近日，備受爭議的小米首款旗艦SoC玄戒O1在正式發(fā)布之后，依然是爭議不斷。新的質(zhì)疑稱，玄戒O1并不是小米自研的，而是由Arm公司為小米定制的。
起因是，Arm官網(wǎng)近日發(fā)布了一篇題為《XRING O1 Custom Silicon from Xiaomi is Powered by the Arm Compute Platform》的新聞稿（已刪除），常規(guī)翻譯過來的意思就是“小米的XRING O1定制芯片由Arm計(jì)算平臺(tái)提供支持”，并稱這“標(biāo)志著小米與Arm合作15年，小米的第一個(gè)定制芯片為下一代設(shè)備帶來了先進(jìn)的AI和性能提升。”
于是乎很多的網(wǎng)友質(zhì)疑玄戒O1并不是購買了Arm的IP來自己研發(fā)設(shè)計(jì)的，而是由Arm基于其CSS for Client（面向客戶端的 Arm 計(jì)算子系統(tǒng) ）為小米定制的。
那么，事實(shí)究竟如何呢？下面芯智訊就結(jié)合已有的公開信息和我們通過采訪了解到的相關(guān)信息來解讀一下：
一、什么是“Custom Silicon”？
雖然Arm官網(wǎng)發(fā)布的關(guān)于小米玄戒O1的文章當(dāng)中用了“Custom Silicon”這個(gè)英文詞組，按照字面意思似乎是“定制芯片”，然而實(shí)際上，在半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)中，“Custom Silicon”指的是“高度自定義的芯片”。這一點(diǎn)Arm在其官網(wǎng)上其實(shí)就有介紹。
“Custom Silicon”是指：“專為特定應(yīng)用或用戶設(shè)計(jì)的集成電路 (ASIC)。與為現(xiàn)成通用目的而生產(chǎn)的傳統(tǒng)芯片不同，Custom Silicon 經(jīng)過優(yōu)化，可滿足獨(dú)特的性能、功耗和功能要求。
通用芯片提供的配置選項(xiàng)有限，例如 CPU 核心數(shù)量和功耗設(shè)置，而“Custom Silicon”則允許更深入的定制，例如 I/O 功能、內(nèi)存接口和特定工作負(fù)載的加速器。這種定制可以根據(jù)特定用例提升性能和效率。”
△圖片來源：https://www.arm.com/glossary/custom-silicon
Arm還進(jìn)一步指出，相對于架構(gòu)是固定的，并適用于更通用應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)芯片設(shè)計(jì)來說，“Custom Silicon”允許設(shè)計(jì)人員針對特定工作負(fù)載優(yōu)化芯片的各個(gè)方面，包括內(nèi)存、電源管理和處理速度進(jìn)行優(yōu)化。
此外，與通用的標(biāo)準(zhǔn)芯片相比，“Custom Silicon”能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)更高的性能、更低的功耗、更佳的功能集成度和更強(qiáng)的安全性。能夠根據(jù)特定需求定制芯片設(shè)計(jì)，為企業(yè)帶來競爭優(yōu)勢。
Arm還舉例稱，亞馬遜自研的 AWS Graviton 處理器就是專為云計(jì)算打造的“Custom Silicon”，具有優(yōu)化的內(nèi)存加密和能效。另一個(gè)例子是亞馬遜的 AWS Nitro DPU，它也是“Custom Silicon”，能夠更高效地處理存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和安全問題。
△圖片來源：https://www.arm.com/glossary/custom-silicon
亞馬遜云科技也在其官網(wǎng)上對于Graviton 處理器介紹中指出，“它（Graviton處理器）是亞馬遜云科技基于Arm針對云計(jì)算優(yōu)化 Neoverse（Arm面向服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心端的IP核） 系列架構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合亞馬遜云科技用戶使用經(jīng)驗(yàn)從業(yè)務(wù)負(fù)載角度做了定制和優(yōu)化。”
△截圖來源：https://aws.amazon.com/cn/campaigns/graviton/
顯然，從Arm官方和亞馬遜官方的介紹來看，作為“Custom Silicon”的AWS Graviton 處理器并不是Arm來為亞馬遜定制的處理器，而是亞馬遜基于Arm提供的面向數(shù)據(jù)中心的Neoverse系列IP核設(shè)計(jì)，結(jié)合了亞馬遜用戶需求來定制和優(yōu)化的一款處理器。
同理，小米玄戒O1作為一款“Custom Silicon”也只是基于Arm提供的面向移動(dòng)終端的處理器IP設(shè)計(jì)，然后結(jié)合了小米面向自身客戶需求進(jìn)行了一些列的定制和優(yōu)化的一款處理器。
二、Arm的商業(yè)模式是什么？是否提供芯片定制服務(wù)？
