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ob欧宝详细解读智能手机处理器(SOC)

发布时间:2023-12-27 04:57浏览次数: 来源于:网络

  ob欧宝:前段时间中兴被美国制裁世间,引起了国内半导体业界的震荡,中国芯被提了很多年,然而每一次都伴随着无奈和苦痛。

  为什么芯片会如此重要呢?可以这么说,几乎所有的电子设备都要用到芯片,而芯片本身是却又是细分的,比如:intel、高通、三星...,之所以芯片难自主研发,正是因为芯片制造的每一个细分的领域,都主要由美国牢牢压制,没有什么中高端的分别。而国产手机几乎90%集成的元器件都是美商制造的,而作为其中最核心的部分:处理器更是被牢牢扼住咽喉。

  说到这里,大家很自然的想到,华为海思麒麟处理器,可是华为海思真的是自主研发吗?手机处理器8核真的好吗?手机跑分能说明什么问题呢?...

  很多人普遍认为手机的处理器芯片是CPU,其实这个说法是错误的,简单的说应该是SOC = System on chip(系统级芯片),其中包含了各种复杂的部件,构成一个完整的系统,与PC中CPU不一样,包括 非常多的模块,有CPU/GPU/DSP/ISP…各种系统ob欧宝。

  所谓ARM 呢,大家很少会听到吧,ARM公司是一家之提供架构设计的公司,公司本身并不生产芯片,说白了,就是提供设计方案的,那么为什么会不得不提起ARM公司呢?因为我们目前几乎所有的智能手机核心都是由ARM公司设计的。而我们所熟知的骁龙835/联发科/海思麒麟/三星/iPhoneA11...都是用的是ARM提供的设计方案。

  ARM公司在芯片制造领域地位是超然的,所有的公司都可以购买ARM 设计方案,大家还是不太明白ARM与手机处理器的关系,我做了一幅图给大家说明一下:

  也就是说ARM公司将方案卖给科技巨头,以835为例:三星从ARM公司买来更科学更优秀的设计方案,然后按照图纸生产出来,做成实品,叫做ARM:包含了寄存器/操作指令集/ALU(逻辑运算单元...),现在内核有了,可是手机是使用环境比较复杂的,比如我们需要蓝牙、打电话、拍照、传输...等,这些模块需要我们额外的去拓展,而这些模块是连接在ARM上,ARM生产时就已经固定了没个引脚的功能,然后将这些模块和ARM封装起来,就命名为835/845/660/625/960/A11...

  是不是所有的手机都要给ARM公司钱,包括三星等巨头?手机只要不消失,ARM公司永远屹立不倒?

  为什么ARM的设计图纸所有公司都能买,高通也是买的啊,为什么我们国家却几乎没有像三星、高通...那样的科技巨头?

  既然几乎所有的手机处理器都用了ARM的方案,为什么华为海思芯片却号称是自主研发?

  为什么ARM的设计方案是卖给公司,为什么会产生845/660/625这样不同级别的芯片,难道ARM设计师还故意设计出一个不好的方案?

  CPU是手机处理器最核心的组成部件之一,主要承担手机通用任务处理和控制、逻辑判断,重要但不是全部,CPU受到三个因素制约:

  所以呢,大家可以看出来,ARM生产的系列不一样,而cortex A主要是消费电子,那么问题来了,

  为什么不把ARM和其他集成电路封装成一个处理器?ARM直接卖处理器岂不是更赚钱,还能避免核心技术泄露?而要只做ARM,然后让各大公司去在根据设计方案设计出来的ARM再去拓展呢?其实,ARM不只是消费电子,在其他电子设备都有涉及,大家仔细想一下对于手机而言我们需要上网、通讯ob欧宝、蓝牙等等功能,你制造一个智能门锁,智能洗衣机需要上网功能?有人会说,不需要,可是你给我我不用就行啊,这个时候你要考虑到成本,不是最先进最丰富就是最好的。

  所以呢,核心ARM之外,谁需要什么功能就去选择性拓展就可以了,你现在看小米的生态链,就应该明白了吧,其实并不是云端的高大上,比手机来说简单的太多。

  之前提到过为什么手机处理器会有低/中/高端之分,为什么ARM设计方案还有低/中/高?故意设计一个坏的?这个听起来就觉得怪怪的。事实上,处理器厂商(海思麒麟、高通、联发科…),会根据目前的制程工艺情况(835/845都是10nm制造工艺)以及产品定位高低对CPU核心数量(4/6/8核)以及架构(A53/A53+A72/A73)和频率进行取舍。所以才有了骁龙821/960;面向中高端的Helio X25、骁龙653;针对低端的Helio P10、骁龙430等不同的处理器。

  举个例子:大家所熟知的骁龙835是由4个A73+4个A53构成的,而骁龙845是由4个A75+4个A55构成的。去年小米发布的澎湃S1是采用4×A53大核+4×A53小核设计 ,这就是所谓的八核处理器。

  大核频率满足高性能使用场景,小核漏电优化 ,日常功耗降低,让低能量支持处理器运算,难度在于什么时候用大核什么时候用小核?

