《智能手机CPU》word版.doc

智能手机CPU知识在日常生活中，购买用户往往忽视对手机CPU性能的参考，而更为重视手机屏幕、摄像头等外在配置，其实一部性能卓越的智能手机最为重要的是肯定是它的“芯”也就是CPU（Center Processing Unit），如同电脑CPU一样，它是整台手机的控制中枢系统，也是逻辑部分的控制核心。微处理器通过运行存储器内的软件及调用存储器内的数据库，达到对手机整体监控的目的。在一些手机CPU介绍中我们还会看到主频600MHz、主频1GHz等，这里的主频又是什么呢？主频是衡量手机CPU性能高低的一个重要技术参数，几乎所有的人在选购时都将它作为一个参考值。“工作频率”又称为“主频”，频率越高，表明指令的执行速度越快，指令的执行时间也就越短，对信息的处理能力与效率就高。手机CPU之TI OMAP德州仪器（Texas Instruments）在手机CPU市场中的地位就如同手机市场中的诺基亚，当之无愧的大哥级。旗下的OMAP系列处理器一直是诺基亚、多普达和Palm的御用CPU，能够兼容Linux、Windows CE、Palm、Symbian S60、Windows Mobile主流操作系统。从最初的主频为132的OMAP710到如今主频为800MHz集成 ARM Cortex-A8的OMAP3430型处理器，以及即将投产的1GHz处理器，德州仪器一直走在手机CPU发展的前列，从下面列表中我们可以更详细的看到德州一起各型号的CPU配置及代表机型。手机CPU之Intel&Marvell 说起Intel，大家都不会陌生，从我们认识计算机开始就对Intel耳熟能详，与在计算机业的如日中天不同，在手机CPU市场始终达不到巅峰，而且一路走来还是磕磕绊绊。从Intel的第一款PXA210上市，以其高主频、对3D效果很好的处理，赢得了不少厂商的青睐，而此后的产品在主频和处理能力上也一直提升，但由于Intel的芯片做工较高，相应的价格也比同期产品要高很多，耗电量也更大，所以市场反应也并不好，只在摩托罗拉和多普达的高端机器中才能见到PXA系列的身影，之后Intel发布了主频为624MHz的PXA272，在当时为最高主频的手机CPU，随即得到了更大厂商和用户的关注，在市场前景一片大好的时候，Intel却出人意料的将Xscale卖给了Marvell。这就是笔者为什么把Intel、Marvell放在一起介绍的原因，在收购完毕后Marvell推出了PXA 3XX系列，在很多著名的机型上都有使用，例如三星I908等，我们还是利用表格来仔细说明。手机CPU之高通 在1985年7月，7个行业资深高管聚集到了Irwin Jacobs博士圣地亚哥的家讨论一个想法。这些梦想家们Franklin Antonio、Adelia Coffman、Andrew Cohen、Klein Gilhousen、Irwin Jacobs、Andrew Viterbi和Harvey White决定他们想要构建“高质量通信”并制定了一个计划，这个计划最后演变为通信行业最伟大的创业成功故事之一：高通公司。高通从名字看来并不像德州仪器、Intel那么响亮，可在智能手机玩家中，高通收到青睐的程度远远高于前两者。高通公司的手机芯片组主要包括Mobile Station Modems(MSM芯片组)、单芯片（QSC）以及Snapdragon平台。能够兼容各种智能系统，我们在个厂商的主流智能手机中都能发现其身影，高通CPU的特点是性能表现出色，多媒体解析能力强，能根据不同定位的手机，推出为经济型、多媒体性、增强型和融合型四种不同的芯片。同时高通的CPU芯片是首个能够兼容Android系统的，所以一下占据了Android手机CPU的半壁江山，Android是未来智能系统的大势所趋，高通就如同给这准备腾飞的Android加上了翅膀，前景一片光明。手机CPU之新势力CPU的市场虽然暂时是IT、Intel、高通的三国争霸，但也不乏新生力量的渐出，这其中就包括飞思卡尔、三星，还有PC显卡新品的老牌厂商NVIDIA。三星向来很“滑头”，默默提高着手机CPU的制造能力，但从来不在自己的主流机型中运用，大概还对自己的实力不太自信吧，所以我们能见到的三星CPU多出现在国产品牌以及山寨机型中，但未来的三星CPU实力不可小视，他们与NVIDIA合作推出Tegra平台，三星自身的高效处理性及NVIDIA对多媒体性能的处理将完美的结合在一起，由此也看出三星对于手机CPU市场的重视。与三星合作的NVIDIA一样不可小视，在PC显卡芯片上NVIDIA一直是所有发烧友们的不二选择，强大的多媒体解析能力给了NVIDIA在手机方面有更大的空间，因为如今的手机系统已经越来越重视对多媒体的表现能力，这时NVIDIA的介入必将给手机多媒体能力带来质的的飞跃，如今的手机对视频最高处理能力是720P，今后很可能就是1080P乃至更高。