高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析(全文)

2012-05-29 18:25:06 来源: 网易手机 举报
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在移动智能时代来临后,手机处理器在智能手机中将扮演越来越重要的角色。今天,我们就带大家来详细了解下市场占有率最高的高通处理器,除了介绍其最新的产品以及技术,还将直面不可回避的非议和质疑。

写在前面

继上周我们网易手机频道为大家带来NVIDIA Tegra系列手机处理器芯片的深度解析之后,引发了网友对手机处理器芯片的强烈关注,并积极参与讨论。我们接下来将继续就手机处理器芯片这个话题展开深入探讨,今天我们要为大家剖析的是,目前市面上平台覆盖最广、产品系列最全、市场占有率最高的高通处理器,当然还有关于其扑朔迷离的非议和质疑。【延伸阅读:图形处理能力领先 NVIDIA手机芯片解析

智能手机的核心—手机处理器
智能手机的核心—手机处理器

当然,为了更加真实客观地了解高通手机处理器产品的相关内容,我们网易手机频道也就网友所关心的一些问题和质疑采访了高通资深产品经理王宇飞博士。

高通资深产品经理王宇飞博士
高通资深产品经理王宇飞博士

关于高通处理器和ARM之间的关系

正式介绍高通处理器之前,笔者认为还是先来大致了解下高通和ARM公司之间的关系。在之前的文章中我们也介绍过ARM公司以及相应的ARM架构,实际上,包括高通在内所有终端手机芯片厂商的手机处理器产品的底层都是基于ARM指令集研发的,就如同PC处理器均采用x86架构的道理一样。ARM公司授权提供核心指令集以及相应的架构,比如广泛应用的Cortex-Ax系列核心架构就是ARM所研发的,其他芯片厂商或直接拿来使用,或基于现有的架构进行二次定制修改,而像高通这样的公司则选择基于ARM指令集进行深度开发,从而形成自己独有的核心架构。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
在手机处理器领域占据核心作用的ARM公司

关于两者之间的关系,通过一个关于汽车的比喻或许能够更好的理解。ARM公司所授权的核心架构就好比汽车的发动机,手机终端芯片厂商就好比汽车厂商,它们可以凭借自己的技术优势,针对相应的市场需求制造出不同性能、不同功耗的汽车,而基于何种发动机进行研发生产,很大程度上就已经决定了这台车能跑多快。可以说ARM公司所提供的指令集以及内核架构,在手机处理器制造上有着举足轻重的作用。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
高通在手机处理器行业取得了世人瞩目的成就

此前,很多人了解高通公司或许跟其主导制定的CDMA网络技术标准,以及所独有的CDMA和部分WCDMA专利有关。作为全球最大的无线芯片企业,高通凭借其创新精神以及多年积淀的技术优势,在无线通讯行业所取得的成就是令人瞩目的,而在进入手机处理器行业后短短几年也取得了同样令人震惊的业绩,在手机处理器行业的地位和重要性堪比PC平台的英特尔。

高通手机处理器系列产品布局

目前,高通已将旗下的手机处理器统一规划为Sanpdragon(骁龙)品牌,针对不同的市场以及产品本身的需求,又将其分为S1、S2、S3以及S4这四大系列。其中S1针对大众市场的智能手机产品,也就是我们所熟知的千元内智能手机;S2针对高性能的智能手机和平板电脑;S3在S2的基础上对多任务以及游戏方面有更大提升,其中非议最多的MSM8x60型双核处理器就属于这个系列;S4是高通最高端,同时性能也最强的处理器系列,其中的双核以及四核产品主要针对下一代的终端产品,包括Windows8平板等。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
高通Snapdragon品牌产品布局路线图

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
高通Snapdragon品牌产品布局路线图

高通Snapdragon S1处理器:面向低端智能产品

高通Snapdragon S1系列处理器包括QSD8650/8250,MSM7627/7227,MSM7627A/7227A以及MSM7625 /7225, MSM7625A/7225A,它们均采用65nm工艺制程,最高配置1GHz主频以及Adreno 200图形处理器。

