无怨无悔12345

只谈手机芯片核心数没意义!带你重新认识手机SoC

1楼 无怨无悔12345
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你的手机是几核的?在比较两款手机区别时,这是我们最常问的一个问题。CPU核心数量的多寡的确是衡量手机性能的重要指标,但却不是最准确的指标。

以市面上最常见的高通骁龙处理器为例,在整个“处理器”中,CPU部分只占芯片面积的15%,其他85%则被图像处理器(GPU)、数字信号处理器(DSP)、调制解调器(Modem)、导航定位、多媒体等等芯片或者模块占据。

事实上,比起“处理器”,我们把这种芯片称为“SoC(System on Chip,片上系统)”更加合适。SoC是一个微小的系统,如果把中央处理器(CPU)比作大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的整个人体。爱活新技术研习社今天承担科普任务,为大家解析手机处理器SoC里面的秘密。



CPU:手机的大脑

如果把SoC比作人体,CPU就是整个SoC的大脑。CPU的正式称谓是“中央处理器”,你开口问朋友“你的手机是几核的?”指的就是这个部分。CPU是一块超大规模的集成电路,也是手机的运算核心和控制核心,它占的面积比例不大,却承担了最重要的功能。

工作时,CPU主要承担手机通用任务处理和控制、仲裁工作。操作A和操作B相加等于多少?程序C有一段指令要执行,需要几个周期?执行完毕后接下来该干吗?这些事儿CPU一秒钟要“思考”万亿次,确保你的手机始终“智能”。



大家最常问的那句“你的手机是几核的?”指的是CPU核心的数量。现代CPU早就脱离单打独斗的时代了,把很多个处理器集成到一个芯片里面,让各个处理器 并行的执行不同的任务,提升处理器速度,这就是现代多核处理器的基本思想。目前的手机处理器有双核、四核、八核等多种形式。

核心数量的多寡在一定程度上可以体现性能,但事情没有这么绝对,除了核心数量,单个核心本身的“质量”也非常重要,这就牵涉到另外的概念:架构、缓存、频率。

一般而言,现今你能买到的智能手机CPU,都使用ARM公司开发的同一个指令集——ARMv7-A,你可以理解为不同CPU都讲同一种语言(普通话)。但在相同指令集下,ARM却提供多种不同架构供厂商选择(大家都讲普通话,也分为小学生、中学生、大学生),例如常见的Cortex-A7、Cortex-A9、Cortex-A15....像高通这种实力比较强大的厂商,还会开发自己独有的架构,例如骁龙800/600/400系列处理器使用的“Krait”。


不同的架构有着不同的性能和功耗,要具体讲清楚各个架构之间的区别,本文的篇幅就岌岌可危了,此处不多费口舌(有兴趣的同学可以参考我们过去的新技术研习社文章)。你只需要知道:CPU只是整个SoC的一小部分,核心数量又是CPU众多性能指标的一小部分,核心数量的多寡不代表CPU的最终性能,更不能代 表整个SoC的性能。

对了,衡量手机CPU还有另一个重要指标——能耗。手机电池容量有限,省电是每个手机CPU的必修课,许多公司在这方面都有自己的绝活。例如,在骁龙处理器中,高通自行开发的aSMP架构允许单独控制每个处理器核心的电压和频率,当任务比较简单时处理器还会智能的进入休眠状态,最终体现出来的效果是又快又省电。

GPU:速度超快的画师

你平时都玩哪些手机游戏?是偏智力型的《纪念碑谷》、刺激的《塔防》还是的画面逼真的《真实赛车》?实际上,不管是2D还是3D游戏,它们多多少少都跟手机的GPU离不开干系。哪个部件在手机SoC里霸占的面积最大?告诉你吧,也是GPU(Graphic Processing Unit,图像处理单元),GPU负责手机上绝大多数图形的渲染,你平常玩儿的那些手机游戏,大部分都靠它来处理,你可以把它想象成一名速度超快的画图师。


最开始,手机的GPU还是一个很简单、很无关紧要的组件。像苹果的第一代iPhone,诺基亚一些采用Symbian系统的智能手机,它们的GPU,无论功能还是性能都相当“可怜”。但随着技术的发展,GPU在SoC中的地位迅速膨胀,其体积甚至超过了CPU,霸占了一大块地盘。

为什么GPU会变得越来越重要?看看你手机上越来越大的屏幕就知道了——分辨率从最早的VGA(640×480)一路进化到了现在的1080p(1920×1080),甚至是2K(2560×1440),GPU需要渲染的图形像素多了好几十倍,功能和性能自然也是水涨船高。