手机CPU之各型号CPU比较 1、德州仪器优点：低频高能且耗电量较少，高端智能机必备CPU缺点：价格不菲，对应的手机价格也很高2、INTEL优点：CPU主频高，速度快缺点：耗电、每频率性能较低 3、高通优点：主频高，性能表现出色，功能定位明确缺点：对功能切换处理能力一般4、三星优点：耗电量低、价格便宜缺点：性能低5、Marvell优点：很好继承和发挥了PXA的性能缺点：功耗大手机CPU之CPU的历史 说起手机CPU的历史，笔者给大家提一个问题：“世界上第一款智能手机是什么呢？”相信很多人的答案是爱立信的R380或诺基亚的7650，但都不对，真正的首款智能手机是由摩托罗拉在2000年生产的名为天拓A6188的手机，它是全球第一部具有触摸屏的PDA手机，它同时也是第一部中文手写识别输入的手机，但最重要的是A6188采用了摩托罗拉公司自主研发的龙珠(Dragon ball EZ)16MHz CPU，支持WAP1.1无线上网，采用了PPSM （Personal Portable Systems Manager）操作系统。龙珠(Dragon ball EZ)16MHz CPU也成为了第一款在智能手机上运用的处理器，虽然只有16MHz，但它为以后的智能手机处理器奠定了基础，有着里程碑的意义。而之所以大家都认为诺基亚7650是第一款智能手机，是因为其影响力也是非常巨大，尤其在塞班粉丝心中的地位无可取代，它是世界上首部2.5G基于 Symbian OS操作系统的智能手机，并首次将摄像功能置于其身，该机采用了ARM的处理器，主频为104 MHz，在那个年代运行速度可谓是飞快啊，此后诺基亚的主要智能机型也一直沿用ARM的处理器，笔者会在后面ARM的介绍中仔细说明。从第一款智能手机面世，手机CPU已经在风风雨雨中做过了近十个年头，主频也从当初的16MHz上升到如今的1GHz乃至更高，CPU的种类也更加多元化，像Intel Xscale 、ARM、TI OMAP、高通、Marvell，都是其中的佼佼者，下面笔者详细介绍下各类型CPU并说明它们之间的区别。手机CPU之TI OMAP型号一览 德州仪器各型号CPU一览 型号 处理器 工艺 主频 缓存 特点 代表机型 OMAP710ARM926EJ-S150nm132MHz一级缓存16K，二级8K得奖无数摩托罗拉MPX200OMAP730ARM926EJ-S130nm200MHz一级缓存16K，二级8Kvoltage低电压多普达565、575OMAP733ARM926EJ-S130nm200MHz一级缓存16K，二级8K适合于Smartphone平台摩托罗拉MPXOMAP750ARM926EJ-S130nm200MHz一级缓存16K，二级8K提升在流媒体和应用程序中的处理性能多普达566、586OMAP850ARM926EJ-S130nm200MHz一级缓存16K，二级8K提供对IEEE 802.11b/g无线协议的支持多普达830、838OMAP1510ARM926EJ-S130nm168MHz16KB一级缓存和与共享的192KB高速缓冲节约功耗、针对S80系统诺基亚9300、9500OMAP1611ARM926EJ90nm204MHz2M的高速缓存应用程序处理能力强摩托罗拉MPX220OMAP1710ARM926EJ-S90nm220MHz32KB数据缓存以及多媒体流数据专用2KB缓存支持3G，曾经的杰作诺基亚N73、N91OMAP2420ARM113690nm330MHz5Mb的SDRAM内部集成了5Mb的SDRAM诺基亚N82、N95OMAP2430ARM113690nm450MHz32KB数据缓存以及多媒体流数据专用2KB缓存带2D/3D加速功能三星I8510OMAP3430ARM Cor tex-A865nm800MHz32KB一级缓存手机CPU揭秘之Intel&Marvell型号一览 Intel Marvell各型号CPU一览 型号 工艺 主频 缓存 特点 代表机型 PXA25x150nm200-400MHz一级缓存32K，二级8K第一代产品MIO 336PXA26x130nm200-400MHz32MB的StrataFlashFlash内存芯片多普达696PXA27X130nm312-416MHz32MB的StrataFlash增加了对Memory Stick记忆棒的支持多普达D900、818PXA3XX80nm624-806MHz二级缓存和片上SRAM 提升在流媒体和应用程序中的处理性能三星M4650、I908PXA93080nm624MHz16KB一级缓存和与共享的192KB高速缓冲节约功耗，高运行手机CPU揭秘之高通型号一览 高通各型号CPU一览型号工艺主频缓存特点代表机型MSM626065nm225MHz2M的高速缓存第一代65nm芯片INQ INQ1MSM650065nm225MHz2M的高速缓存低功耗中兴D90MSM655065nm225MHz2M的高速缓存主要应用黑莓手机黑莓83XX系列、81XX系列MSM680065nm628MHz2M的高速缓存第一个支持CDMA2000 1xEV-DOLG VX9700MSM720065nm528MHz2M的高速缓存高度集成、Java硬件加速多普达P860、LG KS200MSM7201A65nm528MHz16KB一级缓存和与共享的192KB高速缓冲多媒体处理能力强多普达HD、索爱X1、G1MSM722565nm528MHz2M的高速缓存轻薄中兴N61MSM760065nm624MHz1M线高速缓存ATI 3D处理芯片黑莓9530QSC111065nm450MHz1M线高速缓存单芯片组华为C5600QSC825045nm1GHz3MB二级缓存 全面兼容性，超高手机CPU之CPU的未来 最近包括德州仪器、Intel等都最出了主频高达1GHz的CPU，在搭载高通生产主频为1GHz的TG01上市后，高通还要发布主频为1.3GHz的QSD8650A芯片组，在未来CPU的主频将会越来越高，兼容能力和运行能力也会越来越强，搭配的功能也将会更多。