面向入门级的Snapdragon S1系列产品
面向入门级的Snapdragon S1系列产品

由于高通拥有核心CDMA专利,因而S1的每个系列均包含两个型号,比如QSD8650/8250,区别就在于前者可同时支持CDMA和WCDMA,而后者则只支持WCDMA。这一系列中数QSD8250最具代表意义,东芝在2009年推出的全球首款1GHz智能手机TG01就是采用这款处理器,后续包括HTC G7以及索尼爱立信X10等明星机型均采用这款处理器,QSD8250的量产标志着智能手机正式进入GHz时代,同时手机处理器的竞争也开始进入白热化阶段。

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QSD8250的量产标志着手机处理器进入GHz时代

虽然同属于S1系列,但这些型号在核心配置上依旧所有区别,其中QSD8650/8250采用Scorpion架构研发。不同于其他公司单纯使用基于ARM v7指令集架构设计的Cortex-A8构架,高通在Cortex-A8架构基础上加入部分乱序执行能力,从而形成自己的Scorpion架构。相比A8架构,在相同主频下Scorpion架构能节省30%左右功耗,或者消耗同等功耗时性能提升25%,这也是当时高通处理器能够领先于其他同级产品的主要原因。

高通QSD8x50处理器拥有64KB一级缓存以及640KB二级缓存,最大支持512MB DDR内存,视频解码方面内置DSP,支持720P的H.264格式硬解。凭借其出色的性能、优良的功耗控制以及良好的兼容性,为高通今后在手机处理器行业所取得的成就奠定了坚实的基础,包括后续亮相的所有基于微软WP平台的手机,几乎无一例外全都采用高通平台的手机处理器。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
高通基于ARM指令集研发的Scorpion架构

而MSM7627/7227采用ARM11架构,主频设定为600-800MHz,尽管MSM7625/7225也采用ARM11架构,但主频仅为528MHz。而MSM7627A/7227A(主频为800MHz-1GHz)和MSM7625A/7225A(主频为800MHz-1GHz)均采用Cortex-A5架构,虽然是Cortex-Ax家族中最低端的,但性能上优于ARM11架构,因其功耗较低以及单位功耗的效能高,在千元内智能手机市场得到了广泛的使用。

随着智能手机硬件的快速发展,虽然目前看来高通Snapdragon S1系列处理器在性能以及生产工艺方面已经显得有些格格不入,但因其低廉的价格以及特殊的市场定位还是能够在较长一段时间内出现在我们视野中。

高通Snapdragon S2处理器工艺改进/主频提升

虽然一代产品取得了较大的成功,但由于采用较为初级的65nm工艺制程,高通Snapdragon S1系列处理器在功耗以及发热控制等方面开始为人们所诟病。随后,高通推出了采用45nm工艺制程的第二代手机处理器。我们知道制程数量级越小,也就意味着在处理器主板上单位面积中容纳的晶体管的数量更多,这样处理器的主频就能提升更高,同时更先进的制程还拥有更小的耗电和发热量,因而高通Snapdragon S2系列处理器在性能上的提升是显而易见的。

工艺以及主频提升的Snapdragon S2系列产品
工艺以及主频提升的Snapdragon S2系列产品

高通Snapdragon S2系列处理器主要包括MSM8655/8255,MSM7630/7230以及APQ8055。虽然这一系列仍旧采用Scorpion架构研发,由于制程技术得到了改进,S2系列处理器的最高主频可提升至1.4GHz并且集成了更为强悍的Adreno205型GPU,支持HSPA+网络,最高支持1024*768像素分辨率以及720P高清视频播放,同时功耗控制上相比一代产品也降低了30%。

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2011年多数单核高端智能手机均采用Snapdragon S2处理器

其中MSM8655/8255的主频设定为1.4GHz,主要针对中高端单核智能手机。而MSM7630/7230主频设为800MHz,虽然频率不高,由于新的工艺和设计,性能上相比一代1GHz产品更为强悍,这也是为何采用MSM7230的华为U8800在使用上,感觉会比主频更高的HTC G7流畅的原因,因为HTC G7搭载的是一代的QSD8250处理器以及所集成的Adreno200型GPU。

