Popularize what is heart of mobile phone?

From: http://tech.sina.com.cn/mobile/n/2014-09-29/08399657494.shtml

 

只談核數沒意義 帶你從新認識手機SoC

2014年09月29日 08:39   愛活網    我有話說(174人蔘與) 已收藏     

 

　　你的手機是幾核的？在比較兩款手機區別時，這是咱們最常問的一個問題。CPU核心數量的多寡的確是衡量手機性能的重要指標，但卻不是最準確的指標。

　　以市面上最多見的高通驍龍處理器爲例，在整個「處理器」中，CPU部分只佔芯片面積的15%，其餘85%則被圖像處理器(GPU)、數字信號處理器(DSP)、調制解調器(Modem)、導航定位、多媒體等等芯片或者模塊佔據。

　　事實上，比起「處理器」，咱們把這種芯片稱爲「SoC(System on Chip，片上系統)」更加合適。SoC是一個微小的系統，若是把中央處理器(CPU)比做大腦，那麼SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的整我的體。

　　CPU：手機的大腦

　　若是把SoC比做人體，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「你的手機是幾核的？」指的就是這個部分。CPU是一塊超大規模的集成電路，也是手機的運算核心和控制核心，它佔的面積比例不大，卻承擔了最重要的功能。

　　工做時，CPU主要承擔手機通用任務處理和控制、仲裁工做。操做A和操做B相加等於多少？程序C有一段指令要執行，須要幾個週期？執行完畢後接下來該幹嘛？這些事兒CPU一秒鐘要「思考」萬億次，確保你的手機始終「智能」。

　　你們最常問的那句「你的手機是幾核的？」指的是CPU核心的數量。現代CPU早就脫離單打獨鬥的時代了，把不少個處理器集成到一個芯片裏面，讓 各個 處理器 並行的執行不一樣的任務，提高處理器速度，這就是現代多核處理器的基本思想。目前的手機處理器有雙核、四核、八核等多種形式。

　　核心數量的多寡在必定程度上能夠體現性能，但事情沒有這麼絕對，除了核心數量，單個核心自己的「質量」也很是重要，這就牽涉到另外的概念：架構、緩存、頻率。

　　通常而言，現今你能買到的智能手機CPU，都使用ARM公司開發的同一個指令集——ARMv7-A，你能夠理解爲不一樣CPU都講同一種語言(普 通 話)。但在相同指令集下，ARM卻提供多種不一樣架構供廠商選擇(你們都講普通話，也分爲小學生、中學生、大學生)，例如常見的Cortex-A七、 Cortex-A九、Cortex-A15..。.像高通這種實力比較強大的廠商，還會開發本身獨有的架構，例如驍龍800/600/400系列處理器使 用的「Krait」。

　　不一樣的架構有着不一樣的性能和功耗，要具體講清楚各個架構之間的區別，本文的篇幅就朝不保夕了，此處很少費口舌。你只須要知道：CPU只是整個 SoC的一小部分，核心數量又是CPU衆多性能指標的一小部分，核心數量的多寡不表明CPU的最終性能，更不能代 表整個SoC的性能。

　　對了，衡量手機CPU還有另外一個重要指標——能耗。手機電池容量有限，省電是每一個手機CPU的必修課，許多公司在這方面都有本身的絕活。例如， 在驍 龍處理器中，高通自行開發的aSMP架構容許單獨控制每一個處理器核心的電壓和頻率，當任務比較簡單時處理器還會智能的進入休眠狀態，最終體現出來的效果是 又快又省電。

　　GPU：速度超快的畫師

　　你平時都玩哪些手機遊戲？是偏智力型的《記念碑谷》、刺激的《塔防》仍是的畫面逼真的《真實賽車》？實際上，無論是2D仍是3D遊戲，它們多多 少少 都跟手機的GPU離不開干係。哪一個部件在手機SoC裏霸佔的面積最大？告訴你吧，也是GPU(Graphic Processing Unit，圖像處理單元)，GPU負責手機上絕大多數圖形的渲染，你日常玩兒的那些手機遊戲，大部分都靠它來處理，你能夠把它想象成一名速度超快的畫圖 師。

　　最開始，手機的GPU仍是一個很簡單、很可有可無的組件。像蘋果的第一代iPhone，諾基亞一些採用Symbian系統的智能手機，它們的 GPU，不管功能仍是性能都至關「可憐」。但隨着技術的發展，GPU在SoC中的地位迅速膨脹，其體積甚至超過了CPU，霸佔了一大塊地盤。