高通、IT、ARM的负责人都曾公开表示，手机CPU的未来潜力将比PC端更要大，简单的双核是不能满足手机功能的，只有更高更强才符合所有手机用户的需要。Tegra3 vs MSM8960 vs Exynos4 Quad你一定很厌烦Android平台上无穷无尽的硬件大战，但我们很遗憾的告诉你：在谷歌对Android发展方向作出战略性调整之前，硬件规格是评价Android设备好坏的重要标准，甚至是唯一标准。看看那些历代些热销的Android手机型号：Droid 2、Galaxy II、One X、Galaxy S III，它们无不具备同时代手机中领先的硬件规格。即便是iPhone和iPad，为了实现一流的体验，也配备了地球上最庞大的嵌入式GPU。可以这么说：一台硬件规格强悍的手机不一定是好的Android手机，但一台好的Android手机，必然是一台硬件规格强悍的手机。我们在爱活特色栏目“新技术研习社”中刊发的手机处理器科普文章“拨开浮云见月明 爱活带你详解手机双核处理器”获得了群众的一致好评。如今时间已经过去整整一年，面对市面上那些眼花缭乱的新品，我们再次拿出了一份新的评析，帮助大家擦亮双眼，更好的识别Android手机硬件。由于德州仪器没有参与今年的旗舰SoC之争，因此这一轮的竞争对手只有骁龙S4、Tegra3、Exynos4 Quad三款，不过它们之间的理念和技术差异却大大超过以往，体现了厂家之间鲜明而迥异的风格和特点。按照惯例，我们依然先单独介绍每一个SoC处理器，接着结合性能测试进行技术横评，最后展望未来发展。如果你对自己的技术水平没有信心，也不要紧，看个热闹就行，你来我往的手机处理器军备竞赛还是挺有乐趣的。Part.1 三款处理器的今生前世四核先锋nVIDIA Tegra3nVIDIA的策略一向是以快制胜。早在去年年底，Tegra3就已经走入了实际产品，今年第一批搭配四核处理器的手机也采用了这颗芯片。Tegra3的架构与Tegra2相比改动并不大，只是将CPU子系统从双核Cortex A9增加到了四核Cortex A9，集成的GPU也依是较老的GeForce ULP系列，不过像素处理、光栅化等组件进行了增强。内存方面，Tegra3并没有做出改动，依然只支持单通道LPDDR2，虽然引入了DDR3支持，但对于手机而言这样的支持实际意义并不大。作为台积电最大的合作伙伴之一，nVIDIA很清楚台积电在28nm工艺上的进度，因此选择了使用较为保守的40nm工艺。为了抵消这个的影响，nVIDIA引入了一个非常有意思的设计，那就是我们所知道的“4+1架构”。这方面之前已有介绍，这里就不再重复了，没有看过的同学可以点这里。Tegra2由于存在缺少NEON协处理器这个明显的缺点而在双核时代竞争力大减，Tegra3没有再犯同样的错误。但这并不意味着Tegra3没有缺点。由于主核和伴核共享同一片1MB的二级缓存，而两者的频率之间最多可以差到3倍，因此Tegra3的二级缓存被设计为按照一个固定的时间返回核心所请求的数据对于主核而言，二级缓存的等待周期会多一些，而对于伴核而言则少一些。这样的设计可以简化硬件复杂度，但不可避免的会让二级缓存工作在一个比较“慢”的状态（尤其是对主核心而言），进而影响整体性能。而实际上由于伴核的工作条件比较受限，并不是随时随地都可以切换，因此很多时候Tegra3也不得不以高功耗的主核心去应付低负载，也许会对功耗产生负面影响，这些问题在后面的测试中我们会尝试去观察解析。架构为王高通骁龙S4 MSM8960虽然有所规划，但高通首先拿出的却不是四核产品，而是双核的MSM8960。不过千万不要觉得这一代高通又跪了，实际上MSM8960可能是这一代中最为先进的产品。除去28nm工艺之外，它还采用了新的Krait核心。与上一代Scorpion类似，Krait同样也是高通在ARM v7-A指令集上自行发展的核心设计，就像ARM官方以Cortex A命名的核心设计一样。值得一提的是，在很多场合下，很多人都觉得Krait是和Cortex A15同级的产品，这个说法是不准确的，这在后面我们会单独拿出来详细解释。言归正传，自行设计处理器的好处就是灵活，不需要跟着ARM的脚步走。所以高通的策略就是隔代升级，每一次设计一个比ARM官方这一代强一点、比下一代弱一点的核心，然后ARM升级两次，自己升级一次Krait核心面对Cortex A9核心就如同当年Scorpion核心面对Cortex A8一样，是具备一定优势的，而面对Cortex A15核心则处于劣势。