可以看到,高通Snapdragon S2相比一代最大的改进,在于采用较为先进的45nm工艺制程,同时加强了图形处理方面的性能,当然在功耗控制上也有了较为显著的改进。2011年面世的很多单核高端智能手机均采用了这一系列的处理器,如HTC G10/G11、诺基亚WP新机Lumia800以及索尼爱立信LT18i/LT15i等。高通这一些列处理器的发布以及量产,不仅加深了与HTC等大牌手机厂商之间的合作,一定程度上也进一步巩固了其在手机终端芯片领域的领导地位。

备受质疑的双核高通Snapdragon S3

2011年1月,LG在MWC上率先发布了全球首款双核智能手机Optimus 2X,它搭载了Nvida Tegra 2双核1GHz处理器,这也使得双核智能手机大战的序幕正式拉开。尽管高通在双核处理器的发布上落后于Nvida,但在随后的台北国际电脑展上,高通也及时跟进推出了其第三代Snapdragon手机处理器,最高1.5GHz主频的双核处理器为其赚足了眼球,但同时也招来了无数的非议,“胶水处理器”以及“高频低能”等质疑声不绝于耳。

备受质疑的双核高通Snapdragon S3
备受质疑的双核高通Snapdragon S3

高通Snapdragon S3系列处理器主要包括MSM8660/8260以及APQ8060,这三款产品在性能上一致,只是功能和适用范围上稍有区别,MSM8660可同时支持WCDMA以及CDMA网络,而MSM8260则只支持WCDMA网络,APQ8060相比MSM8660/8260去掉了基带通讯模块,是专为平板电脑和大屏显示终端而设计的。

高通MSM8x60系列处理器依旧沿用了45nm工艺制程,512KB二级缓存,支持LPDDR2 1066的内存,拥有两个基于Scropion架构的核心处理器,主频设定为1.2GHz-1.5GHz。相比二代的产品,双核的高通Snapdragon S3系列在性能上得到了一定的提升,不仅拥有更强劲的多任务处理能力,同时在功耗控制上也比单核要低。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
前三代高通Snapdragon系列产品对比

此外,它还有更强大的多媒体性能,内置有更为先进的Adren220图形处理器,支持Open GLES 2.0和Open VG 1.1技术的3D/2D图形加速引擎,支持1080P高清视频编解码和24位色WXGA分辨率显示输出,整合低功耗GPS芯片和音频引擎芯片。Adreno220的像素填充率和三角形生产率分别为532M/s和88M/s,而Adreno205像素填充率和三角形生产率仅为245M/s和42M/s,从数据上看,性能比一代GPU提升了一倍多。

为何有高频低能的质疑

但搭载高通MSM8x60系列处理器的手机上市之后,却招来了用户普遍的质疑。认为相比Nvidia Tegra 2等其他同级双核处理器,高通只是提升了单核的主频,不仅制程工艺上落后,依旧沿用老的Scropion架构而并非Cortex-A9架构,以及采用异步的双核逻辑架构设计,这些都对处理器整体性能的表现带了负面影响。总而言之,网友们普遍认为,高通MSM8x60处理器是一款高频低能的双核处理器。

相比于同级的双核产品,如Nvidia Tegra2,由于采用更为先进的40nm工艺制程,同时基于更为先进的Cortex-A9内核架构研发,拥有完全的乱序执行能力(Scropion架构仅有部分乱序执行能力)。此外,有别于高通采用异步双核逻辑架构的多核布局,Tegra 2等产品均采用同步多核逻辑架构,这使得每个核心处理器拥有更短的指令周期,执行效率上就比高通MSM8x60更有优势,大致上1.5GHz主频的高通异步双核处理器在性能上相当于同等双核Cortex-A9架构处理器1.2GHz左右的水平,这也是为何网友会认为高通MSM8x60双核处理器属于高频低能的重要因素。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
小米手机的双核MSM8260处理器主频引发质疑