对了,随着功能和性能的进化,现在GPU能完成的已经不仅仅是图形处理工作了,它甚至还“抢”了CPU一些活儿来干。安卓系统从4.0到4.1那次著名的“黄油进化(Project Butter)”,就是让GPU承担系统界面的渲染工作,让整个系统界面变得更加流畅、丝般顺滑。


GPU特别适合处理大规模并行的数据,因为图形计算本身就是一种大规模并行处理。现在安卓系统中许多图形之外的任务都交给了GPU,例如网页渲染,你觉得用起来速度特别快的那些浏览器,它们渲染网页十有八九就用到了GPU。

在未来,随着扩增现实等虚拟视觉技术的大行其道,GPU会承担更多通用处理的任务,它跟CPU之间的关系也会越发微妙,用一句形象点的话来说就是:CPU做管理,GPU当苦力。 我们预计,GPU在整个SoC里的地位还会看涨,是一支优秀的潜力股。诸位下一次够买手机的时候,千万记得关注下它的GPU哦。

DSP:处理数据的专家

为什么有些手机摄像头用起来反应迟钝,有些手机的摄像头却快如闪电?除了软件优化的功力,手机摄像头背后还站着一名功臣——DSP。

DSP是另一个关键的处理组件,它的性质与GPU有些类似:专门处理那些超大规模、并行的数据,最典型的两个例子就是:手机摄像头所拍摄的图像,以及手机播放器里五花八门的音效。


可不要小看了这两个看似简单的任务,现在手机搭载的摄像头像素都高得吓人,连拍速度动则10fps、20fps,如果没有DSP,短时间内大量的图像数据足以把一个四核CPU塞满,让你的手机完全干不了其它事情

根据公开的数据,目前市面上性能最强的手机DSP来自高通即将发布的骁龙810处理器,它搭载的Hexagon DSP拥有14位双图像信号处理器,像素吞吐量高达1.2GPixels/s——每秒钟12亿像素!通过这个数字,你可以感受一下流经DSP的数据量有多恐怖。


正是因为有了专门的DSP,我们才能在手机摄像头上享受越来越高的像素、零快门延迟、面部检测以及高级后处理(如对象移除和克隆)等功能。与CPU、GPU的不同之处在于,DSP的任务更加专注、单一。DSP没办法胜任CPU、GPU的全部任务,但在它自己擅长的图像、音效处理中,它运行时的功耗要比CPU和GPU低得多,所以我们把DSP称作“数据处理专家”。

基带/射频前端:手机的耳朵和嘴巴

进入3G/4G时代之后,只要连上移动网络,似乎任何一台手机都能毫无压力下载大量图片、观看高清视频,但在2G时代,事情可没这么简单。你能这么轻松的刷微博、刷朋友圈、在线购物...完全是手机基带芯片和射频前端进化的功劳。如果把手机比作人体,集成手机SoC里面的基带芯片,加上外置的射频前端,就是人的耳朵和嘴巴,它们负责手机与外界的通讯。

基带芯片又称Baseband,它最主要的功能就是调制收发信号。具体地说,在你给人打电话时,基带芯片把你的声音信号编译成用来发射的基带码,传输给基站;而在其他人向你打电话时,基带芯片把收到的基带码解译为音频信号,然后通过扬声器发出来。到了3G/4G时代,基带芯片还要负责大量网页、图像和视频信息的编译——对于基带芯片来说,这些东西最终都会变成信号。


由于调制信号的过程实在是太过复杂,基带芯片内部俨然是一个自己的小王国,它有自己的CPU、自己的信道编码器、自己的DSP、自己的调制解调器和接口模块...好一点的基带,例如高通的Gobi,还内置了自己独占的256MB内存。

与基带芯片搭配工作的模块叫做射频前端(RF),它负责信号的数字/模拟转换工作,同时还要负责信号的放大。基带芯片和射频前端一起工作,共同决定了手机的通讯制式。你的手机是3G还是4G?能兼容联通、移动还是电信的网络?这些都是由基带芯片+射频前端说了算的。


除了支持众多通讯制式,优秀的基带芯片还必须能具备把不同频段“揉合”到一起的能力,因为不同运营商的频谱资源实在太分散了。例如,中国移动的4G网络总共拥有130MHz的频谱资源,频段却分散成了三个,分别是:1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz。在手机工作的时候,通讯模块得把这三个不同的频段整合到一起,模拟成“一个频段”进行通讯,这样才能保证最快速度,我们把这种功能称为“载波聚合”。打个形象的比方,载波聚合技术相当于一个阀门,把很多根分散的小水管凑到一起,最终形成一股充沛的大水流。