　　爲何GPU會變得愈來愈重要？看看你手機上愈來愈大的屏幕就知道了——分辨率從最先的VGA(640×480)一路進化到了如今的 1080p(1920×1080)，甚至是2K(2560×1440)，GPU須要渲染的圖形像素多了好幾十倍，功能和性能天然也是水漲船高。

　　對了，隨着功能和性能的進化，如今GPU能完成的已經不只僅是圖形處理工做了，它甚至還「搶」了CPU一些活兒來幹。安卓系統從4.0到4.1 那次 著名的「黃油進化(Project Butter)」，就是讓GPU承擔系統界面的渲染工做，讓整個系統界面變得更加流暢、絲般順滑。

　　GPU特別適合處理大規模並行的數據，由於圖形計算自己就是一種大規模並行處理。如今安卓系統中許多圖形以外的任務都交給了GPU，例如網頁渲染，你以爲用起來速度特別快的那些瀏覽器，它們渲染網頁十有八九就用到了GPU。

　　在將來，隨着擴增現實等虛擬視覺技術的大行其道，GPU會承擔更多通用處理的任務，它跟CPU之間的關係也會愈加微妙，用一句形象點的話來講就 是：CPU作管理，GPU當苦力。 咱們預計，GPU在整個SoC裏的地位還會看漲，是一支優秀的潛力股。諸位下一次夠買手機的時候，千萬記得關注下它的GPU哦。

　　DSP：處理數據的專家

　　爲何有些手機攝像頭用起來反應遲鈍，有些手機的攝像頭卻快如閃電？除了軟件優化的功力，手機攝像頭背後還站着一名功臣——DSP。

　　DSP是另外一個關鍵的處理組件，它的性質與GPU有些相似：專門處理那些超大規模、並行的數據，最典型的兩個例子就是：手機攝像頭所拍攝的圖像，以及手機播放器裏五花八門的音效。

　　可不要小看了這兩個看似簡單的任務，如今手機搭載的攝像頭像素都高得嚇人，連拍速度動則10fps、20fps，若是沒有DSP，短期內大量的圖像數據足以把一個四核CPU塞滿，讓你的手機徹底幹不了其它事情。

　　根據公開的數據，目前市面上性能最強的手機DSP來自高通即將發佈的驍龍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1.2GPixels/s——每秒鐘12億像素！經過這個數字，你能夠感覺一下流經DSP的數據量有多 恐怖。

　　正是由於有了專門的DSP，咱們才能在手機攝像頭上享受愈來愈高的像素、零快門延遲、面部檢測以及高級後處理(如對象移除和克隆)等功能。與 CPU、GPU的不一樣之處在於，DSP的任務更加專一、單一。DSP沒辦法勝任CPU、GPU的所有任務，但在它本身擅長的圖像、音效處理中，它運行時的 功耗要比CPU和GPU低得多，因此咱們把DSP稱做「數據處理專家」。

　　基帶/射頻前端：手機的耳朵和嘴巴

　　進入3G/4G時代以後，只要連上移動網絡，彷佛任何一臺手機都能毫無壓力下載大量圖片、觀看高清視頻，但在2G時代，事情可沒這麼簡單。你能 這麼 輕鬆的刷微博、刷朋友圈、在線購物.。.徹底是手機基帶芯片和射頻前端進化的功勞。若是把手機比做人體，集成手機SoC裏面的基帶芯片，加上外置的射頻前 端，就是人的耳朵和嘴巴，它們負責手機與外界的通信。

　　基帶芯片又稱Baseband，它最主要的功能就是調製收發信號。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射的基帶 碼，傳 輸給基站；而在其餘人向你打電話時，基帶芯片把收到的基帶碼解譯爲音頻信號，而後經過揚聲器發出來。到了3G/4G時代，基帶芯片還要負責大量網頁、圖像 和視頻信息的編譯——對於基帶芯片來講，這些東西最終都會變成信號。

　　因爲調製信號的過程實在是太過複雜，基帶芯片內部儼然是一個本身的小王國，它有本身的CPU、本身的信道編碼器、本身的DSP、本身的調制解調器和接口模塊.。.好一點的基帶，例如高通的Gobi，還內置了本身獨佔的256MB內存。

　　與基帶芯片搭配工做的模塊叫作射頻前端(RF)，它負責信號的數字/模擬轉換工做，同時還要負責信號的放大。基帶芯片和射頻前端一塊兒工做，共同決定了手機的通信制式。你的手機是3G仍是4G？能兼容聯通、移動仍是電信的網絡？這些都是由基帶芯片+射頻前端說了算的。

