图形处理能力领先 NVIDIA手机芯片解析(全文)

2012-05-23 19:08:42 来源: 网易手机 举报
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作为世界领先的图形处理器研发制造商,NVIDIA在08年开始涉足移动终端芯片领域。尽管其Tegra一代系列产品市场表现不佳,但后续率先推出的双核Tegra2以及四核Tegra3处理器芯片还是在业界引起不小轰动,下面就带大家来NVIDIA Tegra系列处理器的详细解析。

在智能手机快速普及的今天,手机处理器芯片的性能逐渐开始为人们所关注,成为用户和终端厂商都绕不开的核心话题。为了让网友更加深入地了解,处理器在智能手机中所发挥的核心作用,我们网易手机将就手机处理器芯片这个核心部件展开深入探讨,详细解读目前几家主流手机处理器芯片厂商的相关产品。

以图形处理器著称的Nvidia(英伟达)公司
以图形处理器著称的NVIDIA(英伟达)公司

首先要为大家介绍的是一个近几年发展迅猛的新锐手机处理器芯片品牌—NVIDIA(英伟达),提及NVIDIA这家世界著名图形处理器研发制造商,相信很多人并不陌生,PC平台上广受好评的Geforce系列显卡就出自NVIDIA。而自从2008年开始,NVIDIA洞悉了移动智能终端平台的发展潜力,进而开始涉足手机终端芯片的研发与制造领域。

为了让网友更加深入地了解NVIDIA手机处理器芯片在产品研发上的优势以及一些网友所关心的相关问题,我们网易手机频道也采访了英伟达中国区市场经理施澄秋。

Nvidia(英伟达)中国区技术市场经理施澄秋
NVIDIA(英伟达)中国区技术市场经理施澄秋

生不逢时的Tegra一代处理器

早在NVIDIA推出旗下移动处理器品牌Tegra之前,在2008年2月11日就发布了适用于智能手机以及PDA平台的APX2500处理器,该处理器集成了一个主频为750MHz的ARM 11处理器以及一个显示核心,处理器采用65nm工艺制程,拥有256KB的二级缓存,而集成的显示核心是基于Geforce 6核心架构,支持OpenGL ES 2.0和Direct3D Mobile标准,其低耗电的架构设计使得智能手机等移动设备能够长时间播放音乐以及视频。

第一代Nvidia Tegra处理器芯片
第一代NVIDIA Tegra处理器芯片

Tegra一代处理器的核心架构图
Tegra一代处理器的核心架构图

APX2500这款处理器其实是由NVIDIA和微软联合研制的,后续还推出了APX2600(强化对NAND快闪存储器的支持)。目的在于结合NVIDIA在图形处理方面的技术优势,提高当时Windows Mobile平台产品的多媒体处理能力。而凭借超低耗电的GeForce核心以及出众的多媒体性能,这款处理器在当时看来可谓性能十分强大,包括微软的Zune HD就采用了Tegra芯片。

Tegra一代系列产品对比
Tegra一代系列产品对比

不久之后的2008年6月1日,NVIDIA就正式推出了移动处理器品牌Tegra,并且发布了Tegra 600以及Tegra 650两款处理器,之前亮相的APX 2500也被改名为Tegra APX2500。Tegra 600/650同样采用主频为750MHz的ARM 11核心处理器,另外还集成了包括图形处理单元以及存储器等周边设备,其中Tegra 650更提供了对1080P视频播放的支持。

NVIDIA希望能够借Tegra600/650以及此前发布的APX2500扩大该公司产品的应用范围,抢占智能手机以及当时颇为看好的新兴移动互联网设备(MID)市场。然而从后续的发展来看,Tegra一代系列产品的市场表现无疑是惨淡的,为何一款性能足够强大的处理器芯片最终却不被当时的主流市场所认可与接受呢。

性能很强却受限于当时的环境

关于这一问题,英伟达中国区技术市场经理施澄秋有他独到的见解。在他看来,一方面当时国内智能手机的整体生态环境发展并不成熟,Android系统平台才刚刚诞生不久,不仅供用户可选择的应用程序偏少,而且内容质量也不够丰富,程序本身并未注重视效等图形运算技术的融合。另一方面,当时高速3G网络并未普及也成为另一大制约因素。