Arm公司是一家半導(dǎo)體IP設(shè)計(jì)公司，其本身不制造、也不銷售任何實(shí)物芯片，只是設(shè)計(jì)自己的半導(dǎo)體IP，并通過將其授權(quán)給客戶來獲得收入。這些IP包括指令集架構(gòu)、微處理器、圖形核心、NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器）核心、互連架構(gòu)等等。
具體來說，Arm業(yè)務(wù)主要有四大類：
1、指令集架構(gòu)授權(quán)（Architectural License）：客戶可基于Arm指令集自主設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)，比如蘋果、高通、華為。
2、IP核授權(quán)（IP Core License）：客戶直接使用Arm設(shè)計(jì)好的IP內(nèi)核，比如Cortex-A系列CPU內(nèi)核、Mali系列GPU內(nèi)核、Ethos系列NPU內(nèi)核。
3、計(jì)算子系統(tǒng)（CSS）許可包。
4、技術(shù)咨詢服務(wù)。
IP核授權(quán)主要包含兩種類型：
一種是軟核授權(quán)，提供寄存器傳輸級（RTL）源代碼，客戶可進(jìn)行代碼級的單元測試，可以自行完成邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)；
另一種則是硬核授權(quán)，即該內(nèi)核IP是已經(jīng)完成了晶體管的布局布線的物理版圖，并且與相關(guān)晶圓廠的特定制造工藝進(jìn)行了綁定，是經(jīng)過優(yōu)化驗(yàn)證的，通常以 GDSII 文件或等效文件的形式提供給客戶。雖然，客戶無法對其進(jìn)行修改，但可以直接拿來集成到自己的SoC設(shè)計(jì)當(dāng)中，并交由代工廠制造，可以大幅縮短開發(fā)周期，風(fēng)險(xiǎn)也較低。
IP授權(quán)收費(fèi)模式
IP授權(quán)主要分為前期授權(quán)費(fèi)，以及根據(jù)每顆芯片的售價(jià)按比例收抽取版稅（royalty）。指令集授權(quán)則是一次性買斷。
那么，Arm是否有芯片定制服務(wù)呢？
嚴(yán)格來說，Arm并沒有對外提供芯片定制服務(wù)，因?yàn)閷τ谝豢钚酒瑏碚f，光有CPU/GPU等核心IP是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而且，Arm作為一家上市公司來說，也從未在財(cái)報(bào)當(dāng)中披露其有給客戶專門定制SoC的服務(wù)。
實(shí)際上，半導(dǎo)體行業(yè)有很多專門為客戶提供芯片定制服務(wù)的企業(yè)，比如創(chuàng)意電子、世芯、博通、Marvell、芯原股份等，其中一個(gè)關(guān)鍵因素在于，他們手中都擁有豐富的半導(dǎo)體IP和芯片設(shè)計(jì)和流片經(jīng)驗(yàn)，以及能夠拿到很多晶圓廠端的資源支持。
而據(jù)芯智訊了解，目前能從臺(tái)積電拿到產(chǎn)能支持的后端芯片設(shè)計(jì)服務(wù)廠商就只有創(chuàng)意電子、世芯、博通和Marvell四家公司。
當(dāng)然，Arm也希望針對客戶的需求來發(fā)展類似半定制化的IP整合包服務(wù)，即提供Arm計(jì)算子系統(tǒng)（CSS）平臺(tái)，甚至是有計(jì)劃自研芯片來直接銷售給客戶。
在2024年12月，Arm與高通的關(guān)于技術(shù)授權(quán)問題的訴訟庭審當(dāng)中，高通就指控稱，Arm正在為客戶端和數(shù)據(jù)中心處理器以及其他用例提供Arm計(jì)算子系統(tǒng)（CSS），存在與客戶競爭的嫌疑。
同時(shí)，高通的法律團(tuán)隊(duì)出示了Arm 首席執(zhí)行官 René Haas為 Arm 董事會(huì)準(zhǔn)備的一份文件，表明Arm還在考慮設(shè)計(jì)自己的芯片直接提供給客戶，這將使其成為包括高通在內(nèi)的客戶的主要競爭對手。
René Haas則駁斥了這些說法，稱雖然 Arm 正在探索各種商機(jī)，但Arm不制造芯片，也從未涉足過這個(gè)行業(yè)。
不過，今年2月，英國《金融時(shí)報(bào)》爆料稱，Arm正在開發(fā)自己的芯片，首款自研芯片快會(huì)在今年夏天推出，將由臺(tái)積電代工，Meta可能將會(huì)成為首批客戶之一。
所以，實(shí)際上目前Arm并沒有對外提供定制芯片服務(wù)，而Arm計(jì)算子系統(tǒng)（CSS）也并不是給客戶定制的，而是將Arm現(xiàn)有的CPU等IP整合成一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)來進(jìn)行銷售。
三、什么是Arm CSS？
Arm CSS全稱是計(jì)算子系統(tǒng)（Compute Subsystem），早是在2023年針對Arm Neoverse 基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品推出的計(jì)算子系統(tǒng) (CSS) ，首款產(chǎn)品是 Arm Neoverse CSS N2。
根據(jù)當(dāng)時(shí)的Arm產(chǎn)品管理高級總監(jiān) Jeff Defilippi介紹，所謂的Neoverse CSS實(shí)際上是Arm Neoverse系列多核設(shè)計(jì)，包括了將CPU、互連、虛擬化 IP 要求等整合在一起，進(jìn)行驗(yàn)證，并將其作為生產(chǎn)就緒的 RTL 可交付成果交付給客戶。