作为私有核心IP的设计者，高通不愿意也不需要研发那么多种核心实现，因此这样的思路是合适、也可以节约很多成本。MSM8960的GPU比较令人失望，因为它只是将上一代S3的GPU简单超频50%而来，除此以外并没有任何改变。当然这里并不是说超频这种方法不好后面可以看到另外一家厂商也采用了同样的策略，主要是因为S3的3D性能本身就不是很强，因此仅仅简单超频的结果就是S4的3D性能依然比较弱。当然高通也知道这点，因此计划推出搭载了全新架构Adreno300的S4 Pro，只是这个产品将何时用于手机还是未知数。其它方面，MSM8960都是中规中矩，双通道LPDDR2内存、1MB二级缓存，1080p多媒体支持，外加高通高集成度解决方案（这其中自然也包括备受争议的高通音频Codec），尤其是作为现阶段唯一的LTE实现方案，因此很容易理解为什么众多厂家选择在中高端产品上纷纷应用这颗处理器。稳扎稳打三星Exynos4 Quad最后登场的Exynos4 Quad和之前的两位比起来就显得朴素多了：除去额外的两个核心、增加的一个图像信号处理器（据说性能和功能都很烂）、HDMI接口提升至1.4版以及视频硬件解码上的些许改善以外，和上一代双核“猎户座”Exynos 4 Dual 45nm可以说是毫无差别。但是即便如此，三星依然可以对这款产品底气十足，原因之一是上一代Exynos 4 Dual 45nm在规格和性能上已经足够优秀，而更重要的是，Exynos4 Quad的杀手锏是先进的工艺。相对于高通对于自家产品工艺宣传方面的高调，三星在这方面相对要低调一些，很多人知道高通S4芯片组是采用28nm工艺制造，但实际上三星采用的工艺更加先进32nm HKMG。可能很多人会觉得费解，为什么32nm要比28nm工艺先进？这里我们暂时卖个关子，后面的文章中会详细介绍这方面的细节。之前我们提到了，除了高通以外，还有厂家在新产品上采用了超频大法，那就是三星。Exynos4 Quad集成的GPU依然是Mali400 MP4，虽然并不是传言中的Mali T604，但由于新工艺的引入，三星将它的工作频率直接提升了到原来的两倍，在性能也几乎翻倍的同时基本维持了功耗的不变。至于其它方面的特性，因为实在是乏善可陈，这里就不重复了。OK，到此为之新一代旗舰平台的三位成员就介绍完毕了。可以看出这三个厂家的产品的确具备了完全不同的风格和倾向，那么到底谁是这个时代的最强者呢？Part.2 庖丁解牛三款处理器技术浅析第一回合：半导体工艺制程在高集成度的半导体微处理器行业中，半导体工艺制程可能是除去设计以外最重要的因素。高通、三星、NV三家公司分别选择了三种不同的工艺：Tegra3采用了台积电“40nm Fast G”，MSM8960采用了台积电“28nm LP”，Exynos 4 Quad则采用了三星自家的“32nm LP HKMG”。这些工艺的代号可能会让你眼花缭乱，但实际上它们才是理解工艺细节的关键。我先来好好了解一下半导体工艺的相关基础细节。线宽可能是半导体工艺中最直观的一个参数，例如28nm、45nm，但这也可能是最具欺骗性的参数。大家都可能认为数字越小越先进，但实际情况远没有这么简单。目前的半导体行业中存在两种类型的企业，一种是以Intel、三星为代表的拥有自主制造能力的企业，另一种则是以nVIDIA、高通为代表的Fabless，即设计代工型企业。对于后者而言，芯片的制造往往交给诸如台积电、意法半导体等代工厂负责。最近10年来，每一代逻辑芯片工艺的线宽基本上都是以70%的比例不断降低，就Intel为例，近几年我们熟悉的有 90nm、65nm、45nm、32nm和最新的22nm。由于这些企业的工厂主要为自用，工艺参数往往只是用于辅助宣传，但对于台积电而言，由于它的业务是代工，因此有可能是出于宣传自己工艺的角度，台积电自130nm节点开始，每一代工艺的线宽都要比Intel小一点分别是 80nm、65nm、40nm、28nm和20nm。这样的确会营造一种更加先进的感觉，但实际上可能只是商业策略居多，就本质而言大家依然是同一代工艺。Tegra3所采用的40nm工艺是属于45nm一代的节点，而Exynos 4 Quad和MSM8960采用的32/28nm则是最新一代的节点，后两者之间不存在谁更先进的区别。那么为何nVIDIA要采用上一代工艺呢？原因相信在最近的新闻中大家都能明白那就是产能。由于nVIDIA长期以来和台积电在最先进工艺领域深入合作（NV的PC显卡基本全由台积电代工，这些产品可比手机处理器复杂多了），因此NV很清楚台积电28nm工艺的进度比预期要慢得多。为了保证Tegra3不会被影响，NV依然选择了上一代的40nm工艺。这自然会付出功耗和性能的代价，但这也让nVIDIA可以提前对手接近半年推出自己的产品，占得市场先机华硕Transformer、谷歌Nexus 7、HTC One X，LG 擎天 4X，第一批上市的四核心Android设备用的全是Tegra3，为何？答案是：只有Tegra3一块芯片可用，其它根本还没生产出来。