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[分享] 只談核數没意義！帶你重新認識手機SoC
陳誠誼2014-10-7 14:55
你的手機是幾核的？在比較兩款手機區別時，這是我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。
以市面上最常見的高通驍龍處理器為例，在整個“處理器”中，CPU部分只占晶片面積的15%，其他85%則被影像處理器（GPU）、數位訊號處理器（DSP）、數據機（Modem）、導航定位、多媒體等等晶片或者模組佔據。
事實上，比起“處理器”，我們把這種晶片稱為“SoC（Systemon Chip，片上系統）”更加合適。SoC是一個微小的系統，如果把中央處理器（CPU）比作大腦，那麼SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的整個人體。愛活新技術研習社今天承擔科普任務，為大家解析手機處理器SoC裡面的秘密。
CPU：手機的大腦
如果把SoC比作人體，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是一塊超大規模的積體電路，也是手機的運算核心和控制核心，它占的面積比例不大，卻承擔了最重要的功能。
工作時，CPU主要承擔手機通用任務處理和控制、仲裁工作。操作A和操作B相加等於多少？程式C有一段指令要執行，需要幾個週期？執行完畢後接下來該幹嗎？這些事兒CPU一秒鐘要“思考”萬億次，確保你的手機始終“智慧”。
大家最常問的那句“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，把很多個處理器集成到一個晶片裡面，讓各個處理器 並行的執行不同的任務，提升處理器速度，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。
核心數量的多寡在一定程度上可以體現性能，但事情沒有這麼絕對，除了核心數量，單個核心本身的“品質”也非常重要，這就牽涉到另外的概念：架構、緩存、頻率。
一般而言，現今你能買到的智慧手機CPU，都使用ARM公司開發的同一個指令集——ARMv7-A，你可以理解為不同CPU都講同一種語言（普通話）。但在相同指令集下，ARM卻提供多種不同架構供廠商選擇（大家都講普通話，也分為小學生、中學生、大學生），例如常見的Cortex-A7、Cortex-A9、Cortex-A15....像高通這種實力比較強大的廠商，還會開發自己獨有的架構，例如驍龍800/600/400系列處理器使用的“Krait”。
不同的架構有著不同的性能和功耗，要具體講清楚各個架構之間的區別，本文的篇幅就岌岌可危了，此處不多費口舌（有興趣的同學可以參考我們過去的新技術研習社文章）。你只需要知道：CPU只是整個SoC的一小部分，核心數量又是CPU眾多性能指標的一小部分，核心數量的多寡不代表CPU的最終性能，更不能代 表整個SoC的性能。
對了，衡量手機CPU還有另一個重要指標——能耗。手機電池容量有限，省電是每個手機CPU的必修課，許多公司在這方面都有自己的絕活。例如，在驍龍處理器中，高通自行開發的aSMP架構允許單獨控制每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慧的進入休眠狀態，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《紀念碑穀》、刺激的《塔防》還是的畫面逼真的《真實賽車》？實際上，不管是2D還是3D遊戲，它們多多少少都跟手機的GPU離不開干係。哪個部件在手機SoC裡霸佔的面積最大？告訴你吧，也是GPU（Graphic Processing Unit，影像處理單元），GPU負責手機上絕大多數圖形的渲染，你平常玩兒的那些手機遊戲，大部分都靠它來處理，你可以把它想像成一名速度超快的畫圖師。
最開始，手機的GPU還是一個很簡單、很無關緊要的元件。像蘋果的第一代iPhone，諾基亞一些採用Symbian系統的智慧手機，它們的GPU，無論功能還是性能都相當“可憐”。但隨著技術的發展，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。
為什麼GPU會變得越來越重要？看看你手機上越來越大的螢幕就知道了——解析度從最早的VGA（640×480）一路進化到了現在的1080p（1920×1080），甚至是2K（2560×1440），GPU需要渲染的圖形圖元多了好幾十倍，功能和性能自然也是水漲船高。
對了，隨著功能和性能的進化，現在GPU能完成的已經不僅僅是圖形處理工作了，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承擔系統介面的渲染工作，讓整個系統介面變得更加流暢、絲般順滑。
