只談核數(shù)沒意義 帶你重新認(rèn)識手機(jī)SoC - 全文

關(guān)鍵詞： CPU , GPU , DSP , 多媒體引擎

      你的手機(jī)是幾核的？在比較兩款手機(jī)區(qū)別時，這是我們最常問的一個問題。CPU核心數(shù)量的多寡的確是衡量手機(jī)性能的重要指標(biāo)，但卻不是最準(zhǔn)確的指標(biāo)。

　　以市面上最常見的高通驍龍?zhí)幚砥鳛槔?，在整個“處理器”中，CPU部分只占芯片面積的15%，其他85%則被圖像處理器(GPU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、調(diào)制解調(diào)器(Modem)、導(dǎo)航定位、多媒體等等芯片或者模塊占據(jù)。

　　事實(shí)上，比起“處理器”，我們把這種芯片稱為“SoC(System on Chip，片上系統(tǒng))”更加合適。SoC是一個微小的系統(tǒng)，如果把中央處理器(CPU)比作大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的整個人體。

　　CPU：手機(jī)的大腦

　　如果把SoC比作人體，CPU就是整個SoC的大腦。CPU的正式稱謂是“中央處理器”，你開口問朋友“你的手機(jī)是幾核的？”指的就是這個部分。CPU是一塊超大規(guī)模的集成電路，也是手機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心，它占的面積比例不大，卻承擔(dān)了最重要的功能。

　　工作時，CPU主要承擔(dān)手機(jī)通用任務(wù)處理和控制、仲裁工作。操作A和操作B相加等于多少？程序C有一段指令要執(zhí)行，需要幾個周期？執(zhí)行完畢后接下來該干嗎？這些事兒CPU一秒鐘要“思考”萬億次，確保你的手機(jī)始終“智能”。

2014-10-10 14:56:53 上傳

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　　大家最常問的那句“你的手機(jī)是幾核的？”指的是CPU核心的數(shù)量。現(xiàn)代CPU早就脫離單打獨(dú)斗的時代了，把很多個處理器集成到一個芯片里面，讓各個 處理器 并行的執(zhí)行不同的任務(wù)，提升處理器速度，這就是現(xiàn)代多核處理器的基本思想。目前的手機(jī)處理器有雙核、四核、八核等多種形式。

　　核心數(shù)量的多寡在一定程度上可以體現(xiàn)性能，但事情沒有這么絕對，除了核心數(shù)量，單個核心本身的“質(zhì)量”也非常重要，這就牽涉到另外的概念：架構(gòu)、緩存、頻率。

　　一般而言，現(xiàn)今你能買到的智能手機(jī)CPU，都使用ARM公司開發(fā)的同一個指令集——ARMv7-A，你可以理解為不同CPU都講同一種語言(普通 話)。但在相同指令集下，ARM卻提供多種不同架構(gòu)供廠商選擇(大家都講普通話，也分為小學(xué)生、中學(xué)生、大學(xué)生)，例如常見的Cortex-A7、 Cortex-A9、Cortex-A15..。.像高通這種實(shí)力比較強(qiáng)大的廠商，還會開發(fā)自己獨(dú)有的架構(gòu)，例如驍龍800/600/400系列處理器使 用的“Krait”。

2014-10-10 14:56:53 上傳

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　　不同的架構(gòu)有著不同的性能和功耗，要具體講清楚各個架構(gòu)之間的區(qū)別，本文的篇幅就岌岌可危了，此處不多費(fèi)口舌。你只需要知道：CPU只是整個SoC的一小部分，核心數(shù)量又是CPU眾多性能指標(biāo)的一小部分，核心數(shù)量的多寡不代表CPU的最終性能，更不能代 表整個SoC的性能。

　　對了，衡量手機(jī)CPU還有另一個重要指標(biāo)——能耗。手機(jī)電池容量有限，省電是每個手機(jī)CPU的必修課，許多公司在這方面都有自己的絕活。例如，在驍 龍?zhí)幚砥髦校咄ㄗ孕虚_發(fā)的aSMP架構(gòu)允許單獨(dú)控制每個處理器核心的電壓和頻率，當(dāng)任務(wù)比較簡單時處理器還會智能的進(jìn)入休眠狀態(tài)，最終體現(xiàn)出來的效果是 又快又省電。