  我们日常使用过程中的绝大多数使用场景,像你和女朋友微信聊天、刷微博(强烈暗示)都是低功耗、低运算用小核,而解决小核是优化功耗的攻坚战。

  而A53 A73 A75Z作为64位微型处理器,升级带来的提升无疑是巨大的!

  2.3 工作频率:核心架构和制造工艺共同影响着工作频率,频率越高性能越强,当然同时发热也会很严重。

  那么前段时间比较风靡的黑鲨游戏手机中备受瞩目的液冷系统是什么?因为手机内部空间有限,没有主散热单元,热管路径也较短。基本热管就是把高热端的热量分散开,同时覆盖石墨板辅助热量扩散。简单说就是把cpu的热量分散给多半个手机,其实最后的效果并不是提高散热,而是让整体不会出现过热的情况,但是热量依旧存在在手机上。

  总结一下:也许有人会问到:是不是我让CPU的三个组成,全部达到最顶级就意味着CPU就好?

  这可与你高考考试不一样,每一科考到最高,总分就越高,学习就越好所不同,这三者是相互影响,相辅相成,凡是都讲究一个平衡。这就好比男孩与女孩谈恋爱,爱情是建立在平衡的基础上,一方太过于优秀,一方太过于平凡,就很难快乐和长久,额我们继续正题:为了更好地帮大家理清的联系,我做个比喻,

  工作频率 = 在确保建筑安全的前提下,以现有的地基和建筑结构可以盖多高。

  到这里,CPU部分就介绍完了,大家肯定有过这样的疑惑:为什么iPhone的双核处理器却比一些8核处理器要优秀很多?这是因为不同的架构直接决定了性能的基础,比如市面上千元机里常见的处理器虽然有八个核心、主频超过2GHz,但由于多采用A53低功耗架构,性能方面还不如双核的高性能架构A72,特别在单线程运算能力上更是相形见绌。这也就是为什么,苹果至今坚持双核选择,但性能却一直遥遥领先的根本原因。其实,这和电脑处理器是一样的,英特尔著名的Tick-Tock战略就是不同年份专注于架构和制程工艺两方面交替提升,最终实现性能的逐年上涨。所以除了架构外,再重要的就是制程工艺了。

  这里还有一个问题:为什么我国就没有像高通那样的科技巨头?这么说吧,当我们从ARM公司买来方案,退一步讲,我们可以生产出ARM内核,问题是要在指甲大小的体积上集成那么多功能电路,是一件多么困难的事?所以半导体公司也有很多,像TI 恩智浦 意法半导体 MTK 华为 高通 三星 展讯 全志,而作为主要代表的展讯大部分的方向是家用电子,因为体积上并没有很严格的要求,而消费电子国内却只有华为。

  那么华为也是购买的ARM方案,可不可以认为是自主研发呢?三星、高通等也是从ARM公司买来的ARM方案,只在ARM内核周围加上了很多功能电路,华为海思也是这样,那么也有人会说,那高通骁龙也不是自主研发喽?你用笔在纸上写一篇文章,难道纸和笔只有是自己造的,文章才完全算作你的自主创作吗?一个处理器,ARM只是核心,在这之外还有很多有做,尤其是在基带通讯上华为做的很好,所以呢,可以认为华为海思是自主研发。

  可能有人觉得勉强,那么像国内厂商OPPO/VIVO/Flyme/XIAOMI...他们是直接买的是已经封装好的处理器,就算给ARM,且不说有没有那么高的制造工艺,就是在那么小的芯片上能不能设计出来硬件方案还是个未知数。相比之下,你就明白华为为什么那么备受推崇,同时也更深的理解了ARM公司在手机中的超然地位。

  GPU:为图像处理器,关系到图形渲染能力的强弱,直接决定了手机的游戏性能,可以兼得理解为电脑的显卡。

  由于近些年智能手机的快速发展,很多大型的应用程序让移动中央处理芯片变得不堪重负,尤其是在处理一下复杂的游戏图像任务时,经常会造成死机的现象,这也就是为什么你打开大型手机游戏,载入和游玩体验会有明显的延迟,那么于是一个类似电脑上显卡的角色—GPU(图形处理芯片)就被引入到手机之中,被集成在了处理器之中,扮演着“手机显卡”的角色,但是手机GPU并不等于显卡,因为它并没有经过PCB板的单独封装,只是一枚图形芯片。