保障性能的同时需最大限度控制功耗

那么这种观点是否完全客观呢,高通王宇飞博士似乎并不认同这种质疑,对此他有着一番独到的见解。高通骁龙S3是一个完整的系统芯片解决方案,集成双核Scorpion架构CPU、GPU、3G调制解调器、多媒体引擎、GPS和系统级的管理软件等。

王博士认为,Scorpion作为高通自主设计的异步多核处理器微架构,与Cortex-A8/A9的设计和特性上都有显著差异,在高主频、节能和浮点加强方面有独到优势。通过设计这样一个系统,能提供运算所需的电能,同时尽可能地省电。比如现在CPU要完成一项计算强度非常大的工作,同时还要执行其它的一些小任务,就可以让一个CPU运转提供最高性能,同时另一个CPU可以工作在较低的频率,这样就能更好的控制功耗。

笔者认为是各取所需吧。高通MSM8x60之所以采取这一举措还是有它独特的考虑,那就是双核处理器在性能提升的同时所带来的功耗问题。高通MSM8x60采用异步双核逻辑架构,这样每个内核可以在不同的频率和不同的电压下执行各自的任务,乃至直接关闭其中的一个核心。在电力节省及功耗控制上,就比同步双核逻辑架构的处理器有优势,当然这是以牺牲部分处理器性能为代价的。

尽管高通MSM8x60处理器所采用的Scropion架构,在整体性能方面弱于Cortex-A9,但其提升了Neon协处理器的运算性能,将传统Cortex-A8以及A9标配的64bit Neon单精度浮点引擎升级为128bit,能提供更强劲的浮点运算支持,并且在不需要的时候可以关闭一半变成64bit以节省电力。

Nvidia认为发挥双核处理器的性能更重要,而在高通看来,在当前手机电池技术得不到很好的改进情况下,必须在控制处理器功耗的基础上再提升双核处理器的性能,如果续航能力没有保证,拥有再强的性能也是没有意义的。其实说白了,也就是两家公司对双核处理器的产品研发理念不一样,我们作为用户无需对其太过于深究,选择自己认为合理的即可。

总而言之,虽然处理器性能方面高通MSM8x60稍显弱势,但由于其拥有专为多任务而设计的高集成度SOC解决方案、出色的功耗控制以及全面兼容目前主流的Android以及WP7系统平台,这在一定程度上也弥补了性能上的缺陷。另外笔者还想说的是,高通MSM8x60系列处理器仍旧是一款真正的双核处理器,而并非所谓的“胶水处理器”或者“伪双核”。

全新架构和工艺的高通Snapdragon S4

随着高速LTE网络在全球范围内的部署,以及最新应用程序对手机性能需求的提升,以往单纯靠提高处理器主频或增加内核的方式,已经无法突破手机处理性能发展的瓶颈。在这样的背景之下,高通新一代Snapdragon S4系列处理器应运而生,它采用最新的核心架构设计以及最先进的工艺制程,以寻求手机芯片高性能需求和低功耗控制之间的平衡。

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全新架构和工艺的高通Snapdragon S4

高通Snapdragon S4系列包括MSM8x70/8x30/8x60以及APQ8064,覆盖了单/双/四核处理器。相比之前三代产品,新产品在核心架构以及生产工艺上都实现了大跨度提升。该系列产品全部采用业界最先进的28nm工艺制程,更高精细度的制程带来的不仅是性能上成倍的提升,同时在功耗控制以及电源管理上也有显著的优势,这样处理器就能以较低的功耗提供较为强劲的性能。

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高通Snapdragon S4系列全平台产品图

28nm工艺制程的S4处理器拥有更强的热性能
28nm工艺制程的S4处理器拥有更强的热性能

经过改进的新Krait内核架构

高通第三代MSM8x60处理器之所以被人诟病为高频低能,除了采用异步多核之外,基于老旧Scorpion核心架构的研发也是重要的因素。因此在CPU核心架构上,高通Snapdragon S4系列产品完全摒弃了此前的Scorpion架构,转而采用高通基于ARMv7指令集最新研发的Krait内核架构,单核最高主频可达2.5GHz。而相比Scorpion架构,新的Krait架构在Scorpion的基础上作了不少改进。