Tegra一代产品可应用于多种移动智能终端
Tegra一代产品可应用于多种移动智能终端

不过笔者认为,除了以上两个原因之外,当时发展得如火如荼的Symbian平台无形中也限制了Tegra一代产品的销量,诸如当时诺基亚E71等热卖机型,它们更注重于通讯方面等核心体验,况且当时主流的低分辨率小屏幕手机也不足以体现Tegra强大的多媒体性能。

而在MID领域,由于Tegra系列处理器是基于ARM核心架构研发的,因而不能运行WindowsXP系统,第三方软件资源的极度匮乏使得那个时期的MID设备,在适用性和实用性方面大打折扣,市场表现远不如预期那么乐观,并不为大多数用户群体所接受。

微软Zune HD播放器搭载了Tegra芯片
微软Zune HD播放器搭载了Tegra芯片

不可否认,凭借NVIDIA在图形运算方面的技术优势,Tegra一代系列处理器在多媒体方面的确有着令人赞叹的表现,但由于当时智能手机平台的受限以及NVIDIA本身市场经验不足等客观因素,导致Tegra一代产品的市场表现不尽如人意,这也不得不让人感叹Tegra一代系列处理器有点生不逢时。

蛰伏出击的Tegra 2双核处理器

尽管Tegra一代系列产品的市场表现不佳,但经过近2年时间的深度研发,NVIDIA于2010年1月7日在CES展会上发布了其第二代手机处理器芯片,也就是我们后来所熟知的Tegra 2系列,作为全球首款双核心处理器芯片,这在业界引起了不小的轰动。

Nvidia率先发布全球首款双核处理器芯片Tegra 2
NVIDIA率先发布全球首款双核处理器芯片Tegra 2

Nvidia率先发布全球首款双核处理器芯片Tegra 2
NVIDIA率先发布全球首款双核处理器芯片Tegra 2

Tegra 2系列处理器在核心架构方面采用的是基于ARMv7指令集研发的Cortex-Ax架构,不过Tegra 2直接跳过了Cortex-A8架构,而采用当时最为先进并拥有完全乱序执行能力的Cortex-A9架构,主频设定为1GHz-1.2GHz,拥有1MB的二级缓存,并最大支持1GB内存。

双核比以往单核处理器更省电
双核比以往单核处理器更省电

相比前代Tegra产品采用65nm工艺制程,新一代Tegra 2采用更为先进的40nm工艺制程。新的制程工艺使得芯片的体积可以进一步收缩,同样尺寸的芯片可以容纳两倍的晶体管数量,由此带来的不仅是主频的提升,芯片整体的功耗也可以大大降低。

Tegra 2双核处理器芯片核心架构演示
Tegra 2双核处理器芯片核心架构演示

从Tegra 2核心架构图上我们可以看到,除了两个ARM Cortex-A9核心处理器之外,另外有一个ARM7处理器,一个音频处理器,一个影像处理器,一个高清影片解码处理器,一个高清影片编码处理器以及一个图形处理器(2D/3D Graphics Processor),这使得Tegra 2无论在上网、音视频播放、图像处理以及3D游戏的Flash加速方面都能得心应手。

双核Tegra 2在Javascript项目测试中优势明显
双核Tegra 2在Javascript项目测试中优势明显

在视频编码以及解码方面,相比前代只支持720P高清影片,Tegra 2系列可以支持1080P分辨率的H.264格式影片的编码和解码播放,而且在进行解码时所产生的功耗能够小于400mW,这是当时其他芯片所不具备的优势。而在音频解码方面,NVIDIA在2007年花3.5亿美元收购了PortalPlayer公司之后,有了PortalPlayer公司强大的技术支持,NVIDIA也为Tegra 2提供了更为优秀的音频解码器。

双核Tegra 2在游戏体验中的表现同样很出色
双核Tegra 2在游戏体验中的表现同样很出色

在图形芯片方面,Tegra2搭载的是集成8个核心的GeForce GPU,采用高度优化的超低功耗架构设计,显示核心时脉为300-400MHz。尽管GPU架构与Tegra一代并无区别,但由于Tegra 2支持LPDDR2,拥有更高的内存宽带和时钟频率,这使得GPU性能方面将有2至3倍的提升,三角形输出率为90M/s,像素填充率是1200M/s,是苹果A4处理器上所搭载的Power VR SGX535型GPU的2.5倍。