　　GPU：速度超快的畫師

　　你平時都玩哪些手機(jī)游戲？是偏智力型的《紀(jì)念碑谷》、刺激的《塔防》還是的畫面逼真的《真實(shí)賽車》？實(shí)際上，不管是2D還是3D游戲，它們多多少少 都跟手機(jī)的GPU離不開干系。哪個部件在手機(jī)SoC里霸占的面積最大？告訴你吧，也是GPU(Graphic Processing Unit，圖像處理單元)，GPU負(fù)責(zé)手機(jī)上絕大多數(shù)圖形的渲染，你平常玩兒的那些手機(jī)游戲，大部分都靠它來處理，你可以把它想象成一名速度超快的畫圖 師。

　　最開始，手機(jī)的GPU還是一個很簡單、很無關(guān)緊要的組件。像蘋果的第一代iPhone，諾基亞一些采用Symbian系統(tǒng)的智能手機(jī)，它們的 GPU，無論功能還是性能都相當(dāng)“可憐”。但隨著技術(shù)的發(fā)展，GPU在SoC中的地位迅速膨脹，其體積甚至超過了CPU，霸占了一大塊地盤。

　　為什么GPU會變得越來越重要？看看你手機(jī)上越來越大的屏幕就知道了——分辨率從最早的VGA(640×480)一路進(jìn)化到了現(xiàn)在的 1080p(1920×1080)，甚至是2K(2560×1440)，GPU需要渲染的圖形像素多了好幾十倍，功能和性能自然也是水漲船高。

2014-10-10 14:56:54 上傳

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　　對了，隨著功能和性能的進(jìn)化，現(xiàn)在GPU能完成的已經(jīng)不僅僅是圖形處理工作了，它甚至還“搶”了CPU一些活兒來干。安卓系統(tǒng)從4.0到4.1那次 著名的“黃油進(jìn)化(Project Butter)”，就是讓GPU承擔(dān)系統(tǒng)界面的渲染工作，讓整個系統(tǒng)界面變得更加流暢、絲般順滑。

　　GPU特別適合處理大規(guī)模并行的數(shù)據(jù)，因?yàn)閳D形計算本身就是一種大規(guī)模并行處理?，F(xiàn)在安卓系統(tǒng)中許多圖形之外的任務(wù)都交給了GPU，例如網(wǎng)頁渲染，你覺得用起來速度特別快的那些瀏覽器，它們渲染網(wǎng)頁十有八九就用到了GPU。

　　在未來，隨著擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)等虛擬視覺技術(shù)的大行其道，GPU會承擔(dān)更多通用處理的任務(wù)，它跟CPU之間的關(guān)系也會越發(fā)微妙，用一句形象點(diǎn)的話來說就 是：CPU做管理，GPU當(dāng)苦力。 我們預(yù)計，GPU在整個SoC里的地位還會看漲，是一支優(yōu)秀的潛力股。諸位下一次夠買手機(jī)的時候，千萬記得關(guān)注下它的GPU哦。

　　DSP：處理數(shù)據(jù)的專家

　　為什么有些手機(jī)攝像頭用起來反應(yīng)遲鈍，有些手機(jī)的攝像頭卻快如閃電？除了軟件優(yōu)化的功力，手機(jī)攝像頭背后還站著一名功臣——DSP。

　　DSP是另一個關(guān)鍵的處理組件，它的性質(zhì)與GPU有些類似：專門處理那些超大規(guī)模、并行的數(shù)據(jù)，最典型的兩個例子就是：手機(jī)攝像頭所拍攝的圖像，以及手機(jī)播放器里五花八門的音效。

2014-10-10 14:56:54 上傳

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　　可不要小看了這兩個看似簡單的任務(wù)，現(xiàn)在手機(jī)搭載的攝像頭像素都高得嚇人，連拍速度動則10fps、20fps，如果沒有DSP，短時間內(nèi)大量的圖像數(shù)據(jù)足以把一個四核CPU塞滿，讓你的手機(jī)完全干不了其它事情。

　　根據(jù)公開的數(shù)據(jù)，目前市面上性能最強(qiáng)的手機(jī)DSP來自高通即將發(fā)布的驍龍810處理器，它搭載的Hexagon DSP擁有14位雙圖像信號處理器，像素吞吐量高達(dá)1.2GPixels/s——每秒鐘12億像素！通過這個數(shù)字，你可以感受一下流經(jīng)DSP的數(shù)據(jù)量有多恐怖。