台积电28nm工艺原本计划在2011年9月量产，而一直到今天，它还只进入早期量产阶段，产能预计要到年底才能勉强达到供需平衡，高通自然也深受其害。当然，功耗的代价也是nVIDIA必须付出的，否则也不会有4+1架构的出现。好了，你已经明白“线宽”这个参数的区别，让我们接着来看线宽后面的参数，如上图中提到的“Fast”和“Low power”。大体来说，一代线宽下都会有三个工艺方向：高性能型、通用型、低功耗型。高性能型工艺功耗大、漏电大，但是可以让芯片工作在极高的频率下，获取最大的性能；低功耗型工艺功耗低、漏电小，但芯片的最高工作频率会受到明显限制，通用型则介于两者之间。同样的线宽，不同的工艺方向，差别甚至可以达到数倍之多，因此只谈论线宽是没有意义的。在这一代的旗舰平台中，高通和三星的芯片均采用了低功耗型即LP工艺，唯独nVIDIA因为设计了LP工艺制造的伴核，从而使用通用型即Fast G 工艺制造剩下的部分以追求更低的满负荷功耗。方向之外，一个节点的工艺还有很多其他的技术细节。我们注意到开头的工艺介绍中，Exynos 4 Quad的工艺介绍中有HKMG字样，这四个字母就代表着工艺技术细节，它指高介电常数金属栅极，英文为High-K Metal Gate，缩写为HKMG。这是一个非常先进但也非常复杂的技术，这里就不介绍具体细节了，大体而言，HKMG就是利用高介电常数的金属氧化物（例如氧化铪或者氧化铝）代替二氧化硅作为栅极绝缘层，提高栅极对电子的容纳能力与对沟道的控制力，进而降低漏电，更重要的是降低高频率下的功耗。根据三星提供的数据， HKMG相对于SiON/Poly-Si工艺在同样的延迟（即频率）下漏电最多可以降低到十分之一，而同样的漏电下频率最多可以提升40。Exynos 4 Quad也正是借助这样的先进工艺，在核心数翻倍的情况下，整体功耗依然降低了20%。而高通在MSM8960上的选择就相对保守。虽然台积电也拥有28nm HPL HKMG工艺，但高通选择的却是基于SiON/Poly-Si的28nm LP工艺。这一方面是因为HKMG会抬高制造成本，更重要的是台积电的28nm HPL HKMG工艺产量太低且延期太久，迫使高通不得不选择较为早量产的28nm LP这自然会对MSM8960的功耗带来一定负面的影响。因此综合来看，这一代平台中工艺最为先进的是三星Exynos 4 Quad，其次是高通MSM8960，再次是Tegra3。当然，Tegra3也达到了自己的目的它的发布时间已经抢占先机，成功进驻了一大批设备。第二回合：基础架构骁龙S4真的是A15吗？前文中我们曾提到，骁龙S4所采用的核心是自行研发的，高通表示这颗处理器的基础架构要远比Cortex A9先进，那么，它算不算ARM新一代架构Cortex A15呢？为了解释这个问题，首先我们要来看一下所谓核心的概念。首先要明确的是，ARM所谓的Cortex A架构并非只有一个执行核心，它是一套完整的处理子系统，包含核心、内存管理单元、协处理器、多核心协同控制器、总线控制器、缓存控制器等等在内，而执行核心仅仅是其中的一个部分而已。看过很多介绍文章的读者应该知道，Krait核心拥有3指令并发、全乱序执行等“类似于A15”的设计参数，但这仅仅是处理核心上的某些共同之处而已，实际上它们之间有着很大的区别。我们用Cortex A9作为例子，带领大家粗略了解一下处理器的架构：处理器的工作过程是拾取指令-解码指令-分派给执行机构-进行运算-把结果写回内存-拾取下一条指令。可以看到，指令从左下角的预取（Prefetch Stage）级进入到上方的解码（Decode Stage）级，经过必要的处理（Register Rename）后，进入乱序指令分发（Dispatch）级，送给各个执行（ALU/NEON）器，最后进入乱序写回（Write back）部分。这一条路径，就是所谓的指令流水线，也就是下面这张图。Cortex A9的指令解码器（图中De）具备单周期解码两个指令的能力，而乱序指令分派器（图中Iss）具备3+1个端口，也就是说每个时钟周期最多可以分派4个指令，而执行单元部有两个通用执行器（其中一个支持并发执行一个硬件乘法）、一个访存器和命名为“Compute Engine”的运算协处理器，也就是我们知道的VFP和NEON。Cortex A15的执行管线相对于Cortex A9而言得到了比较大的强化，取指宽度从Cortex A9的64bit提升到了128bit，而且单周期解码能力增加到了三个指令。这是我们最常提到的提升，但这其实并不是最大的改变，最大的改变有两点，这里先看分派器和执行器。与Cortex A9的3+1分派不同，Cortex A15的分派器具备8指令分派能力，相较A9而言提升了一倍有余，执行器不仅4组对应的扩充到了8组，还额外增加了分支跳转单元和硬件乘除法单元。在Cortex A9上，VFP和NEON公用一个分派端口，而在Cortex A15上它们各自拥有自己的分派端口，这可以有效缓解指令冲突问题。相对而言Krait的资料比较缺乏，目前只知道单周期解码能力为3、指令分派能力为4、执行单元一共有7个，其它方面则不得而知，很可能缺少的就是分支单元。