另外,新一代手机还流行一个趋势:把一切与信号相关的部分都交给基带芯片来管理。例如GPU信号、WiFi信号、蓝牙信号...在以前,手机每添加这样一个连接功能,就需要多装一块芯片。现在它们都交给基带来管,就能节约不少成本,耗电也会大大降低。

由于功能超多,复杂度超高,基带芯片也被称为“手机上设计最艰难的地带”。高通公司的王牌组合——Gobi基带芯片+RF360射频前端就是业界标杆,它功能多得像超人:最顶配的Gobi可以支持GSM/WCDMA/CDMA/TDD-LTE/FDD-LTE等从2G到4G的全部网络制式;兼容全球运营商多达数十个不同的频段;能通过载波聚合技术把分散的频段整合到一起工作;还能收发WiFi/蓝牙/GPS/FM收音机等种类繁多的信号;为了省电,每一个模块都是可以单独开关的....同时,最不可思议的是,功能如此强大的基带芯片,居然也能用硅半导体工艺制造,作为一个模块集成到SoC内部!这其实也是高通公司在业内的一大技术优势。


如何判断一款手机SoC中基带芯片的技术水平?你完全不用强迫自己记住那些晦涩的技术名词,只要看它的功能就够了——支持多少种4G制式?兼容多少网络频段?支不支持WiFi 802.11ac?利用排除法一一筛选,你会发现最终的选择所剩无几。

多媒体引擎:口袋里的影院

两三年前,要播放1080p的蓝光影片,你还的专门花钱去买上一台蓝光播放器。现在,你只需掏出手机轻点屏幕,就能播放高画质的1080p视频,是不是很神奇?

这很正常,因为你的手机SoC里,有一颗强大的多媒体引擎,它已经把视频编解码的活儿都包办了。


能流畅解码1080p分辨率的H.264视频已经是新一代手机SoC的标准配置,你无根本需担心背后的码率、分辨率问题,这些都是多媒体引擎的功劳。

以骁龙805/骁龙810为代表的新一代SoC,内置的多媒体引擎甚至开始支持下一代H.265(HEVC)硬件解码功能,它们足够以最高60Hz的帧率解码4K分辨率的视频,如此强悍的参数不禁让人感叹:手机屏幕能跟得上吗?

传感器中心:时刻待机的绿色管家

还记得苹果在iPhone 5s发布会上大肆宣传的那块“M7协处理器”吗?在主处理器(CPU)保持休眠的情况下,它能替代执行一些低数据量、长时间运行的任务,从而大大降低整个SoC的功耗。

在Moto X发布时,摩托罗拉演示了一个神奇的功能:手机保持休眠,你说一句话,就能在瞬间把它唤醒。现在,诸多手机都已经具备了这样的功能。


新一代手机SoC集成了专门支持传感器运作的模块,例如三星就把Galaxy S5上的类似模块称为“传感器中心(Sensor Hub)”。在你感叹Moto X手机语音唤醒的神奇时,不要忘记,在你的手机SoC里有这么一个传感器中心,在背后默默支撑。

处理器要省电,科学的电源管理当然少不了。这里的电源管理可不是Google Play上下载的那些免费软件,而是实实在在的硬件电路,它集成在芯片里,是SoC的一部分。

以高通骁龙处理器为例,在SoC工作时,电源管理电路管控着各个CPU核心,它能够根据任务负载动态的调整每个CPU核心的频率和电压,最大程度节约电力。同时,骁龙的电源管理电力还支持Qualcomm Quick Charge这种快速充电技术,它能把充电时间缩短最多75%。


结语

过去,在谈及手机处理器性能时,我们总是过于强调CPU本身,而忽略了其它组件,这显然是不合理的。实际上,我们应该用更科学的眼光来看待手机“处理器”——它是一颗SoC,是一个包含大量不同组件相互合作的一个系统。手机不同于电脑,它不仅是一个运算工具,还是你的电话、随身听、相机、游戏机。在手机SoC中,除了CPU,还有二三十个不同的组件在为你工作,它们都是你应该关注的重要伙伴

1楼 发布于:2014-9-29   |   查看数:0   |   回复数:4
昭明
2楼 昭明
沙发,学习了
2楼 发布于:2014-9-29
落天
3楼 落天
多谢分享
3楼 发布于:2014-9-29
冷月葬花魂
4楼 冷月葬花魂
楼主的分享总让人长知识,999个赞
4楼 发布于:2014-10-2
月夜幽灵
5楼 月夜幽灵

长见识了。

来自畅游助手
5楼 发布于:2016-2-22
初出江湖