双核Tegra 2相比其他同期产品在Javascript测试上对比
双核Tegra 2相比其他同期产品在Javascript测试上对比

应该说Tegra 2处理器在整体性能上还是相当不错的,但它同时也存在一些缺陷,比如内存通道控制器的位宽太小。一般双核处理器的位宽都要在64bit以上,而Tegra 2的带宽仅有32bit,处理器性能虽然很强,但是不能够很好地发挥出来。

另外由于Tegra 2芯片并不支持Neon指令集,Neon技术是ARM Cortex-A系列处理器的128位单指令多数据体系结构扩展,可有效处理数据并尽可能减少对内存的访问,从而增加了数据吞吐量。阉割了Neon加速模块之后,使得Tegra 2上的GPU性能优势无法发挥最大化,比如不能流畅播放High Profile的1080P H264视频。

Tegra 2量产后市场表现抢眼

得益于Android平台以及整个生态环境的日趋成熟,在Tegra 2芯片量产之初凭借双核的优势以及在图形处理方面的优异表现,还是为其带来了大量的定单,包括LG以及摩托罗拉等厂商均及时推出了相关的手机产品。

首款搭载Tegra 2双核处理器的智能手机-LG Optimus 2X
首款搭载Tegra 2双核处理器的智能手机-LG Optimus 2X

而在MID领域,由于谷歌将Tegra 2强制作为Android3.0的开发参考设计平台,这使得Tegra 2在Android平板电脑方面占据了绝大多数的市场份额,赢得了华硕、宏基、东芝等PC厂商的订单。总体上而言,Tegra 2凭借强大的性能以及在游戏等方面所展现的优秀图形处理能力,在前期的市场表现还是非常令人满意的。

首款搭载Tegra 2双核处理器的平板电脑-摩托罗拉XOOM
首款搭载Tegra 2双核处理器的平板电脑-摩托罗拉XOOM

为此,英伟达的施澄秋经理也给到我们一个相关数据统计。截止至2011年,采用Tegra 2芯片的手机终端产品有近67款,而平板电脑产品则有34款。不过由于这些产品中很多并未在国内上市,这也导致很多国内的用户产生Tegra 2市场表现不佳的错觉,而实际上NVIDIA在Tegra 2的市场推广和宣传方面还是不遗余力的,特别是与很多国内厂商都保持着良好合作,并有相关的终端产品搭载Tegra 2芯片。

现有Tegra系列产品规划图
现有Tegra系列产品规划图

竞争对手强势来袭

然而紧随其后,包括高通、德州仪器(TI)以及三星等在内的竞争对手纷纷推出各自的双核处理器产品,如高通的MSM8x60系列、TI的OMAP 4430/4460以及三星的Exynos 4210等,这些产品由于研发周期相对较长,因而在整体性能方面并不亚于NVIDIA的Tegra 2处理器,同时在功耗控制以及系统兼容性方面相比Tegra 2又更出色,不够稳定的效率及相对较高的功耗成为后期制约Tegra 2销量的关键因素。

近期市场表现突出的天语W806同样搭载Tegra 2双核处理器
近期市场表现突出的天语W806同样搭载Tegra 2双核处理器

对此,英伟达中国区技术市场经理施澄秋也坦承,半导体行业是一个你追我赶持续跟进的过程,由于其他竞争对手的产品研发周期相对更长,他们后续推出的双核芯片能够很大程度上弥补Tegra 2的一些不足之处,这也使得某些方面的表现会比Tegra 2更出色。但Tegra 2凭借价廉物美的优势,目前在国内的出货量也还是不错的。而且NVIDIA也加强了与国内终端厂商的合作,如近期国内热销的天语大黄蜂W806就搭载了Tegra 2芯片。

另外,NVIDIA也充分意识到Tegra 2芯片与后期竞争对手发布的产品相比的确存在很大的改进空间,这也促进了NVIDIA后续产品的研发进程,继而率先推出了我们接下来要为大家详细讲述的四核Tegra 3处理器芯片。