除了 RTL 之外，Arm還提供與之相關(guān)的額外的實(shí)現(xiàn)包、平面圖、實(shí)現(xiàn)腳本以及達(dá)到該性能所需的物理 IP 庫以及設(shè)計(jì)所需的功耗范圍，以及完整的軟件參考堆棧。
根據(jù)Jeff Defilippi當(dāng)時(shí)的說法，客戶通過使用Arm提供的CSS包來進(jìn)行芯片開發(fā)，與使用普通 IP 許可證來進(jìn)行開發(fā)相比，可以節(jié)省80個(gè)工程師一年時(shí)間的開發(fā)。而且保留了相當(dāng)?shù)淖杂啥取＃☉?yīng)該是指也可以軟核交付，客戶可以進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)）
顯然，Arm CSS并不是以交鑰匙的方式去幫助客戶直接定制芯片，而是為客戶提供了多核集群的系統(tǒng)級解決方案，客戶不需要再購買單獨(dú)的購買不同類型的IP核來進(jìn)行多核集群的系統(tǒng)搭建，可以直接選擇Arm的CSS包來進(jìn)行開發(fā)，并且客戶還能在這個(gè)基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行定制開發(fā)自己的SoC。
而Arm高管關(guān)于采用CSS平臺(tái)研發(fā)比普通IP許可研發(fā)方式“可以節(jié)省80個(gè)工程師一年時(shí)間的開發(fā)”的說法也印證了這一點(diǎn)。
因?yàn)椋豢钇炫炇謾C(jī)SoC的研發(fā)至少需要接近1000人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過兩三年的研發(fā)，如果使用Arm CSS平臺(tái)只是能節(jié)省80個(gè)工程師一年的工作量，怎么能將該芯片稱之為完全是交由Arm定制的呢？更何況一款旗艦SoC當(dāng)中，除了CPU/GPU之外，還有很多其他的功能模塊。
Arm的Neoverse CSS解決方案在服務(wù)器市場獲得成功之后，在2024年5月底，Arm正式發(fā)布了首款面向智能手機(jī)和PC等終端產(chǎn)品的 Arm 計(jì)算子系統(tǒng) —— Arm CSS for Client。
根據(jù)Arm官網(wǎng)的介紹，Arm CSS for Client整合了新的 Armv9.2 指令集的 CPU 集群，包括高性能的 Cortex-X925 CPU、高效的 Cortex-A725 CPU、更新后的 Arm Cortex-A520 CPU，以及性能高、效率高的 GPU——Arm Immortalis-G925 GPU 等，并通過Arm CoreLink CI-700進(jìn)行互聯(lián)。
同時(shí)，Arm CSS for Client還引入了在3nm上優(yōu)化的生產(chǎn)就緒、硬化的CPU和GPU核心實(shí)現(xiàn)。這些可在多個(gè)晶圓代工使用，提供了大的靈活性。CSS for Client還可使用CSS RTL改進(jìn)在3nm芯片上提供一流的PPA。
總結(jié)來說就是，Arm CSS for Client是一個(gè)整合了Arm新的X925超大核、X725大核、A520能效核和G925 GPU核心及互聯(lián)多核解決方案包，并且該解決方案是經(jīng)過各晶圓廠3nm制程優(yōu)化驗(yàn)證的，可以直接提供硬核交付。
值得一提的是，Arm在2024年宣布推出Arm CSS for Client的新聞稿中，聯(lián)發(fā)科技資深副總經(jīng)理、無線通信事業(yè)部總經(jīng)理徐敬全博士當(dāng)時(shí)就表示，“天璣 9400將搭載新的Armv9 Cortex-X925 CPU 和 Arm Immortalis-G925 GPU客戶端解決方案。我們與 Arm 保持著長期而緊密的合作關(guān)系，致力于不斷提升移動(dòng)芯片的性能和功能，共同推動(dòng)計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展。”
同時(shí)，vivo首席芯片規(guī)劃專家夏曉菲也表示：“vivo 非常注重用戶體驗(yàn)，在 Arm CSS 的技術(shù)基礎(chǔ)之上，我們與 Arm 的密切合作，共同推動(dòng)開發(fā)者生態(tài)，使手機(jī)更流暢更好用，同時(shí)也為設(shè)備端帶來了前沿的 AI 體驗(yàn)。……”
隨后，vivo X200 系列旗艦級首發(fā)搭載了聯(lián)發(fā)科的天璣9400。
那么，聯(lián)發(fā)科天璣9400是否是采用了Arm CSS for Client解決方案呢？
Arm在2025年2月5日發(fā)布的“2025財(cái)年第三季度電話財(cái)報(bào)會(huì)議”記錄當(dāng)中就有明確提到，“天璣9400 SoC基于我們的CSS for Client，其中包括Arm Cortex-X925 CPU和Immortalis-G925 GPU。”
△來源：https://investors.arm.com/static-files/f1190d81-408d-4276-a30c-b27c1ce5a30a
顯然，聯(lián)發(fā)科天璣9400就是基于Arm CSS for Client平臺(tái)打造的，所以其X925大核也是基于Arm公布的3.6GHz標(biāo)準(zhǔn)主頻。