从规格而言，Krait的执行核心部分介于Cortex A9和A15之间，如果从指令分派角度来看，Krait更像是增强版Cortex A9，高通给出的3.3DMIPS/MHz的理论运算数据也说明了这一点。当然这只是理论运算能力，实际表现和很多其它因素也有关系，后面我们会分析。协处理器方面，Krait采用的NEON协处理器拥有128bit的SIMD宽度，这要比Cortex A9处理器的64bit SIMD来的更宽，与Cortex A15同级。浮点协处理器方面也是如此，搭配的是Cortex A15的VFPv4，性能方面大约两倍于Cortex A9的VFPv3。但是这并不意味着Krait等同于Cortex A15，事实上Cortex A15第二个重大的改变就在这里。上图就是Cortex A9的浮点运算单元。它的内部实现了管线化架构设计，拥有自己独立的指令队列和指令分派，但是每个周期只能分派一个指令。虽然图上没有画出来，但是VFP/NEON指令的具体解码在Cortex A9中是在浮点运算单元中实现的，因此相对于其他的执行管线而言，独立性显得比较明显。到了Cortex A15，浮点运算单元被以其他运算器相同的运作方式整合到了处理器的主管线中，具体而言，就是VFP和NEON的指令解码和其它类型的指令一样是在前端直接实现，无需自行解码，运作架构也和其他执行器相同。此外，VFP和NEON运算器内部实现了双指令发射，可以同时执行两条SIMD指令，四个融合MAC运算，甚至还具备了乱序执行能力。我们都知道乱序执行对性能的贡献，因此可以看出，Cortex A15在这方面的改进也是非常巨大的。而根据现有的资料，高通S4并没有引入这些复杂的设计，因此与Cortex A15有着相当大的差距。最后我们用一张图来简单比较一下Cortex A9、Krait和Cortex A15的执行管线：除去执行管线的增强，Cortex A15的二级缓存也进行了大幅度的升级。在Cortex A9上，ARM设计了多核心共享式二级缓存，但这个缓存是通过外部总线访问的。可以看到，两颗Cortex A9处理器通过标记为PL310的二级缓存控制器连接到1MB的缓存上。PL310的内部结构如下：结合之前的架构图，我们就可以推测，PL310提供的两个AMBA3 AXI 64bit接口，一个会用来进行指令拾取，而另一个则用户访问二级缓存。在Cortex A15上，ARM将二级缓存控制器直接整合进了A15多核心控制器SCU中，与所有的核心构成了一个紧密耦合的整体。不但如此，Cortex A15的二级缓存架构还针对多核心访问设计了4个独立的TAG队列，将多核心控制器整合进L2系统并支持直接的CPU到CPU数据传输，这一切都是为了极大提升多核心下并发访问缓存的性能。Intel曾经说过Cortex A9糟糕的二级缓存性能限制了它的性能，很明显，ARM决心在Cortex A15上改进这个缺陷。至于高通S4平台，根据目前的资料，虽然Krait已经淘汰了S3平台上每个核心私有缓存的设计，但是并没有达到Cortex A15的高度，实际上采用的应该是类似于Cortex A9的缓存架构。到这里大家应该就明白了，认为Krait是类似于Cortex A15架构的说法是不准确的。事实上，骁龙S4的“Krait”架构是一个相对上代Scorpion而言执行核心经过强化、配备了Cortex A15级协处理器、采用了类似Cortex A9存储架构的处理子系统，整体而言介于Cortex A9和A15之间，看作是“增强版A9”而不是A15级设计比较恰当。第三回合：多核心构成方式胶水 vs 胶水关注高通的读者应该都知道，高通的移动处理器采用的都是所谓的异步架构，高通自始至终对外将异步架构宣传为一个先进的技术，而大家则把它戏称为“胶水”。抛开其中的戏虐调侃之意，异步多核究竟能不能被称为“胶水”呢？三款处理器多核心结构有何优劣或者不同？本次我们打算用一个浅显易懂的例子来解释异步多核心。如果我们把智能手机系统看作一个银行的营业厅，处理器就是窗口和窗口后面坐着的客服人员，而指令就是排队的人。如果一个营业厅只有一个窗口和一位客服人员，可以简单理解为营业厅是“单核”的如果业务过多的话，这个客服人员就会忙不过来，也就是说这个单核的手机就会变得很卡。在这种情况下，银行可以增加一些客服人员与窗口，来提升处理能力，这就是所谓的“多核心”。此时有两种选择，第一是在唯一的窗口后面增加一名客服人员，而另一种选择则是额外开启一个新窗口，并再配备一名客服人员。在计算机系统内，前一种方案就对应异步架构，而后一种方法则对应同步架构。银行客服人员可以看作是“运算能力”，而银行窗口则代表着“吞吐能力”。异步架构的本质是维持同样的吞吐能力，提高运算能力，而同步架构则会同时提升这两者。自然的，前者要付出的代价比后者低，因为不需要额外再设计一个窗口，但缺点也显而易见：如果客户办理的都是非常简单的业务例如存款取款，那么整个营业厅的工作效率最终会受制于窗口的数量（一个）而不是客服人员的数量（两个）。在这种情况下，拥有两个窗口的营业厅可以获得接近两倍的处理能力，而用有两个客服人员的窗口则不会有太多的提升。