  目前主流的移动GPU厂商有ARM、高通、Imagination Technologies(以下简称Imagination)、NVIDIA四家,而小米松果芯片中采用了压缩图片减小内存带宽,这也就是说传输/内存读取,功耗节约非常明显。

  :Adreno GPU为采用骁龙处理器的移动终端提供游戏机品质的3D图形处理能力,为游戏、用户界面和高性能计算任务提供更快的图形处理,作为骁龙异构计算的关键组件,Adreno GPU为无缝配合骁龙CPU和DSP而设计。电影、游戏、动画和应用程序,图形已成为移动体验的重要组成部分。因此,Qualcomm骁龙处理器将Qualcomm Adreno图形处理器(GPU)融入一体化设计中。

  该GPU可显著提高复杂几何结构的呈现速度,以满足大型实境手机游戏、用户界面、网页浏览器和其他高级图形应用程序所需的图形处理性能,以其无限动力展示前所未有的画面享受;骁龙集成GPU让用户感受身临其境般的移动设备游戏体验。它可提供丰富的2D和3D体验、降低电池消耗以及超快响应速度,用户可尽情沉浸于逼真的游戏体验。

  虽然经常有三星、苹果在自研GPU的传闻,但至今为止各芯片厂商都只能购买ARM或Imagination提供的方案集成在芯片中,比如华为海思、三星Exynos采用ARM Mali系列,Imagination PowerVR则多用在苹果A系和联发科芯片中。

  那么大家又会问,GPU那么多,我怎么知道那个好呢?一般来说,手机GPU的命名都是有字母加数字构成,如Adreno 530、Mali-T880、PowerVR GT7600等,其中第一位数字一般表示代数,数字越大代数越新;第二位数字代表定位,数字越大性能越强。不过,ARM的Mali GPU有点特别,除了要看型号外,还得注意核心数(命名最后的MPx,x是多少就代表多少核心),比如麒麟950和Exynos 8890虽然都用了最新的Mali-T880,但麒麟950只有4个核心,而Exynos 8890却有12个核心,性能自然不可同日而语。

  DSP:Digital Signal Processing--数字信号处理,是另一个关键的处理组件,它的性质与GPU有些类似:专门处理那些超大规模、并行的数据。让我们看看的解释:

  1. 你用手机摄像头所拍摄的图像以及手机播放器里的音效,比如:语音信号处理/音乐的音效,此外为了提升音质,很多厂商你像VIVO还会集成独立的HIFI芯片,进一步提升手机在多媒体影音方面的表现力。

  2. 现在手机搭载的摄像头像素都高得离谱,连拍速度动则10fps、20fps,如果没有DSP,短时间内大量的图像数据足以把一个CPU塞满,让你的手机完全干不了其它事情。最强的手机DSP来自高通的骁龙845处理器,它搭载的Hexagon DSP拥有14位双图像信号处理器,像素吞吐量高达1.2GPixels/s——每秒钟12亿像素!通过这个数字,你可以感受一下流经DSP的数据量有多恐怖。

  ISP处理器:非常关键,主要处理照相,要想照相好,ISP也很重要。手机拍照的好坏除了取决于摄像头传感器、光圈大小、相机APP拍照参数之外,ISP芯片的作用是不容忽视。

  有些手机为了提升拍照效果,会采用独立的IPS芯片。但是,但单独加入ISP会加剧功耗、发热、设计的复杂情况,所以目前厂商更倾向于在SoC集成ISP,该领域最出名的要数受三星、锤子青睐的富士通Milbeaut方案,比如高通、海思、苹果的芯片都是集成的自研技术。

  其实当我们启动相机app点击拍照按钮时,光纤透过镜头、光圈折射并传递到摄像头感光元件上产生光电效应,这个时候CMOS传感器就会将这些数据传递到ISP进行处理,最终将电信号转化为肉眼可见的数码相片,显示在屏幕,ISP的性能最终决定成像的好坏。

  Modem:调制解调器,所有网络连接都要基于Modem,当前Qualcomm骁龙X系列LTE调制解调器主要有下面三大功能:和4G+密切相关的载波聚合技术、和Wi-Fi提速有关的MU-MIMO以及解决通信死角的TruSignal天线增强技术。

  你拿着一部小米平板2和一部小米MIX 2s,它们之间的主要区别就在于有无通讯模块,也就是Modem。相比之下加入了Modem的在售价上就贵了很多,由此可见Modem对于手机的重要性。

  虽然每款手机中都有Modem,但是不同Modem之间的性能和功能上的差距非常大。目前包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、Wi-Fi、BlueTooth等协议和标准都要经过Modem进行完成,而Modem的优劣直接影响着数据传输的效果。