那么，天璣9400是Arm給聯(lián)發(fā)科定制的芯片嗎？顯然不是！
而且，Arm還指出，“芯片復(fù)雜性的增加正在推動(dòng)頂級超大規(guī)模制造商在新的Armv9和CSS上‘Custom Silicon’（面向自己的用戶需求自定義芯片）。我們正在通過AWS Graviton、微軟Cobalt、谷歌Axion和英偉達(dá)基于基Arm技術(shù)的Grace芯片在數(shù)據(jù)中心獲得份額。”
顯然，AWS Graviton、微軟Cobalt、谷歌Axion和英偉達(dá)Grace CPU也都被Arm定義為“Custom Silicon”。這些芯片也并不是Arm為他們定制的，而是他們基于Arm的IP來自己設(shè)計(jì)的。
值得一提的是，網(wǎng)上也有不少網(wǎng)友認(rèn)為，小米玄戒O1可能是基于“Arm Total Design”（Arm全面設(shè)計(jì)）項(xiàng)目推出的。
這里需要指出的是，Arm Total Design實(shí)際上是為了助力 Arm 服務(wù)器 CPU 廠商的芯片設(shè)計(jì)而推出的。
2023 年 10 月，Arm整合了特殊應(yīng)用 IC (ASIC) 設(shè)計(jì)公司、IP 供應(yīng)商、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具供應(yīng)商、晶圓廠與固件開發(fā)商等業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)資源，推出了Arm Total Design，主要是致力于加速并簡化面向數(shù)據(jù)中心的 Neoverse CSS 構(gòu)架系統(tǒng)的開發(fā)，協(xié)助各方進(jìn)行創(chuàng)新、加速產(chǎn)品上市時(shí)程，并降低打造客制化芯片所需的成本與阻力。
簡單來說，Arm Total Design為了助力亞馬遜、谷歌、微軟等云廠商加快自己的Arm服務(wù)器CPU設(shè)計(jì)，不僅提供Arm Neoverse CSS解決方案，而且還整合了他們可能會(huì)需要的芯片設(shè)計(jì)服務(wù)公司、IP供應(yīng)商、EDA工具商、晶圓廠等相關(guān)的資源。但是這也并不是Arm來為客戶提供一站式的芯片設(shè)計(jì)服務(wù)。
2024年 6 月，聯(lián)發(fā)科就有宣布加入Arm Total Design生態(tài)項(xiàng)目，這也引發(fā)了當(dāng)時(shí)關(guān)于聯(lián)發(fā)科可能將進(jìn)軍數(shù)據(jù)中心市場的相關(guān)報(bào)道。
另外，可以明確的一點(diǎn)是，Arm Total Design至今都是圍繞著數(shù)據(jù)中心市場，根本沒有面向智能手機(jī)/PC等客戶端市場推出。所以，小米也不可能因?yàn)樵O(shè)計(jì)手機(jī)芯片玄戒O1而加入面向數(shù)據(jù)中心的Arm Total Design項(xiàng)目。
四、小米玄戒O1是否基于Arm CSS for Client？
從玄戒O1所采用的3nm制程以及2個(gè)Cortex-X925超大核、4個(gè)Cortex-A725大核、2個(gè)Cortex-A725能效大核、2個(gè)Cortex-A520能效小核，以及G925 GPU核心的集群組合來看，確實(shí)有可能是采用了Arm CSS for Client解決方案。
不過，據(jù)安謀科技的人向芯智訊透露，據(jù)其了解，小米玄戒O1并不是基于Arm CSS for Client平臺(tái)方案。
芯智訊也聯(lián)系了小米集團(tuán)副總裁、玄戒負(fù)責(zé)人朱丹進(jìn)行求證，對方表示，小米是買的Arm IP軟核授權(quán)，“CPU/GPU多核及訪存的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)完全由小米自主研發(fā)，后端設(shè)計(jì)也是完全由小米自主研發(fā)，并非是基于Arm CSS軟核或硬核方案。”
這里有必要介紹一下一款芯片的設(shè)計(jì)流程，主要可以分為前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。
前端設(shè)計(jì)主要包括：
1、規(guī)格與功能定義：確定芯片需要什么樣的性能、要做到什么樣的功耗、成本需要控制在多少等；
2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)：確定芯片架構(gòu)、業(yè)務(wù)模塊、供電等系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，比如用什么IP、多個(gè)核心、多個(gè)叢集、配置多少緩存、怎么互聯(lián)等；
3、代碼描述：將芯片的具體電路進(jìn)行RTL級別的代碼描述；
4、邏輯綜合：將所設(shè)計(jì)數(shù)字電路的高抽象級描述，經(jīng)過布爾函數(shù)化簡、優(yōu)化后，轉(zhuǎn)換到邏輯門級別的電路連線網(wǎng)表的過程，以確保電路在面積、時(shí)序等目標(biāo)參數(shù)上達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；