当然，如果客户办理的都是诸如购买保险这类复杂业务，那么一个窗口拥有两个客服人员就可以较好的提升营业厅的处理能力，但在目前的手机应用环境下，这样的情况是比较少的。因此，异步架构总体而言相对同步架构而言性能损失比较明显。理论上，异步架构的好处是设计简单、实现方便，缺点是性能低、吞吐量差。我们可以考虑极端的情况，假设在一个窗口后安排四名甚至八名客服人员，这个窗口是绝不可能获得四倍或是八倍与单人的工作效率，因此异步架构只有在高强度运算密集型的体系中才会得到应用，而在民用领域，以Pentium D为代表的异步架构处理器在2006年后基本就被淘汰了，目前只有ATOM还在采用这样的设计。虽然异步架构通过合适的任务分发机制可以让多个核心运行在不同的频率下例如某个核心负载较小，就可以让其运行在更低的频率下，高通声称这最多可以节约40%的功耗。但是，如果要获得明显的功耗优势，这两个核心的频率和负载就要有足够大的差异，在这样的情况下，由于其中一个核心负载非常小，同步架构也可以选择关闭这颗核心。因此异步架构的省电特性未必能反映到实际使用中，而且随着硬件升级浪潮下核心数量的增加，异步架构所带来的性能损失会越来越大。很不幸的是，高通骁龙S4，也就是MSM8960依然选择了异步架构，甚至高通未来规划中的四核Krait产品（如APQ8064）也将继续沿用异步架构，这不得不说是一个遗憾。至于Exynos 4 Quad和Tegra3，它们因为基于Cortex A9设计，因此采用的都是同步架构。虽然理论上同步架构的吞吐不是问题，但实际中依然会受到很多因素的影响，比如存储系统带宽，准确说是PL310这根数据总线。之前我们提到了，由于PL310只提供了两个64bit的AMBA3 AXI接口，因此众多核心只能通过一个64bit的AMBA3 AXI接口访问二级缓存。另一个接口则用于CPU取指，宽度也仅仅只有64bit。由于AMBA3总线的设计特性，这种设计的并发性会相当差，导致CPU会长时间处于等待状态，从这个角度而言，四核心Cortex A9的确不是一个很好的设计，因为它同样会遇到吞吐量的瓶颈S4的瓶颈是吞吐量，而A9的瓶颈是存储系统带宽。这个问题对于Tegra3而言会更加严重，因为Tegra3为了实现“4+1架构”，二级缓存的工作速度大约只有正常速度的一半，这无疑会进一步削减多核心时的系统性能。所以说，不论是MSM8960、Tegra3还是Exynos 4 Quad，其多核心架构都有缺陷，第一代四核手机处理器，大家都不完美。相对而言，至少在缓存方面，Exynos 4 Quad要好于MSM8960，而Tegra3再一次为它“只求最快问世”策略付出了一定的代价。第四回合：内存最容易被忽视的细节内存是一个极易被忽视的重要环节，智能手机的CPU和GPU都要从主内存中存取数据，随着屏幕尺寸的步步提升，智能手机内存容量、带宽的压力与日俱增。自从进入Cortex A9以来，绝大部分主流的手机SoC处理器均引入了双通道内存的设计。只有两个例外，其中一个是Tegra2， 另外一个则是MSM8x60。这两颗SoC均只支持单通道内存，因此带宽方面有一定的缺陷，也最终导致了性能的不理想。那么在新一代的旗舰平台中，大家都选择了双通道吗？答案依然是否定的，因为Tegra3再一次成为了例外。但是不要急着先骂nVIDIA，因为他们的解决方案简单粗暴而又有效Tegra3直接提升了内存的运行频率，照样可以实现较高的带宽。根据官方提供的资料，高通的MSM8960支持双通道LPDDR2内存，但它的内存频率仅仅运行在等效533MHz下，也就是说MSM8960的内存系统实际上是双通道LPDDR2 533。通过计算可以得到，这样的内存系统，带宽约为4.2GB/s。Tegra3虽然仅支持单通道LPDDR2内存，但等效频率高达1066MHz，因此它的带宽同样也是4.2GB/s，而且由于频率的提升，Tegra3的内存访问延迟要大大低于MSM8960，具体的数字可能会在3040%左右。这是一个非常有趣的结果，单通道的性能反而比双通道更加优胜。当然，NV这样的提升牺牲了功耗，就像双核1GHz的处理器功耗要低于单核2GHz一样。至于Exynos 4 Quad，它的内存子系统是双通道LPDDR2 800MHz，因此拥有最大的带宽6.4GB/s，延迟则比Tegra3略高。究竟带宽和延迟在实际应用中谁更重要是一个很难直接给出的结论，在后面的测试中我们会想办法去寻找由这点带来的差异。但是不论如何，MSM8960的内存子系统相对而言都是最弱的，Tegra3和Exynos 4 Quad可以说是各有优劣。考虑到未来高通的四核Krait产品依然将沿用这样的内存规格，过小的带宽和过大的延迟可能会成为制约高通产品发挥性能的一大桎梏。第五回合：功耗谁是好男人在之前的工艺对比一节中，我们知道Exynos 4 Quad、Tegra3、MSM8960三款旗舰平台采用了三种不同的工艺，因此自然也会产生不同的功耗。目前智能手机的功耗越来越大，一天数次充电已经成为了常态，因此谁的功耗最低，有可能谁就将会在这一轮的旗舰大战中占据有利位置。