2014-10-10 14:56:55 上傳

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　　正是因?yàn)橛辛藢ｉT的DSP，我們才能在手機(jī)攝像頭上享受越來越高的像素、零快門延遲、面部檢測以及高級后處理(如對象移除和克隆)等功能。與 CPU、GPU的不同之處在于，DSP的任務(wù)更加專注、單一。DSP沒辦法勝任CPU、GPU的全部任務(wù)，但在它自己擅長的圖像、音效處理中，它運(yùn)行時的 功耗要比CPU和GPU低得多，所以我們把DSP稱作“數(shù)據(jù)處理專家”。

　　基帶/射頻前端：手機(jī)的耳朵和嘴巴

　　進(jìn)入3G/4G時代之后，只要連上移動網(wǎng)絡(luò)，似乎任何一臺手機(jī)都能毫無壓力下載大量圖片、觀看高清視頻，但在2G時代，事情可沒這么簡單。你能這么 輕松的刷微博、刷朋友圈、在線購物.。.完全是手機(jī)基帶芯片和射頻前端進(jìn)化的功勞。如果把手機(jī)比作人體，集成手機(jī)SoC里面的基帶芯片，加上外置的射頻前 端，就是人的耳朵和嘴巴，它們負(fù)責(zé)手機(jī)與外界的通訊。

　　基帶芯片又稱Baseband，它最主要的功能就是調(diào)制收發(fā)信號。具體地說，在你給人打電話時，基帶芯片把你的聲音信號編譯成用來發(fā)射的基帶碼，傳 輸給基站；而在其他人向你打電話時，基帶芯片把收到的基帶碼解譯為音頻信號，然后通過揚(yáng)聲器發(fā)出來。到了3G/4G時代，基帶芯片還要負(fù)責(zé)大量網(wǎng)頁、圖像 和視頻信息的編譯——對于基帶芯片來說，這些東西最終都會變成信號。

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　　由于調(diào)制信號的過程實(shí)在是太過復(fù)雜，基帶芯片內(nèi)部儼然是一個自己的小王國，它有自己的CPU、自己的信道編碼器、自己的DSP、自己的調(diào)制解調(diào)器和接口模塊.。.好一點(diǎn)的基帶，例如高通的Gobi，還內(nèi)置了自己獨(dú)占的256MB內(nèi)存。

　　與基帶芯片搭配工作的模塊叫做射頻前端(RF)，它負(fù)責(zé)信號的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換工作，同時還要負(fù)責(zé)信號的放大?；鶐酒蜕漕l前端一起工作，共同決定了手機(jī)的通訊制式。你的手機(jī)是3G還是4G？能兼容聯(lián)通、移動還是電信的網(wǎng)絡(luò)？這些都是由基帶芯片+射頻前端說了算的。

　　除了支持眾多通訊制式，優(yōu)秀的基帶芯片還必須能具備把不同頻段“揉合”到一起的能力，因?yàn)椴煌\(yùn)營商的頻譜資源實(shí)在太分散了。例如，中國移動的4G 網(wǎng)絡(luò)總共擁有130MHz的頻譜資源，頻段卻分散成了三個，分別是：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz。在 手機(jī)工作的時候，通訊模塊得把這三個不同的頻段整合到一起，模擬成“一個頻段”進(jìn)行通訊，這樣才能保證最快速度，我們把這種功能稱為“載波聚合”。打個形 象的比方，載波聚合技術(shù)相當(dāng)于一個閥門，把很多根分散的小水管湊到一起，最終形成一股充沛的大水流。

　　另外，新一代手機(jī)還流行一個趨勢：把一切與信號相關(guān)的部分都交給基帶芯片來管理。例如GPU信號、WiFi信號、藍(lán)牙信號.。.在以前，手機(jī)每添加這樣一個連接功能，就需要多裝一塊芯片?，F(xiàn)在它們都交給基帶來管，就能節(jié)約不少成本，耗電也會大大降低。

　　由于功能超多，復(fù)雜度超高，基帶芯片也被稱為“手機(jī)上設(shè)計最艱難的地帶”。高通公司的王牌組合——Gobi基帶芯片 + RF360射頻前端就是業(yè)界標(biāo)桿，它功能多得像超人：最頂配的Gobi可以支持GSM/WCDMA/CDMA/TDD-LTE/FDD-LTE等從2G到 4G的全部網(wǎng)絡(luò)制式；兼容全球運(yùn)營商多達(dá)數(shù)十個不同的頻段；能通過載波聚合技術(shù)把分散的頻段整合到一起工作；還能收發(fā)WiFi/藍(lán)牙/GPS/FM收音機(jī) 等種類繁多的信號；為了省電，每一個模塊都是可以單獨(dú)開關(guān)的..。.同時，最不可思議的是，功能如此強(qiáng)大的基帶芯片，居然也能用硅半導(dǎo)體工藝制造，作為一 個模塊集成到SoC內(nèi)部！這其實(shí)也是高通公司在業(yè)內(nèi)的一大技術(shù)優(yōu)勢。