5、仿真驗(yàn)證：利用計(jì)算機(jī)軟件、模型和算法來模擬和分析電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
顯然，對于玄戒O1來說，前端設(shè)計(jì)主要是在完成對于芯片的規(guī)格和功能定義之后，對于Arm IP以及自研或第三方IP的選擇，拿到對應(yīng)的RTL之后，再進(jìn)行邏輯綜合并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。這部分的工作量其實(shí)并不太大，更大的工作量實(shí)際都集中在后端設(shè)計(jì)上。
后端設(shè)計(jì)主要包括：
按照既定的目標(biāo)PPACR(Power、Performance、Area、Cost、Reliability)的限制，借助EDA在硅片面積內(nèi)，對電路進(jìn)行布局/(FloorPlan&Place)、布線（Routing)以及時(shí)鐘樹綜合(CTS)，將門級網(wǎng)表轉(zhuǎn)化為GDS(Geometry Data Standard)物理版圖。
此后進(jìn)行簽核驗(yàn)證，對布線后的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的全面驗(yàn)證，如設(shè)計(jì)規(guī)則查驗(yàn)(Design Rule Check)、版圖和電路比對(Layout Versus Schematic) 、時(shí)序靜態(tài)分析(Static Timing Analysis , STA)、功耗分析（Power Analysis)等，確保終物理版圖滿足設(shè)計(jì)需求。
需要指出的是，后端設(shè)計(jì)同樣是不斷迭代的過程，仿真驗(yàn)證不滿足要求，同樣需重復(fù)前序流程。仿真驗(yàn)證沒有問題之后，才會(huì)進(jìn)行流片。
五、玄戒O1究竟做了哪些關(guān)鍵自研工作？
正如前面所介紹的那樣，如果小米玄戒O1采用了Arm CSS for Client的硬化IP，那么就等于是省去了整個(gè)核心的CPU計(jì)算集群很多后端設(shè)計(jì)工作，雖然可以縮短開發(fā)周期，并降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，但是也就無法對整個(gè)核心的CPU計(jì)算集群進(jìn)行修改或加入自研的技術(shù)，以進(jìn)一步提升性能和功耗表現(xiàn)。
1、三大自研技術(shù)提升至3.9GHz主頻
Arm在發(fā)布Cortex-X925超大核時(shí)公布的信息是，該CPU內(nèi)核主頻高可達(dá)3.8GHz（常規(guī)為3.6GHz），而玄戒O1公布的Cortex-X925超大核之則實(shí)現(xiàn)高達(dá)3.9GHz的主頻，這正是得益于小米自研的邊緣供電技術(shù)、自研標(biāo)準(zhǔn)單元(StdCell)和自研高速寄存器的加持。
據(jù)朱丹向芯智訊介紹，傳統(tǒng)芯片的超大核采用MTCMOS方式供電，邏輯計(jì)算單元周圍分布著錯(cuò)綜復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)，成千上萬的供電單元散布在邏輯計(jì)算單元中間，導(dǎo)致邏輯計(jì)算單元之間的距離疏遠(yuǎn)。
通俗來說，從邏輯計(jì)算單元A到邏輯計(jì)算單元B，需要繞路。而玄戒O1在X925超大核上設(shè)計(jì)了全新的邊緣供電技術(shù)，將供電單元統(tǒng)一集中到超大核兩側(cè)，再通過立體空間組網(wǎng)供電的方式，實(shí)現(xiàn)了電源的均流。
這樣核心內(nèi)部的邏輯計(jì)算單元就更加致密，相互之間的物理距離更近，在保證高質(zhì)量電源供給的前提下，時(shí)鐘速度可以得到提升。
同時(shí)，小米為了實(shí)現(xiàn)玄戒O1的性能指標(biāo)，在晶圓廠基于3nm工藝提供的1500多種各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)Cell（門級電路是有多個(gè)晶體管組成的，而Cell是由門級電路組成的具備基礎(chǔ)功能的小單元）基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了480多種組合邏輯和時(shí)序邏輯單元，并且應(yīng)用在了CPU內(nèi)部關(guān)鍵的路徑上，這也是讓玄戒O1的超大核頻率能夠提升到3.9GHz的關(guān)鍵。
此外，小米芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對不滿足性能條件的關(guān)鍵路徑，逐條打開，調(diào)整寄存器內(nèi)部兩級鎖存器(Latch)的工作邏輯，調(diào)整兩級Latch 的時(shí)鐘延遲，讓前一級路徑時(shí)序 margin更大，同時(shí)不影響下一級路徑時(shí)序。通過小米自研的全新的高速寄存器，將不滿足3.9GHz(256皮秒)的1000條關(guān)鍵路徑進(jìn)行提速，終讓玄戒O1的超大核主頻得以提高至3.9GHz。
2、超低功耗設(shè)計(jì)
除了利用自研技術(shù)提升玄戒O1的CPU性能之外，小米還在改進(jìn)玄戒O1的能效表現(xiàn)上下了非常大的功夫。