GPU特別適合處理大規模並行的資料，因為圖形計算本身就是一種大規模並行處理。現在安卓系統中許多圖形之外的任務都交給了GPU，例如網頁渲染，你覺得用起來速度特別快的那些流覽器，它們渲染網頁十有八九就用到了GPU。
在未來，隨著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之間的關係也會越發微妙，用一句形象點的話來說就是：CPU做管理，GPU當苦力。 我們預計，GPU在整個SoC裡的地位還會看漲，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：處理資料的專家
為什麼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？除了軟體優化的功力，手機攝像頭背後還站著一名功臣——DSP。
DSP是另一個關鍵的處理元件，它的性質與GPU有些類似：專門處理那些超大規模、並行的資料，最典型的兩個例子就是：手機攝像頭所拍攝的圖像，以及手機播放機裡五花八門的音效
可不要小看了這兩個看似簡單的任務，現在手機搭載的攝像頭圖元都高得嚇人，連拍速度動則10fps、20fps，如果沒有DSP，短時間內大量的圖像資料足以把一個四核CPU塞滿，讓你的手機完全幹不了其它事情
根據公開的資料，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位元雙圖像信號處理器，圖元輸送量高達1.2GPixels/s——每秒鐘12億圖元！通過這個數字，你可以感受一下流經DSP的資料量有多恐怖。
正是因為有了專門的DSP，我們才能在手機攝像頭上享受越來越高的圖元、零快門延遲、面部檢測以及高級後處理（如物件移除和克隆）等功能。與CPU、GPU的不同之處在於，DSP的任務更加專注、單一。DSP沒辦法勝任CPU、GPU的全部任務，但在它自己擅長的圖像、音效處理中，它運行時的功耗要比CPU和GPU低得多，所以我們把DSP稱作“資料處理專家”。
基帶/射頻前端：手機的耳朵和嘴巴
進入3G/4G時代之後，只要連上移動網路，似乎任何一台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、線上購物...完全是手機基帶晶片和射頻前端進化的功勞。如果把手機比作人體，集成手機SoC裡面的基帶晶片，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訊。
基帶晶片又稱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，基帶晶片把你的聲音信號編譯成用來發射的基帶碼，傳輸給基站；而在其他人向你打電話時，基帶晶片把收到的基帶碼解譯為音訊信號，然後通過揚聲器發出來。到了3G/4G時代，基帶晶片還要負責大量網頁、圖像和視頻資訊的編譯——對於基帶晶片來說，這些東西最終都會變成信號。
由於調製信號的過程實在是太過複雜，基帶晶片內部儼然是一個自己的小王國，它有自己的CPU、自己的通道編碼器、自己的DSP、自己的數據機和介面模組...好一點的基帶，例如高通的Gobi，還內置了自己獨佔的256MB記憶體。
與基帶晶片搭配工作的模組叫做射頻前端（RF），它負責信號的數位/類比轉換工作，同時還要負責信號的放大。基帶晶片和射頻前端一起工作，共同決定了手機的通訊制式。你的手機是3G還是4G？能相容聯通、移動還是電信的網路？這些都是由基帶晶片+射頻前端說了算的。
除了支援眾多通訊制式，優秀的基帶晶片還必須能具備把不同頻段“揉合”到一起的能力，因為不同運營商的頻譜資源實在太分散了。例如，中國移動的4G網路總共擁有130MHz的頻譜資源，頻段卻分散成了三個，分別是：1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz。在手機工作的時候，通訊模組得把這三個不同的頻段整合到一起，模擬成“一個頻段”進行通訊，這樣才能保證最快速度，我們把這種功能稱為“載波聚合”。打個形象的比方，載波聚合技術相當於一個閥門，把很多根分散的小水管湊到一起，最終形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晶片來管理。例如GPU信號、WiFi信號、藍牙信號...在以前，手機每添加這樣一個連接功能，就需要多裝一塊晶片。現在它們都交給基帶來管，就能節約不少成本，耗電也會大大降低。
由於功能超多，複雜度超高，基帶晶片也被稱為“手機上設計最艱難的地帶”。高通公司的王牌組合——Gobi基帶晶片+RF360射頻前端就是業界標杆，它功能多得像超人：最頂配的Gobi可以支援GSM/WCDMA/CDMA/TDD-LTE/FDD-LTE等從2G到4G的全部網路制式；相容全球運營商多達數十個不同的頻段；能通過載波聚合技術把分散的頻段整合到一起工作；還能收發WiFi/藍牙/GPS/FM收音機等種類繁多的信號；為了省電，每一個模組都是可以單獨開關的....同時，最不可思議的是，功能如此強大的基帶晶片，居然也能用矽半導體工藝製造，作為一個模組集成到SoC內部！這其實也是高通公司在業內的一大技術優勢。