再次出击的Tegra 3四核处理器

继双核Tegra 2系列之后,NVIDIA继续保持了业界领先的更新速度,开始专注于代号为KAL-EL的四核处理器芯片的研发工作,并于2011年11月9日率先推出了新一代基于ARM核心架构的处理器Tegra 3,这也是全球首款移动终端平台四核处理器芯片。

全球首款四核手机处理器芯片-Nvidia Tegra 3
全球首款四核手机处理器芯片-NVIDIA Tegra 3

与Tegra 2一样,Tegra 3仍然采用台积电40nm工艺制程,四核心最高主频为1.4GHz,单核最高主频1.5GHz。根据NVIDIA官方的介绍,Tegra 3的CPU性能最高可达Tegra 2的5倍,集成的12核GeForce GPU性能是Tegra 2上的3倍,并且支持3D立体显示,同时理论功耗值比双核的Tegra 2更低,下面就带大家详细了解这款处理器。

性能相比Tegra 2提升5倍
性能相比Tegra 2提升5倍

独有4+1多核架构管理模式

为了有效地解决多核运算所带来的功耗问题,NVIDIA首创了vSMP(可变对称多处理)多核架构管理模式,并且申请了专利技术。虽然Tegra 3名为四核处理器,实际上却包含了5个处理器核心,这5个CPU核心在内部结构上完全一致,均为Cortex-A9架构,除了四个采用高性能制程的主核心之外(每个主核心可根据工作负载独立而自动地开启或关闭),还有一个专为低功耗节电而设计的核心,它的主频被设定为最高500MHz,也被称为伴核(Companion Core)。

vSMP多核管理模式详解
vSMP多核管理模式详解

vSMP技术可允许Tegra 3针对不同的使用情况,采取不同的处理器核心解决方案,比如手机在待机、接打电话以及收发邮件等低负载情况下,四个主核心就会保持关闭状态,而仅使用低频率的伴核。

vSMP技术能提升整体性能和降低功耗
vSMP技术能提升整体性能和降低功耗

而在玩普通游戏、浏览网页加载Flash内容等情况下使用单核或者双核,只有在运行大型3D游戏、高清视频播放等操作时才会四核满负载运行,这种灵活可变的多核心调动机制很大程度上,就能降低芯片整体的功耗,从而让手机获得更长的续航能力。

需要注意的是,伴核是不能与四个主核心同时工作的,为了保证Tegra 3的高效率以及伴核与主核心之间的高速切换,在缓存、Android系统优化方面Tegra 3也有特别之处。在缓存上,主核心和伴核共享1MB的二级缓存,缓存间返回数据速度在纳秒级别,而多核心高速切换的时间间隔可小于2毫秒。

伴核最高主频设定为500MHz
伴核最高主频设定为500MHz

在Android系统下,虽然系统可以允许多个核心在不同频率下运行,但系统假设每个核心的运算能力是完全一致的,它会依次来分配计划任务,此时显然多核心工作是不够高效的。而NVIDIA表示,vSMP将一直保持被激活的核心工作在同步系统频率上,以此方式为Android系统优化,从而达到更高的效率。

与高通以及TI等对手的产品对比
与高通以及TI等对手的产品对比

相比之下Tegra 3功耗控制方面表现很出色
相比之下Tegra 3功耗控制方面表现很出色

通过vSMP技术,Tegra 3很好地解决了多核处理器在高性能和低功耗之间的平衡问题,在执行同样功能操作时,Tegra 3相比前代Tegra 2在功耗控制上具有明显的优势。而来自一份《Coremark》的测试软件的结果则显示,若达到目前主流CPU性能,Tegra 3只需要付出一半的功耗,而如果需要更高的性能,Tegra 3可以提升近一倍,但功耗却比现在主流双核心产品低20%。

伴核的引入能很大程度降低功耗
伴核的引入能很大程度降低功耗

12核心GPU图形处理优势突出

而在图形处理方面,依旧集成了超低功耗设计的GeForce GPU,相比上代产品,GPU的核心处理单元增加到12个,内存宽带相比Tegra 2提升三倍,图形输出方面支持HDIM 1.4a规范,除了完全胜任1080P High Profile 40Mbps高清播放之外,还支持3D视频的播放、输出以及2D转3D功能。同时,加强的GPU还将带来更好的实时光影效果、动态模糊效果、以及物理引擎运算效果。