S4系列中MSM8960型处理器块状图
S4系列中MSM8960型处理器块状图

首先在架构的前端方面,Krait显然要更“宽”,一个时钟周期可以执行三次fetch与decode操作。每个Decoder都相当于ARM11的single issue能力模块,对比前代Scorpion架构的2-wide,3-wide的Krait架构提高了50%。后端执行单元方面则是简单的扩张,从Scorpion的三个增加到了七个,可以并行执行4条指令。而在指令执行阶段,Krait终于进入了Cortex-A9阶段,可实现完全乱序执行。流水线方面,Krait的整数流水线由Scorpion的10级略微提高至11级,对比Cortex-A15的15级流水线,高通的设计含有更多的定制化逻辑模块,同样使得处理器的频率容易提升。

主流的几款核心架构比较
主流的几款核心架构比较

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析

对比Scorpion架构,Krait还在Cortex-A15基础上加入的新虚拟化指令集和40bit内存寻址,双核型号的二级缓存也从512KB升至1MB。ARM核心的性能通常用DMIPS(Dhrystone Millions of Instructions per Second)来衡量,从上表中我们可以看到,Krait的DMIPS/MHz性能为3.3,而同频的Cortex-A9为2.5,速度上Krait提升约30%,比上一代Scorpion架构提升1.6倍。

更低功耗实现更多功能

在多核架构方面,高通依旧将Krait架构设计为异步对称式多核处理器(aSMP),每个内核包括二级缓存均有一个独立的电压和时钟,这种设计使得每个CPU内核都能根据所处理的工作,以最有效的电压和频率运行,而在不需使用时都可以独立关闭,使其在待机状态下没有功耗,这些特性使得采用aSMP架构比同步SMP架构在功耗方面减少25%-40%。

异步多核CPU架构功耗更节省
异步多核CPU架构功耗更节省

总而言之,Krait的设计采用了使用新电路技术的定制设计流程以提高性能,降低功耗。这实现了非常有效及宽范围的动态时钟和电压调节(DCVS),可适用于不同使用模式包括从热待机到中/ 高水平的处理要求。Krait架构的CPU可以平滑地从低功耗、低漏电模式转换到高速性能的模式。

高通王宇飞博士告诉我们,通过这一些列的改进,Krait架构能在非常低的功耗下实现更多功能,不仅整体性能方面相比Scorpion架构提升了60%以上,而且较当前采用ARM的CPU内核则提高150%,并同时能将功耗降低65%。

Krait在整体性能方面比Scorpion架构提升60%
Krait在整体性能方面比Scorpion架构提升60%

此外,高通骁龙S4为解决屏显耗电的难题还采取了两项新技术——BRITE和GridView。前者能根据屏幕上正在显示的内容,动态调整背光亮度并利用自然光,在适当的条件下可以降低高达50%的功耗;而GridView可以智能地以整页生成的方式刷新界面。

多媒体性能提升50%

在多媒体性能方面,高通Snapdragon S4系列将图形处理器升级至Adreno225,拥有130m/s多边形生成率、760m/s像素生成率以及314mp/s 3d渲染率,性能上相比三代处理器的Adreno220提高了50%,处理能力是Adreno200的6倍。

Adreno225性能比Adreno220提高了50%
Adreno225性能比Adreno220提高了50%

常见SoC芯片GPU性能参数比较
常见SoC芯片GPU性能参数比较

同时,Adreno225是拥有统一渲染架构的完全可编程OpenGL ES 2.0 GPU,通过提供灵活的顶点着色处理,使得GPU的处理能力达到最大化。另外相比Adreno220,Adreno225支持Windows8的DirectX 9.3,支持1080P HD视频解码以及3D显示,全系统的兼容性也是Adreno225 GPU相比于同级GPU产品的一大优势。

