商用),麒麟990系列芯片将在9月19日发布的华为Mate30系列上首发搭载。

其实,麒麟系列旗舰新品,每年会升级一次。这代麒麟990 5G是在2017年麒麟970商用时就着手投入设计。三年来,麒麟990 5G突破各类挑战,领先高通、三星、苹果、联发科等芯片设计企业发布并商用。

麒麟990 5G的影响巨大:一方面实现技术的重构,另一方面还带来产业的重构。在发布当天,长期负责芯片产品规划的华为Fellow艾伟表示,技术重构每年会发生一次,甚至可能每年发生好几次。但是产业结构的重构可能半个世纪发生一次。

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华为Fellow艾伟演讲

5G正是重构产业的一个重要标志技术。那么,麒麟990 5G在这场变革中到底扮演什么角色?凭什么成为业界最强的5G SoC?将给消费者怎样的极致应用体验?

成为最强5G SoC

5G发展进入快车道。韩国已发展超过250万5G用户,日本5G瞄准东京奥运会,英国规划今年建2000个5G站。中国三大运营商规划今年建设13万个5G基站,覆盖50个城市,理论上覆盖超过中国人口的三分之一。

但不可否认的是,今年5G商用还处于初期,由于网络覆盖不完善,5G还面临着弱信号场景联接不稳定、功耗较高、高速移动场景联接体验不佳等挑战,影响用户的上网体验。这些需要5G通过创新技术应对。

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麒麟990 5G之所以备受关注,是因为其是首个商用5G SoC芯片,提供业界领先5G速率和能效,提供5G极速体验。目前业界已有部分厂商推出了5G基带,但推出商用旗舰5G SoC的还没有,麒麟990 5G率先实现了。这带来几方面巨大的能力提升。

第一,速率快。评测手机芯片的通信能力关键看速率。据介绍,麒麟990 5G支持在Sub-6GHz频段下实现2.3Gbps峰值下载速率,1.25Gbps上行峰值速率。当然,近期也有三星等品牌,宣称自家芯片可以实现超过2.3Gbps的能力(三星2.55Gbps,联发科4.7Gbps)。这种说法不符合通信常识,被各方质疑。艾伟介绍,2.3Gbps是按照3GPP协议,5G单载波100M情况下标准定义的最高速率。

第二,通信能耗低。目前已有很多5G手机体验者,包括记者,都发现5G手机耗电更快。如何解决这个问题?一方面,麒麟990 5G是集成度更高的5G SoC,而非传统的4G SoC+5G基带的解决方案,功耗表现要优20%。另一方面,麒麟990 5G率先支持BWP(Bandwidth Part)技术,在5G大带宽条件下实现带宽资源的灵活切换,与业界主流旗舰芯片相比,5G功耗表现优44%。

第三,保持信号稳定。麒麟990 5G推出智能上行分流设计,在视频直播、短视频上传等应用场景同时使用5G和4G网络,上传速率提升5.8倍,优化5G上行体验,解决5G信号较弱场景下用户体验问题。而面向高速移动场景(比如高速公路、高铁、地铁等场景),麒麟990 5G支持基于机器学习的自适应接收机,实现更精准的信道测量,下行速率提升19%,实现稳定的5G联接。

第四,全网通SoC。麒麟990 5G支持SA/NSA,率先支持TDD/FDD全频段。4G时代,能够支持三大运营商2G、3G、4G网络的双卡双待手机,被称为全网通,得到消费者和产业的支持。到了5G时代,中国运营商依旧提出全网通需求。而5G全网通关键是多了SA/NSA。麒麟990 5G是业界首个5G全网通SoC,持续引领5G行业发展方向。

针对SA的价值,华为认为NSA只实现了超高带宽,只有SA才能更好地实现低时延和海量连接。而低时延和海量连接,正是整个行业实现数字化、智能化的必然需求。SA也符合国家政策。工信部此前也提出自2020年1月1日起,申请入网的5G终端需要同时支持SA和NSA。

综合来看,NSA是5G初期的过渡方案,成熟的5G解决方案必须具备同时支持SA和NSA的能力。目前,华为率先发布了支持SA和NSA的基带,此次又推出了支持SA和NSA的SoC,让麒麟990 5G成为最强5G SoC。

此外,我们还看到麒麟990 5G在围绕消费者真实需求做减法。比如,麒麟990 5G选择不支持毫米波频段。关注华为5G基带的人会知道,华为早在今年2月发布的巴龙巴龙5000基带上实现对毫米波的支持,也就是说华为完全有能力,但为何不支持?