Tegra3包含别具一格的伴核，MSM8960拥有目前代工领域最小的线宽，Exynos 4 Quad则有最先进的HKMG加持，究竟鹿死谁手，下面我们来详细分析。nVIDIA在Tegra3的白皮书中给出了功耗对比，Tegra 3的整个CPU部分工作在1GHz频率下的功耗大约是1.26W，而Tegra3的实际产品运行频率是1.5GHz，这个频率下的功耗nVIDIA并没有提供，我们只能根据经验来预估。由于Fast G工艺的漏电比例较大，因此Tegra3在1.5GHz下的功耗可能是在2.5W左右。考虑到Tegra3的几乎整颗芯片都用的是40nm Fast G工艺制造，因此也可以猜测在其它通用硬件上，Tegra3的功耗会相对大一些。当然，Tegra3有一个LP工艺制造的伴核。但是这个伴核更多是用于在待机时避免Fast G工艺的高漏电而设计的，对于正常使用的贡献并不大。GPU方面，由于完全没有任何可以参考的资料，所以Tegra3的GPU究竟功耗多少，只能从实际使用续航中加以猜测。根据我们的实际测试，Tegra3手机的续航时间都不会太长，我们推测Tegra3的GPU功耗应当在1W左右，也就是说整颗Tegra3芯片在CPU和GPU满载的时候，功耗大约在3.5W左右（该数字并非官方提供，仅供参考）。其次是Exynos 4 Quad。到目前为止三星依然没有公布Exynos 4 Quad的详细资料，但我们知道同样工艺的双核版Exynos 4 Dual 32nm的信息。在图上可以看出，1.5GHz的双核Exynos 4 Dual 32nm的CPU部分功耗大约是在1W左右，每颗核心大约500mW。而Exynos 4 Quad的工作频率为1.4GHz，因此估计的功耗大约会是430mW，也就是说四核心的总功耗在1.7W左右，相对于Tegra3而言大约低了30%。猎户座的GPU部分功耗图中也有所体现，45nm工艺下，运行频率为266MHz的Mali400 MP4的功耗大约是105mW，由于Exynos 4 Quad的GPU运行频率大约是400MHz，因此经过估算功耗大约在160mW左右。至此，Exynos 4 Quad的CPU+GPU最大总功耗就可以计算出来了，大约是在1.9W左右。最后是MSM8960。相对于前两者的频繁估计不同，由于高通提供了MSM8960的开发平台，因此各项功耗都可以轻松直接测量。借用其它媒体的结果，虽然功耗随着频率和负载的波动变化很大，但当工作在1.5GHz时，Krait CPU功耗大约是在700750mW，因此总功耗这里取1.4W。这个数字在这一代的旗舰平台中是最低的（当然单颗核心功耗不是最低的），也就是说MSM8960在纯CPU的任务下是最省电的。但是令人惊讶的是，MSM8960的GPU功耗高的难以置信，最高达到了1.6W，平均而言也有1.1W左右几乎是Exynos 4 Quad的七倍。受到GPU拖累，MSM8960的CPU+GPU总功耗还是突破了2W大关，大约在2.5W左右。Android 4.0以后的系统中对于GPU的使用会非常频繁，这也许会对MSM8960的功耗带来一定的影响。在之前的工艺分析中，我们提到过，高通没有选择最先进的28nm HPL HKMG工艺，可能会对产品的功耗表现产生一定的负面影响，在这里我们可能已经看到了结果，拥有HKMG技术加持的Exynos 4 Quad在三大旗舰平台的功耗里是最小的，其次是MSM8960，Tegra3由于伴核的存在，实际使用中的功耗比较难以估测，但如果是极限情况下则明显不容乐观。毫无疑问，最容易让手机变成好男人的是Tegra3。Part.3 三国演义：实测数据对比分析看完了理论分析对比，相信大家也都累了。三颗处理器究竟孰优孰劣，还得经过实际测试才能知晓。我们整理了Anandtech、gsmarena等数家国外权威媒体的测试成绩，并尝试通过分析结果来验证一下理论分析的结论。在未来，我们还会亲自对这三个平台进行性能测试，以追求更加全面的结果。需要注意的是，因为各种原因，有些测试程序的参考价值有限，如Neocore、Nenamark v1和Vellamo。对于这类测试，我们决定直接忽略。首先我们来看一些理论性能测试，作为对比，我们在图表里加入了1.2GHz的Exynos 4210与1.5GHz的MSM8260。Linpack是最近出厂率比较高的测试之一，靠求解线性方程组来测试系统的浮点运算能力。双核的MSM8960在这个测试中取得了压倒性的领先，超过其它两款四核对手，这主要是缘于Krait的浮点协处理器为VFPv4，而A9和Scorpion只有VFPv3。浮点运算性能在现阶段的实际应用中体现的较少，因此这项测试的实际意义可能更多是体现在未来。比较有趣的是，Exynos 4 Quad的单线程性能不如Exynos 4210，这也许就是受到了带宽问题的影响。接下来是几乎逢评测必测试的兔子跑分。这是一个综合测试项目，我们先来看总分，再慢慢分析。Exynos 4 Quad是三大平台里分数最高的，其次是Tegra3，再次是MSM8960。双核和四核在这里体现出了差距，但是我们还需要来仔细看一下单项得分。内存的结果比较有趣，看起来兔子跑分的内存测试会消耗很多的CPU性能