而在MWC期间, 高通宣布将推出骁龙S4 MSM8960专业版(Pro Version)处理器,该处理器芯片采用Adreno 320 GPU。该GPU为S4注入新的多媒体功能,如计算型照相机、光场相机等。Adreno 320还配备了加速Windows系统的专用硬件,并全面支持顶级游戏引擎。该专业版针对各操作系统进行了优化,包括Windows 8。

单芯片可支持全制式网络

网络制式兼容性是高通处理器芯片一贯来的优势所在,对此高通王宇飞博士进一步强调,新一代SoC解决方案高集成的特性在Snapdragon S4系列处理器上也得到了很好的继承,特别是首次完全集成的3G/4G全模式调制解调器。其中,双核的MSM8960则是几乎支持世界所有网络制式的手机芯片,在单一芯片上集成包括2G、3G以及4G调制解调器技术,它集成的基带芯片基于高通第二代(3GPP rel.9)LTE MODEM,与MDM9x15中的几乎一样,这也是苹果为什么还没有推出LTE版iPhone的原因(等待高通28nm基带芯片)。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析
高通在LTE技术具有绝对领先优势

另外,高通Snapdragon S4处理器还集成了许多其他流行的无线技术,包括蓝牙4.0、GPS、FM以及Wi-Fi(a/b/g/n)等功能。

市场竞争力不输四核Tegra 3

尽管在同期,Nvidia已经抢先发布了针对手机终端芯片市场的Tegra 3四核处理器,并且集成了性能更为强大的Geforce GPU,后续上市的HTC One X也让我们见识到了Tegra 3四核处理器所展现的强大性能,而高通S4系列针对手机终端芯片市场并未有相应的四核产品。但不可忽视的是,高通S4系列处理器产品不仅采用更为先进的Krait核心架构以及业界领先的28nm工艺制程,而且高通所具备的LTE专利技术以及高通芯片的高集成度特性都是其他芯片厂商所不具备的优势。

这也解释了,HTC为何在发布搭载Tegra 3四核的One X之后,在需要推出LTE定制版的One X时却使用高通S4系列的MSM8960双核处理器。

高频低能? 高通全系列手机处理器深度解析

不可否认,高通S4系列双核处理器在综合性能上会稍逊于Nvidia Tegra 3等四核处理器,可大多数情况下并不需要完全发挥出四核的性能。用户都只是在进行一些常规操作时,高通S4系列处理器的性能表现或将比Tegra 3更为出色,而且功耗控制也一直是高通芯片的优势所在。总而言之,在四核处理器全面来袭时,凭借产品本身的技术优势以及与各大手机厂商积累多年的合作关系,高通S4双核系列产品在市场上仍然具有很强大的竞争力。

小结

此外,高通王宇飞博士还进一步强调。目前高通已经拥有完整的产品路线规划,平台已覆盖入门级以及中高端智能手机、平板电脑及智能电视等终端,而合作伙伴可利用同一个平台研发出全系产品。高通还提供更好、更稳定的软件来减少客户产品的上市时间,减少做定制化的时候所产生的那些麻烦,能给客户提供一个好的工具降低研发成本,以保证他们在做二次研发的时候能够节省成本。相信,这也是高通手机处理器芯片相比其他竞争对手产品的一个优势。

至此,笔者已经大致上为大家阐述了,高通在手机处理器上的产品布局以及各系列产品所独有的特性,特别是代表目前业界最新的技术水平的S4系列处理器。不过高通竞争对手的实力也不可小觑,德州仪器(TI)的OMAP 5系列、苹果基于Cortex-A15核心架构的A6以及已经上市的NVIDIA Tegra 3和三星Exynos 4412四核处理器都拥有其独特的优势,再加上Intel Medfield的来袭,2012年手机处理器在性能上又将经历一次质的飞跃。

波少 本文来源:网易手机 作者:波少 责任编辑:王晓易_NE0011
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