艾伟介绍,业界没有看到毫米波大规模商用的工程,毫米波室外覆盖和室内覆盖有许多关键问题都没有解决,华为不认为毫米波短期会成为5G主流覆盖频率,所以这次麒麟990 5G不把毫米波作为主要场景。

对于为何推出两个版本的麒麟990芯片,艾伟指出,4G版本主要是面向海外市场,5G面向中国市场。未来5G发展速度主要看中国,因为只有中国这么庞大的用户基数才能让5G的设备种类更加丰富,让成本快速发生变化,实现5G应用更多的扩张。这也是人类移动通信技术第一次由中国来担负起探索者角色。

拥有安卓阵营最强CPU

除了通信能力,麒麟990 5G还是全球首个7nm+ EUV工艺制程的5G SoC,挑战了芯片设计极限。据了解,麒麟990 5G首次将5G基带集成到SoC上,板级面积相比业界其他方案小36%,在一颗指甲大小的芯片上集成了103亿晶体管,是目前晶体管数最多、功能最完整、复杂度最高的5G SoC。

要知道,上一代麒麟980集成了69亿晶体管,苹果去年推出的A12中集成了60亿个晶体管。可见麒麟990 5G集成度的巨大提升。

这里有必要提下7nm+ EUV技术(极紫外光刻,采用13.5nm长的极紫外光作为光源的光刻技术),其比7nm更加先进,可以让芯片上集成更多晶体管,延续摩尔定律。麒麟芯片早在2014年就开始EUV技术的储备,联合产业界合作伙伴,共同研发并促进EUV技术成熟;之后进行了大量EUV关键技术验证,打造出麒麟990 5G。

如此强大性能的芯片,功耗如何?要知道5G业务数据处理量大,对运行速率要求高,会带来更高的能耗。

据了解,麒麟990 5G采用2个大核(基于Cortex-A76开发)+2个中核(基于Cortex-A76开发)+4个小核(Cortex-A55)的三档能效架构,最高主频可达2.86GHz,与业界主流旗舰芯片相比,单核性能高10%,多核性能高9%。在能效方面,麒麟990针对不同大小的核精细调校,大核能效优12%,中核能效优35%,小核能效优15%,带来更快的手机应用打开速度,日常使用体验更加流畅。

也有人疑惑,麒麟990 5G为何不使用ARM今年推出的Cortex-A77。对此,余承东在接受外媒采访的时表示,A77能耗不够理想,所以继续选择在A76上优化,提升了主频,提升了能效。

搭载业界最强NPU+最强GPU

手机的AI能力,已经成为手机性能强大的关键。麒麟990 5G是首款采用华为自研达芬奇架构NPU的旗舰级芯片,创新设计NPU双大核+NPU微核计算架构,NPU大核展现卓越性能与能效,微核NPU实现超低功耗。

据华为方面介绍,在双大核NPU(Ascend Lite×2)加持下,麒麟990 5G实现业界最强AI算力,与业界其他旗舰AI芯片相比,性能优势高达6倍,能效优势高达8倍,持续刷新端侧AI的算力高点。

麒麟990 5G的AI算力经过业界第三方面的测试。无论是在业界典型的中载神经网络模型ResNet50(用于检测、分割和识别),还是在移动端更流行的轻载神经网络模型MobilenetV1(用于分类、检测、嵌入和分割)下,麒麟990 5G的FP16和int8性能和能效均达到业界最佳水平。

华为业界首发的NPU微核(Ascend Tiny)赋能超低功耗应用,在人脸识别的应用场景下,NPU微核比大核能效最高可提升24倍,让AI运算更省电。

麒麟990 5G的AI强劲算力让以前很多无法实现的应用得以实现。余承东在演讲中展示了一个有趣的演示:麒麟990 5G使能AI多人实时换背景,通过先进的AI多实例分割技术,能够将视频画面中的每一个人物主体单独识别出来,实现多人物视频拍摄替换背景,甚至可以选择画面中需要保留的人物。

据悉,麒麟990 5G将为HiAI 2.0开放平台注入新的能量,比如提供业界最多支持300+算子,还为开发者提供更强大的工具链,探索AI+5G应用的无限可能。

在GPU方面,针对GPU在运行重载游戏、播放高清视频等高负载场景下容易出现的发热、掉帧、卡顿等问题,麒麟990 5G搭载16核Mali-G76 GPU,与业界主流旗舰芯片相比,图形处理性能高6%,能效优20%,实现业界领先的性能与能效。