根據(jù)小米披露的信息來看，玄戒O1的四個(gè)A725性能大核在持續(xù)高性能的情況下，其功耗表現(xiàn)是優(yōu)于同樣是3nm的蘋果A18 Pro大核；同樣，玄戒O1的2個(gè)低功耗A725核心+2個(gè)A520核心在能效表現(xiàn)上也優(yōu)于蘋果A18 Pro的能效核。
首先，在CPU集群設(shè)計(jì)上，玄戒O1并沒有采用常見的“2+4+2”的三叢集設(shè)計(jì)，而是采用了“2+4+2+2”的組合，其中2顆A520+2顆低主頻的A725形成4核雙能效叢集，相比傳統(tǒng)的“2+4+2”三叢集設(shè)計(jì)，各場景功耗降低了2%-6%。
其次，小米芯片團(tuán)隊(duì)還針對玄戒O1整個(gè)SoC全局進(jìn)行4級低功耗系統(tǒng)劃分，玄戒O1可以根據(jù)用戶的使用狀態(tài)，在Level 0 到Level 3四種狀態(tài)自由切換，通過90+電源域分區(qū)控制，各個(gè)模塊非用即關(guān)，可以大大降低了日常使用中因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的功耗浪費(fèi)。
第三，眾所周知，對于芯片來說，工作電壓越低，功耗就越低，但是電壓過低又會(huì)影響性能。
所以，找到不同CPU內(nèi)核的電壓和能效的平衡點(diǎn)，則是優(yōu)化功耗的一個(gè)關(guān)鍵手段。對此，玄戒O1對CPU每個(gè)核心的每一個(gè)頻點(diǎn)，都進(jìn)行了系統(tǒng)化的VF掃頻，在固定電壓(V)下，尋找到能效高的頻率點(diǎn)位(Freq)。而掃頻的過程，需要貫穿前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)，不斷仿真驗(yàn)證進(jìn)行迭代。
據(jù)了解，玄戒O1經(jīng)過998種方案迭代，才固定了能效優(yōu)的物理電路版圖，將CPU的每一個(gè)核心做到了極致，讓每一個(gè)點(diǎn)位都找到能效高的頻率值，能效曲線表現(xiàn)更優(yōu)，在相同性能下電壓更低，A725和A520核心下探到0.5V的超低工作電壓。
第四，小米芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)為了進(jìn)一步降低工作電壓，還在玄戒O1內(nèi)部集成了25個(gè)性能傳感器和22個(gè)溫度傳感器，可精準(zhǔn)感知芯片內(nèi)部不同區(qū)域、不同子系統(tǒng)的局部體質(zhì)差異，在滿足性能的前提下，進(jìn)一步降低工作電壓，終讓0.5V的低工作電壓，進(jìn)一步下探到0.46V，據(jù)說是做到了行業(yè)低。這也成就了玄戒O1在保持高性能下，出色的低功耗表現(xiàn)。
3、軟硬深度協(xié)同的性能調(diào)度設(shè)計(jì)
由于玄戒O1采用的是“2+4+2+2”的四叢集CPU設(shè)計(jì)，這也意味著要想用好這個(gè)四叢集CPU，就必須要做到針對不同的需求場景能夠?qū)崿F(xiàn)快速的優(yōu)的調(diào)度，比如選擇合適的CPU內(nèi)核，并選擇合適的工作電壓和工作頻率，否則就容易出現(xiàn)不必要的CPU計(jì)算資源的浪費(fèi)或者計(jì)算資源不足而導(dǎo)致的卡頓。
而傳統(tǒng)的CPU調(diào)度大多是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，并且也是由CPU來運(yùn)行軟件調(diào)度算法，這就造成了CPU既要執(zhí)行當(dāng)前的任務(wù)，還要分心來做額外的調(diào)度計(jì)算，不僅會(huì)帶來延遲，還可能降低調(diào)度的精準(zhǔn)度，因?yàn)轭~外的調(diào)度計(jì)算本身也會(huì)被系統(tǒng)識別為工作負(fù)載。
為了解決這個(gè)問題，玄戒O1在CPU內(nèi)部全新設(shè)計(jì)了獨(dú)立的硬件級的微控單元，專門進(jìn)行調(diào)度計(jì)算。不僅能夠精準(zhǔn)地監(jiān)控SoC的負(fù)載狀態(tài)，而且無需CPU計(jì)算，從而以更低的性能開銷，快速調(diào)頻，讓CPU調(diào)度延遲從16ms降低至2ms。
此外，面對游戲等固定周期的場景，小米芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)還為玄戒O1還帶來了更精準(zhǔn)的聯(lián)合一體化調(diào)頻措施。
傳統(tǒng)SoC的調(diào)頻措施采用的是“試錯(cuò)式調(diào)頻”，比如性能不足時(shí)，就提高頻頻，性能過剩了再降低頻率，頻率降多了出現(xiàn)卡頓，然后又再提高頻率。這也意味著這種傳統(tǒng)的SoC調(diào)頻措施很容易出現(xiàn)計(jì)算資源的浪費(fèi)，導(dǎo)致功耗的增加。
對此，由于小米芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)此前通過掃頻的方式，掌握了每個(gè)核心的每個(gè)工作頻率點(diǎn)位下的功耗表現(xiàn)，因此可以保證性能的前提下，一次性一體化調(diào)整各關(guān)鍵器件(CPU、GPU、L3、DDR、MainBus)的頻率，獲得“滿足性能需求同時(shí)功耗低”的SoC各單元的頻點(diǎn)組合，找到全局優(yōu)解。