如何判斷一款手機SoC中基帶晶片的技術水準？你完全不用強迫自己記住那些晦澀的技術名詞，只要看它的功能就夠了——支援多少種4G制式？相容多少網路頻段？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：口袋裡的影院
兩三年前，要播放1080p的藍光影片，你還的專門花錢去買上一台藍光播放機。現在，你只需掏出手機輕點螢幕，就能播放高畫質的1080p視頻，是不是很神奇？
這很正常，因為你的手機SoC裡，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解析度的H.264視頻已經是新一代手機SoC的標準配置，你無根本需擔心背後的碼率、解析度問題，這些都是多媒體引擎的功勞。
以驍龍805/驍龍810為代表的新一代SoC，內置的多媒體引擎甚至開始支援下一代H.265（HEVC）硬體解碼功能，它們足夠以最高60Hz的幀率解碼4K解析度的視頻，如此強悍的參數不禁讓人感歎：手機螢幕能跟得上嗎？
感測器中心：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輔助處理器”嗎？在主處理器（CPU）保持休眠的情況下，它能替代執行一些低資料量、長時間運行的任務，從而大大降低整個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。現在，諸多手機都已經具備了這樣的功能。
新一代手機SoC集成了專門支援感測器運作的模組，例如三星就把Galaxy S5上的類似模組稱為“感測器中心（Sensor Hub）”。在你感歎Moto X手機語音喚醒的神奇時，不要忘記，在你的手機SoC裡有這麼一個感測器中心，在背後默默支撐。
電源管理：節能總管
處理器要省電，科學的電源管理當然少不了。這裡的電源管理可不是Google Play上下載的那些免費軟體，而是實實在在的硬體電路，它集成在晶片裡，是SoC的一部分。
以高通驍龍處理器為例，在SoC工作時，電源管理電路管控著各個CPU核心，它能夠根據任務負載動態的調整每個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援Qualcomm Quick Charge這種快速充電技術，它能把充電時間縮短最多75%。
以高通驍龍處理器為例，在SoC工作時，電源管理電路管控著各個CPU核心，它能夠根據任務負載動態的調整每個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援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，我們總是過於強調CPU本身，而忽略了其它元件，這顯然是不合理的。實際上，我們應該用更科學的眼光來看待手機“處理器”——它是一顆SoC，是一個包含大量不同元件相互合作的一個系統。手機不同於電腦，它不僅是一個運算工具，還是你的電話、隨身聽、相機、遊戲機。在手機SoC中，除了CPU，還有二三十個不同的元件在為你工作，它們都是你應該關注的重要夥伴。
過去幾年來..手機行業蓬勃發展從單核..雙核.乃至四核..到現在的八核..但手機裏面並不是只有cpu..而是集合了多種的物件所結合而成的..這篇文章帶你從幾核幾核進入到它的心臟..即是soc..也許有人說手機可以用就好..消費者不必懂得這麼多..沒錯..的確..消費者可以不必懂得這麼多..但是在知識爆炸的時代裏..多分享也是不錯的選擇..獨了這篇讓我對整個soc有了更深入的了解..也對這項產業的工作人員表示敬意..沒有他們的辛勞..我們消費者就無法享受到這麼美好的產品...
以上資料來自於http://news.mydrivers.com/1/322/322926_3.htm它只是部份資料
本文章最後由( 陳誠誼 )於 2014-11-25 22:57 編輯
★HTC論壇三週年生日快樂★
因為你讓我超越想像、不斷實現完美的畫面，讓我看見這一路令人驚豔的一切，我愛上HTC～
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陳誠誼2014-10-7 16:04
POWER919 發表於 2014-10-7 16:00
我的上一支手機是使用HTC ONE X ,HTC當初就是為了做第一,使用了第一顆四核心處理器：Nvidia Tegra3, 1.5GHz ...
是啊..有時真覺得知音難尋..很多東西豈能用一言以敝之..CPU與GPU是一體的兩面..何況在SOC裏面並不止這兩樣而已..
所以很多東西是互相影響..相互配合的..所以調教才非常的重要..能協調合作的完成它們使命那才是最重要的...
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