麒麟990 5G还采用全新系统级Smart Cache分流,支持智能分配DDR数据,在重载游戏等大带宽场景下带宽较上一代最高可节省15%,功耗可降低12%,进一步提升GPU能效。

针对游戏场景,麒麟990 5G推出Kirin Gaming+ 2.0,基于性能、能效强大的CPU、GPU与DDR芯片,Kirin Gaming+ 2.0推出高性能、高能效、高画质游戏解决方案,实现业界顶级游戏体验。

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全新升级ISP 5.0

当前,越来越多人随手手机拍摄并剪辑短视频,通过抖音或Vlog分享自己的生活。他们追求手机视频的拍摄效果,追求与手机修图一样简单又智能的视频处理能力。

对此需求,麒麟990 5G采用全新ISP 5.0,吞吐率提升15%,能效提升15%,全面优化视频处理能力。“手机拍摄首先要能够先看清楚,我们在拍摄、传感器降噪方面都实现很大进步。”艾伟表示,针对视频单独增加了视频处理通道,让视频每一帧都有机会处理。

在夜晚、光线较弱的暗光环境下,视频拍摄出现的噪点非常影响成像质量。此次,麒麟990 5G全球首发双域联合视频降噪技术,让视频降噪能力提升20%,暗光环境下拍摄的视频更加清晰。

同时,手机在暗光场景下的拍照能力也始终是用户关注的焦点。麒麟990 5G首次在手机芯片上实现BM3D(Block-Matching and 3D filtering)单反级硬件降噪技术,首次将单反级的图像处理能力应用在手机上,照片降噪能力提升30%,让手机大片越夜越美丽。

基于ISP的能力升级,麒麟990 5G支持全新炫酷Face AR。通过从摄像头捕获的人脸图像数据和基于NPU运行的神经网络算法,Face AR能够对人脸进行建模、实时跟踪、表情捕获,并且可以进一步分析出人脸信息背后的诸如心率、呼吸率等健康数据,提供围绕人脸的丰富的AR增强现实体验,探索AR应用的更多可能。

麒麟990 5G是如何炼成的

其实,就华为在芯片领域不断取得领先的原因,华为轮值董事长徐直军在近期接受记者采访时表示,华为研发投入大、决策快。

的确如此,华为麒麟990 5G在诞生前,华为就已经在通信基带方面持续耕耘多年,持续压强式投入。巴龙基带品牌是比麒麟系列芯片要更早的品牌。华为从2007年开始发力,到2009年实现第一代产品巴龙210出货。

到2012年,华为推出的巴龙710,实现150Mbps下载峰值速率。这是一个标杆性的产品,代表LTE时代到来,也比高通领先了一年。之后,华为陆续推出了巴龙720、巴龙750、巴龙765、2018年初发布巴龙5G01以及2019年2月发布巴龙5000,每一代产品都给业界带来很多价值。

在SoC方面,华为也陆续推出麒麟910、麒麟920、麒麟930、麒麟950、麒麟960、麒麟970、麒麟980处理器,从28nm制程工艺一直进化到7nm,实现GPU、ISP图形处理的不断升级,在与高通竞争中,带给手机消费者更出色的应用使用体验。

而在端侧AI方面,2017年,麒麟970在业内首次采用独立NPU神经网络处理单元,开创端侧人工智能的行业先河。2018年,麒麟980搭载双核NPU实现领先的AI算力,带来AI人像留色、卡路里识别等一系列创新AI体验。2019年,全新高端系列麒麟810更是首次采用华为自研达芬奇架构NPU,打破端侧AI性能纪录。

可见,华为一旦瞄准方向,就迅速投入。而通过持续的投入,华为芯片技术厚积薄发,得以推出业界最强5G SoC麒麟990,引领产业发展。艾伟表示,每一代芯片华为必须要竭尽全力,用尽可能找到全部创新技术。所以保证下一代芯片技术,一定是上一代芯片没有的。

在最后,记者想说,5G商用刚起步,5G发展不仅需要芯片产业链巨头投入更多人力财力,还需要各方开放合作,一起降低5G终端成本,加速5G规模商用,造福整个人类社会的发展。


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