4、超大緩存設(shè)計(jì)
玄戒O1在CPU內(nèi)部配備了超大容量多級緩存。其中，在二級緩存上，每個(gè)X925核心配備2MB L2緩存，每個(gè)A725核心均配備1MB L2緩存，A520核心共享512KB L2緩存，共計(jì)10.5MB L2緩存，并且還配備了16MB L3緩存，使得整個(gè)CPU的緩存容量達(dá)到了26.6MB。
作為對比，聯(lián)發(fā)科天璣9400的L2緩存總計(jì)為7MB，L3緩存為12MB；高通驍龍8至尊版則配備24MB L2緩存（沒有L3緩存）。
玄戒O1憑借充足的緩存可以高效存儲(chǔ)高頻數(shù)據(jù)，降低核心訪問DDR讀取數(shù)據(jù)的次數(shù)，從而提升核心間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率、提升終用戶體驗(yàn)，降低功耗。但是這樣做的代價(jià)是大緩存會(huì)提升成本并占據(jù)較大的面積，以玄戒O1的L3緩存面積為例，其甚至超過兩顆X925核心的面積之和。
△玄戒O1與其他旗艦手機(jī)SoC的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖對比
這似乎也可以解釋，同樣臺(tái)積電N3E制程的加持下，未集成基帶的玄戒O1的晶體管數(shù)量（190億顆）比集成了5G基帶的天璣9400的291億顆晶體管少了34.7%，而面積卻只少了13.5%。
5、自研第四代ISP技術(shù)
小米早在2019年就開始了自研ISP（圖像信號處理器）芯片的研發(fā)。2021年3月底，小米首款自研ISP芯片澎湃C1正式推出并商用。隨后，小米自研ISP芯片又持續(xù)迭代，今年年初發(fā)布的小米15 Ultra就集成了澎湃C3芯片。
玄戒O1則進(jìn)一步集成了小米自研的第四代ISP技術(shù)，采用全新的三段式ISP處理管線(Pipeline)設(shè)計(jì)，相對于行業(yè)常規(guī)的兩段式處理管線設(shè)計(jì)，能夠有效提升ISP處理管線的靈活性，便于更多影像算法的Raw域遷移，對Raw域原始數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，帶來高速高畫質(zhì)的影像體驗(yàn)。
此外，三段式設(shè)計(jì)，同樣利于降低ISP功耗，降低對整個(gè)芯片的面積占用。相機(jī)CMOS傳感器的速度遠(yuǎn)快于ISP，將一級流水和二級流水?dāng)嚅_，一方面能夠保持一級流水的高速高頻狀態(tài)，用以匹配CMOS。
而斷開的二級流水和三級流水都可以同相機(jī)CMOS的時(shí)序解耦，避免整個(gè)ISP的處理管線都處于高頻高速狀態(tài)，降低功耗。同時(shí)二三級流水更「低速」就意味著面積更加小巧，玄戒O1的ISP面積僅為傳統(tǒng)旗艦芯片的60%。
在性能上，玄戒O1的ISP每秒可以處理高達(dá)87億個(gè)像素，單攝大可支持兩億像素，三攝同開大支持6400萬+5000萬＋5000萬。內(nèi)置獨(dú)立3A加速單元，自動(dòng)對焦、曝光、白平衡速度高可提升100%，讓相機(jī)啟動(dòng)、相機(jī)連拍以及連拍后預(yù)覽全面提速。
此外，玄戒O1的ISP內(nèi)部新增兩大畫質(zhì)增強(qiáng)硬件：
1、實(shí)時(shí)多幀HDR融合單元，不僅為視頻帶來更高的動(dòng)態(tài)范圍，全新的局部對齊技術(shù)可以大幅度降低鬼影；
2、Al智能降噪單元，利用CNN模型網(wǎng)絡(luò)對 Raw域視頻畫面進(jìn)行逐幀降噪處理，信噪比高可提升13dB（信噪比提升約20倍)。憑借新增的兩大畫質(zhì)增強(qiáng)硬件，可以支持手機(jī)實(shí)現(xiàn)全焦段超級夜景視頻，暗光視頻畫面更加清晰銳利，而且第三方應(yīng)用也可直接調(diào)用優(yōu)秀的夜景視頻能力。
6、自研NPU，100+常見AI算子硬化
目前端側(cè)支持生成式AI功能已經(jīng)成為了旗艦手機(jī)SoC的標(biāo)配能力，而這就需要有強(qiáng)大的NPU內(nèi)核來進(jìn)行支持。
據(jù)了解，玄戒O1內(nèi)置了6核心旗艦 NPU，集成Scalar標(biāo)量加速器、Vector 矢量加速器和Tensor張量加速器，NPU算力可達(dá)44TOPS。作為對比，蘋果A18 Pro的AI算力只有35TOPS。雖然驍龍8至尊版和天璣9400的NPU的具體算力官方并未公布，但是高通面向AI PC的驍龍X Elite的NPU算力也才45 TOPS。
此外，玄戒O1的NPU還配備了10MB專屬大緩存，并針對AI影像算法、AI應(yīng)用算法中經(jīng)常使用的100多種基礎(chǔ)算子進(jìn)行硬化。對比傳統(tǒng)軟件計(jì)算，算子硬化通過專門的硬件加速，可大幅提升計(jì)算效率，對CNN、Transformer、Stable Diffusion等模型均有不同程度的加速。
如果搭配小米第三代端側(cè)模型，玄戒O1能夠帶來速度更快同時(shí)功耗更低的端側(cè)AI體驗(yàn)。據(jù)芯智訊了解，玄戒O1配合小米第三代端側(cè)模型在AI文本潤色任務(wù)處理上，速度可達(dá)62.13 Tokens/s，是iPhone 16 Pro Max的135%，但功耗僅60%。
7、其他