2014-10-10 14:56:56 上傳

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　　如何判斷一款手機(jī)SoC中基帶芯片的技術(shù)水平？你完全不用強(qiáng)迫自己記住那些晦澀的技術(shù)名詞，只要看它的功能就夠了——支持多少種4G制式？兼容多少網(wǎng)絡(luò)頻段？支不支持WiFi 802.11ac？利用排除法一一篩選，你會發(fā)現(xiàn)最終的選擇所剩無幾。

　　多媒體引擎：口袋里的影院

　　兩三年前，要播放1080p的藍(lán)光影片，你還的專門花錢去買上一臺藍(lán)光播放器。現(xiàn)在，你只需掏出手機(jī)輕點(diǎn)屏幕，就能播放高畫質(zhì)的1080p視頻，是不是很神奇？

　　這很正常，因?yàn)槟愕氖謾C(jī)SoC里，有一顆強(qiáng)大的多媒體引擎，它已經(jīng)把視頻編解碼的活兒都包辦了。

　　能流暢解碼1080p分辨率的H.264視頻已經(jīng)是新一代手機(jī)SoC的標(biāo)準(zhǔn)配置，你無根本需擔(dān)心背后的碼率、分辨率問題，這些都是多媒體引擎的功勞。

　　以驍龍805/驍龍810為代表的新一代SoC，內(nèi)置的多媒體引擎甚至開始支持下一代H.265(HEVC)硬件解碼功能，它們足夠以最高60Hz的幀率解碼4K分辨率的視頻，如此強(qiáng)悍的參數(shù)不禁讓人感嘆：手機(jī)屏幕能跟得上嗎？

　　傳感器中心：時刻待機(jī)的綠色管家

　　還記得蘋果在iPhone 5s發(fā)布會上大肆宣傳的那塊“M7協(xié)處理器”嗎？在主處理器(CPU)保持休眠的情況下，它能替代執(zhí)行一些低數(shù)據(jù)量、長時間運(yùn)行的任務(wù)，從而大大降低整個SoC的功耗。

　　在Moto X發(fā)布時，摩托羅拉演示了一個神奇的功能：手機(jī)保持休眠，你說一句話，就能在瞬間把它喚醒。現(xiàn)在，諸多手機(jī)都已經(jīng)具備了這樣的功能。

2014-10-10 14:56:56 上傳

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　　新一代手機(jī)SoC集成了專門支持傳感器運(yùn)作的模塊，例如三星就把Galaxy S5上的類似模塊稱為“傳感器中心(Sensor Hub)”。在你感嘆Moto X手機(jī)語音喚醒的神奇時，不要忘記，在你的手機(jī)SoC里有這么一個傳感器中心，在背后默默支撐。

　　電源管理：節(jié)能總管

　　處理器要省電，科學(xué)的電源管理當(dāng)然少不了。這里的電源管理可不是Google Play上下載的那些免費(fèi)軟件，而是實(shí)實(shí)在在的硬件電路，它集成在芯片里，是SoC的一部分。

　　以高通驍龍?zhí)幚砥鳛槔赟oC工作時，電源管理電路管控著各個CPU核心，它能夠根據(jù)任務(wù)負(fù)載動態(tài)的調(diào)整每個CPU核心的頻率和電壓，最大程度節(jié) 約電力。同時，驍龍的電源管理電力還支持Qualcomm Quick Charge這種快速充電技術(shù)，它能把充電時間縮短最多75%。

　　結(jié)語

　　過去，在談及手機(jī)處理器性能時，我們總是過于強(qiáng)調(diào)CPU本身，而忽略了其它組件，這顯然是不合理的。實(shí)際上，我們應(yīng)該用更科學(xué)的眼光來看待手機(jī)“處 理器”——它是一顆SoC，是一個包含大量不同組件相互合作的一個系統(tǒng)。手機(jī)不同于電腦，它不僅是一個運(yùn)算工具，還是你的電話、隨身聽、相機(jī)、游戲機(jī)。在 手機(jī)SoC中，除了CPU，還有二三十個不同的組件在為你工作，它們都是你應(yīng)該關(guān)注的重要伙伴。