Tegra 3芯片的优势一览
Tegra 3芯片的优势一览

此外,Tegra 3在成像以及显示方面也有重大提升,最高支持3200像素的主摄像头以及500万像素副摄像头,拥有全新的300M像素/s的图形处理单元。而在存储器方面,支持DDR3-L 1500\LPDDR2-1066规范的内存接口,容量最高可达2GB。

Tegra 3内置全新12核心的GPU
Tegra 3内置全新12核心的GPU

四核Tegra 3的游戏性能表现比Tegra 2提升很大
四核Tegra 3的游戏性能表现比Tegra 2提升很大

Windows 8的普及或将成新的增长点

值得一提的是,Tegra 3四核处理器将同时支持Windows 8以及Android两大移动系统平台。对此,英伟达施澄秋认为,尽管目前Windows 8平台还未得到普及推广,但这毕竟也是今后移动终端市场不可忽视的又一大新兴平台,随着Windwos 8的普及势必会在一定程度上给Tegra 3提供良好的发展契机,事实上Tegra3已经成为Windows 8的ARM版的推荐设计平台之一。

四核Tegra 3与同期产品相比整体性能优势明显
四核Tegra 3与同期产品相比整体性能优势明显

总体而言,凭借vSMP等多项独家专利技术,Tegra 3处理器芯片在性能上的表现是值得肯定的,这一点从搭载Tegra 3的HTC One X上所展现的强大拍照功能就可见一斑,NVIDIA方面也非常看好Tegra 3接下来的市场表现。

全球首款搭载Tegra 3的四核智能手机-HTC One X
全球首款搭载Tegra 3的四核智能手机-HTC One X

但NVIDIA竞争对手的实力同样不容小觑,虽然目前仅有三星以及华为推出了其针对手机产品的四核处理器,但是高通以及TI等对手也将在后续推出同等级别的产品,并与NVIDIA Tegra 3系列展开直接竞争。

这其中,高通日前就已经正式发布了其最新的Snapdragon S4系列产品,其MSM8960双核处理器不仅基于近似于Cortex-A15内核的Krait核心架构研发,而且还采用业界最先进的28nm工艺制程。

搭载四核Tegra 3的手机续航能力有待验证
搭载四核Tegra 3的手机续航能力有待验证

理论上来说,针对手机终端的高通S4双核处理器,在综合性能方面会稍逊于Tegra 3,但更先进的架构和制程工艺将使得功耗控制上则比Tegra 3更具优势,同时高通处理器所具有的高集成度特性以及LTE专利技术优势也是NVIDIA的软肋。

不过,NVIDIA已然意识到Tegra 3所存在的这些问题,在确定与瑞萨电子(前NEC半导体部门)和GCT半导体合作之后,NVIDIA CEO黄仁勋此前就表示Tegra 3芯片将在今年内支持LTE,我们也寄希望于支持LTE的改进版Tegra 3芯片能够尽快量产上市,这样无论对于终端厂商或是消费者而言都将有积极的正面影响。

小结

从Tegra一代的初次试水到后续率先推出双核Tegra 2以及四核Tegra 3处理器,应该说NVIDIA在移动芯片领域所投入的研发力度以及所取得的成就还是有目共睹的,但也必须承认目前Tegra系列产品目前所面临的,来自高通以及TI等竞争对手的压力并不小。

Nvidia Tegra系列产品未来整体规划图
NVIDIA Tegra系列产品未来整体规划图

不过英伟达施澄秋也告诉笔者,随着28nm工艺制程的进一步成熟,英伟达也将很快推出更基于这一工艺制程的芯片产品。另外,2012年下半年ARM公司就将正式推出其最新的Cortex-A15核心架构,而NVIDIA继四核Tegra 3的后续研发工作也在稳步推进中。

从NVIDIA已经公布的产品规划图来看,接下来NVIDIA势必将从工艺制程以及核心架构等方面进行改进创新,从而推出性能更强且功耗更低的Tegra 3+或者Tegra 4系列处理器芯片。NVIDIA能否借Tegra 3以及后续即将推出的新品巩固既有的市场并开拓新兴市场,继而在移动终端芯片市场站稳脚步,我们拭目以待。


波少 本文来源:网易手机 作者:徐诗、马锐宁 责任编辑:王晓易_NE0011
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