　　除了支持衆多通信制式，優秀的基帶芯片還必須能具有把不一樣頻段「揉合」到一塊兒的能力，由於不一樣運營商的頻譜資源實在太分散了。例如，中國移動的 4G 網絡總共擁有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 手機工做的時候，通信模塊得把這三個不一樣的頻段整合到一塊兒，模擬成「一個頻段」進行通信，這樣才能保證最快速度，咱們把這種功能稱爲「載波聚合」。打個形 象的比方，載波聚合技術至關於一個閥門，把不少根分散的小水管湊到一塊兒，最終造成一股充沛的大水流。

　　另外，新一代手機還流行一個趨勢：把一切與信號相關的部分都交給基帶芯片來管理。例如GPU信號、WiFi信號、藍牙信號.。.在之前，手機每添加這樣一個鏈接功能，就須要多裝一塊芯片。如今它們都交給基帶來管，就能節約很多成本，耗電也會大大下降。

　　因爲功能超多，複雜度超高，基帶芯片也被稱爲「手機上設計最艱難的地帶」。高通公司的王牌組合——Gobi基帶芯片 + RF360射頻前端就是業界標杆，它功能多得像超人：最頂配的Gobi能夠支持GSM/WCDMA/CDMA/TDD-LTE/FDD-LTE等從2G到 4G的所有網絡制式；兼容全球運營商多達數十個不一樣的頻段；能經過載波聚合技術把分散的頻段整合到一塊兒工做；還能收發WiFi/藍牙/GPS/FM收音機 等種類繁多的信號；爲了省電，每個模塊都是能夠單獨開關的..。.同時，最難以想象的是，功能如此強大的基帶芯片，竟然也能用硅半導體工藝製造，做爲一 個模塊集成到SoC內部！這其實也是高通公司在業內的一大技術優點。

　　如何判斷一款手機SoC中基帶芯片的技術水平？你徹底不用強迫本身記住那些晦澀的技術名詞，只要看它的功能就夠了——支持多少種4G制式？兼容多少網絡頻段？支不支持WiFi 802.11ac？利用排除法一一篩選，你會發現最終的選擇所剩無幾。

　　多媒體引擎：口袋裏的影院

　　兩三年前，要播放1080p的藍光影片，你還的專門花錢去買上一臺藍光播放器。如今，你只需掏出手機輕點屏幕，就能播放高畫質的1080p視頻，是否是很神奇？

　　這很正常，由於你的手機SoC裏，有一顆強大的多媒體引擎，它已經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視頻已是新一代手機SoC的標準配置，你無根本需擔憂背後的碼率、分辨率問題，這些都是多媒體引擎的功勞。

　　以驍龍805/驍龍810爲表明的新一代SoC，內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，如此強悍的參數不由讓人感嘆：手機屏幕能跟得上嗎？

　　傳感器中心：時刻待機的綠色管家

　　還記得蘋果在iPhone 5s發佈會上大肆宣傳的那塊「M7協處理器」嗎？在主處理器(CPU)保持休眠的狀況下，它能替代執行一些低數據量、長時間運行的任務，從而大大下降整個SoC的功耗。

　　在Moto X發佈時，摩托羅拉演示了一個神奇的功能：手機保持休眠，你說一句話，就能在瞬間把它喚醒。如今，諸多手機都已經具有了這樣的功能。

　　新一代手機SoC集成了專門支持傳感器運做的模塊，例如三星就把Galaxy S5上的相似模塊稱爲「傳感器中心(Sensor Hub)」。在你感嘆Moto X手機語音喚醒的神奇時，不要忘記，在你的手機SoC裏有這麼一個傳感器中心，在背後默默支撐。

　　電源管理：節能總管

 

　　處理器要省電，科學的電源管理固然少不了。這裏的電源管理可不是Google Play上下載的那些免費軟件，而是實實在在的硬件電路，它集成在芯片裏，是SoC的一部分。

　　以高通驍龍處理器爲例，在SoC工做時，電源管理電路管控着各個CPU核心，它可以根據任務負載動態的調整每一個CPU核心的頻率和電壓，最大程 度節 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，它能把充電時間縮短最多75%。

　　結語

　　過去，在談及手機處理器性能時，咱們老是過於強調CPU自己，而忽略了其它組件，這顯然是不合理的。實際上，咱們應該用更科學的眼光來看待手機 「處 理器」——它是一顆SoC，是一個包含大量不一樣組件相互合做的一個系統。手機不一樣於電腦，它不只是一個運算工具，仍是你的電話、隨身聽、相機、遊戲機。在 手機SoC中，除了CPU，還有二三十個不一樣的組件在爲你工做，它們都是你應該關注的重要夥伴。