  举个例子:你和朋友一起在咖啡馆里休息,朋友看到一个抖音视频,然后希望通过微信分享给你,而你点开链接后却迟迟无法加载成功。虽然你们可能都使用了相同4G网络运营商的服务,并处于同一环境,但是对方的手机能够快速加载成功,而你的手机却进度缓慢,其实主要原因在于Modem的优劣。

  主流手机基带,基本都是由硬件支持的,如果有BUG,只能换一个,支持新协议,就得换下一代。而作为小米松果澎湃S1的Modem设计:用软件实现,有任何通讯问题,也可以随时调整,基带的计算部分用通用模块替代,把基带的算法部分用核心软件替代,软硬件整合在一起,提高了适用性。

  手机处理器构成就讲这么多,接下来我简单聊一下,我们要造成自己的芯片,有什么难关?

  AI:Artificial Intelligence人工智能,本质本就是大量的计算,因为我们平常的CPU/GPU,如果一边处理大量的本地的数据,去分析用户习惯,不仅增加了功耗,也会让CPU不堪重负,所以所以配置专门的、算力强大的硬件芯片也就被提上日程。

  比如华为和荣耀搭载的麒麟970芯片,是世界上首款在CPU、GPU两个通用处理单元之外,加入了AI处理单元NPU(Neural network Processing Unit,神经网络单元)的移动芯片。由于利用了深度学习处理技术,NPU可以比其他处理模式更快地处理卷积、迁移等深度学习任务,也就可以达成更快的AI任务处理能力。

  而苹果随后在发布iPhone X时发布了A11 Bionic芯片,两家不约而同采取了相似的策略。A11集成了一个专用于处理AI任务的运算单元“神经网络引擎(Neural Engine)”,开启了iPhoneX的AI之路。极具革命性的Face ID,其原理就是能够将传感器数据进行实时 3D 建模,并利用机器学习识别用户容貌改变,在此过程中产生的大量计算需求,都需要借助 A11 Bionic和Neural Engine来满足。

  芯片最大的价值,就是运算能力的极速提升:麒麟970的异构计算架构拥有约50倍能效和25倍性能的提升,图像识别速度可达到约2000张/分钟;苹果A11芯片每秒处理相应神经网络计算需求的次数可达 6000 亿次。

  而且这些运算都不需占用CPU或GPU,更无需将数据上传云端,既无需占用原本系统资源,也不必苦苦等候网络传输,在本地端完成AI运算。

  然而我们真的需要AI吗?答案是否定的,目前AI还是噱头大于实际,那为什么华为和苹果却大力发展呢?因为目前人工智能是社会发展的主流趋势,进阶的方向已经很明显了,但是却才刚刚起步,无论是华为和苹果,都知道这个道理,他们无非是想把产品做得更好,而在这刚起步的阶段,我们并不需要,因为你基本感受不到有什么区别。

  一个公司要走得远,要获得成功,一定要在核心科技获得成功,首先要做到长期持续投入;

  获得成功的第一步是专利,而研发手机芯片是一场硬仗,且九死一生,要成为一家伟大的公司,必须要掌握核心科技,芯片是手机科技制高点。目前全球只有三家手机企业,同时拥有终端和芯片(苹果/三星/苹果),手机芯片几乎是这个星球上集成度最高的元器件,大概有十亿个晶体管,手机芯片三个特点:巨额成本/复杂度高/研发周期长。(10亿RMB起跑,估计投资至少需要10亿美金)

  做芯片很难,而我们的优势是终端出货量以及可以借鉴手机及芯片行业经验,实现弯道超车,跳跃式赶超,小米的松果澎湃芯片自2014/10/16立项,2015/4/26 完成芯片硬件设计,第一次流片(把设计方案做成实物);芯片可以拨通电话ob欧宝,基本模块调通;点亮屏幕,意味着处理器包括和Android的连通,芯片硬件基本成功,这只是万里长征的一步,还有调优,驱动,整合其他部分...确实是有魄力的公司。

  中国芯片的制造可能需要数十年甚至更久,但是只要敢于去破釜沉舟,有九死一生勇闯巅峰的决心,成功不过是时间问题。

  这篇文章是为了帮助大家深度了解手机处理器而写的,当你真正了解了,可以自己去官网查看参数,比如你想看一下845相对于835游戏性能提升,你就主要看一下GPU,拍照就是ISP,不用看一些打着科普的名义,没有营养价值的文章。

  为了帮助大家更通俗易懂的去梳理,文章中适时列举了很多例子,还有一些图片帮助理解。不多说了,好困啊,睡了,晚安!

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