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[原创] 高通CPU处理

发表于 2013-5-2 12:09:32 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 上海市
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。


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。
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。

高通Snapdragon品牌产品布局路线图

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/QSD8250MSM7627/MSM7227,MSM7627A/MSM7227A以及MSM7625 /MSM7225, MSM7625A/MSM7225A,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
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。

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
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%。
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

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。

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。

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。

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。

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

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

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

游客,如果您要查看本帖隐藏内容请回复
发表于 2013-7-2 13:17:09 | 显示全部楼层 来自 上海市
呵呵,回帖赚钱买资料
发表于 2013-7-5 23:00:02 | 显示全部楼层 来自 台湾省
赚钱买资料
发表于 2013-7-6 00:24:09 | 显示全部楼层 来自 台湾省
xuexi........................
发表于 2013-9-12 16:31:30 | 显示全部楼层 来自 广东省深圳市
一样回帖赚钱买资料~
已绑定手机
发表于 2013-9-20 22:55:58 | 显示全部楼层 来自 湖北省武汉市
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发表于 2013-9-23 19:11:05 | 显示全部楼层 来自 广东省深圳市
回帖赚钱买资料
发表于 2013-9-28 19:42:30 | 显示全部楼层 来自 广东省深圳市
这样的详细介绍,谢谢
已绑定手机
发表于 2013-9-29 10:54:22 | 显示全部楼层 来自 广东省深圳市南山区
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发表于 2013-10-29 23:36:00 | 显示全部楼层 来自 广东省深圳市
很全面啊!很好。。。
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