除了上述已經(jīng)用于玄戒O1的小米自研技術(shù)之外，小米在此前的發(fā)布會(huì)上也公布了其自研的4G手表芯片玄戒T1，這也反應(yīng)了小米在自研4G基帶芯片技術(shù)上的突破，雖然目前這還只是一款4G Cat.1基帶芯片，但是這也為后續(xù)自研更高速率的4G基帶芯片，乃至未來的5G基帶芯片帶來了可能。
另據(jù)芯智訊了解，目前小米還在自研DDR接口IP等其他相關(guān)自研IP，未來都有可能整合進(jìn)自己的玄戒系列SoC當(dāng)中。
小結(jié)：
總結(jié)來說，Arm雖然在去年推出了CSS for Client平臺(tái)，但是這并不是為客戶去定制整個(gè)SoC，而是為客戶提供CPU、GPU多核集群的系統(tǒng)級解決方案，并且可以綁定制程工藝的硬核方式進(jìn)行交付，客戶可以直接將Arm提供的CSS硬核包集成到自己的SoC設(shè)計(jì)當(dāng)中，這樣就減少了CPU/GPU這個(gè)核心計(jì)算模塊的后端設(shè)計(jì)工作，降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期、降低研發(fā)投入。
但是，從前面的介紹我們不難看出，小米芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)并沒有采用Arm CSS for Client平臺(tái)的軟核或硬核方案，而是單獨(dú)買的新的CPU、GPU內(nèi)核IP授權(quán)，并且小米也確實(shí)在CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中加入不少自己的技術(shù)，比如自研的邊緣供電技術(shù)、自研標(biāo)準(zhǔn)單元(StdCell)、自研的高速寄存器、將CPU工作電源降低到0.46V的低功耗設(shè)計(jì)、面向CPU調(diào)度計(jì)算的獨(dú)立的硬件級微控制單元和一體化調(diào)頻方案等。
目前幾乎所有的智能手機(jī)芯片都是基于Arm架構(gòu)的，其中絕大多數(shù)都是基于Arm的公版CPU+GPU IP核，少部分采用的是Arm公版CPU或基于公版CPU魔改+第三方（比如Imagination）GPU或自研GPU（比如高通部分芯片）。而采用Arm指令集授權(quán)來自研CPU內(nèi)核IP的手機(jī)芯片廠商更是少之又少，目前主要有蘋果、高通和華為，其中高通新的驍龍8至尊版才完全轉(zhuǎn)向了自研的Oryon CPU內(nèi)核，華為則是自麒麟9000S才轉(zhuǎn)向自研的Taishan CPU內(nèi)核。
玄戒作為小米于2021年重新組建芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)之后推出的第一款SoC芯片，采用Arm公版的CPU/GPU內(nèi)核IP也并不丟人，因?yàn)槁沸枰徊讲降貋碜撸瑳]有多代芯片的持續(xù)迭代，沒有把CPU/GPU技術(shù)吃透，就不可能有自研CPU/GPU內(nèi)核。
此外，對于一款旗艦SoC來說，僅有CPU/GPU計(jì)算核心是不夠的，還需要圖像信號處理器（ISP）、DSP（數(shù)字信號處理器）、NPU、內(nèi)存與存儲(chǔ)控制器、多媒體編解碼器、無線模塊（WiFi/藍(lán)牙等）、基帶（Modem）、電源管理、傳感器中樞（Sensor Hub）、高速接口等一些列的IP來共同實(shí)現(xiàn)。
因此，芯片設(shè)計(jì)廠商即使買來了Arm公版CPU/GPU內(nèi)核，也依然還是需要去完成手機(jī)SoC所必須的其他功能模塊的開發(fā)。雖然上述這些模塊也有一些第三方的IP供應(yīng)商，但是要找到適合自己IP，并整合到SoC系統(tǒng)當(dāng)中，完成優(yōu)化和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)既定的規(guī)格和功能定義目標(biāo)仍有很多的工作要做，這并不是像搭積木那樣的簡單。
特別是在越尖端制程工藝節(jié)點(diǎn)上，可以選擇的第三方IP供應(yīng)商就會(huì)更少，甚至可能都沒有符合自身需求的第三方的供應(yīng)商。數(shù)年前，OPPO芯片產(chǎn)品高級總監(jiān)姜波在接受芯智訊采訪時(shí)就曾表示，OPPO首款6nm的影像NPU——MariSilicon X時(shí)，需要可以用于6nm節(jié)點(diǎn)的高速M(fèi)IPI接口IP，雖然也有一些第三方供應(yīng)商，但是可選擇范圍較小，且依然是滿足不了OPPO估算的數(shù)據(jù)量要求，終被迫選擇了自研MIPI IP。
所幸的是，玄戒O1這款芯片當(dāng)中，除了有在Arm CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中加入不少自己的技術(shù)之外，也有自研ISP和NPU IP。
另外，小米除了已有的自研快充芯片（澎湃P系列）、電池管理芯片（澎湃G系列）、信號增強(qiáng)芯片（澎湃T系列）、4G基帶芯片（玄戒T1）之外，似乎還在研發(fā)DDR接口IP等其他的自研IP，憑借在這些方面技術(shù)積累，后續(xù)一些技術(shù)也有望被整合到未來的旗艦級玄戒SoC當(dāng)中，推動(dòng)玄戒SoC的全自研技術(shù)占比逐步提升。
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