技术爱好者喜欢谈论处理能力和芯片,从个人电脑和游戏机到最新的智能手机。我们在Android Authority做了很多工作,深入报道了 Arm、华为、高通、三星、联发科和其他公司的最新处理器。这些主题通常充斥着行话和听起来很抽象的想法,对于理解“什么是 SoC?”之类的基本问题,感觉就像一堵砖墙。
确实,可能需要数年的研究才能正确地了解芯片设计的更精细细节,如果您只是想研究潜在的购买,这是没有好处的。今天,我们将做一些对初学者更友好的事情,并用尽可能少的技术巫术来解释现代智能手机芯片的来龙去脉。
SoC 代表系统级芯片。顾名思义,SoC 是包含在单个封装中的完整处理系统。需要明确的是,它不仅仅是一个单一的处理器,如果您曾经构建过 PC,您可能会熟悉它。相反,SoC 包含多个处理部件、内存、调制解调器和其他在焊接到电路板上的单个芯片中一起制造的基本部件。
将多个组件组合到单个芯片中可以节省空间、成本和功耗。从本质上讲,SoC 是智能手机的大脑,它处理从Android 操作系统到检测您何时按下电源关闭按钮的所有事情。SoC 还可以连接到其他组件,例如摄像头、显示器、RAM、闪存等等。
下面的列表包含智能手机片上系统中最常见的组件。我们将在本文后面介绍一些最重要的内容。
中央处理器 (CPU) — SoC 的“大脑”。为 Android 操作系统和大多数应用程序运行大部分代码。
图形处理单元 (GPU) —处理与图形相关的任务,例如可视化应用程序的用户界面和 2D/3D 游戏。
图像处理单元 (ISP) —将手机摄像头中的数据转换为图像和视频文件。
数字信号处理器 (DSP) — 处理比 CPU 更多的数学密集型功能。包括解压缩音乐文件和分析陀螺仪传感器数据。
神经处理单元 (NPU) —用于高端智能手机以加速机器学习 (AI) 任务。这些包括离线语音识别和相机对象分割。
视频编码器/解码器 —处理视频文件和格式的节能转换。
调制解调器 —将无线信号转换为您的手机可以理解的数据。组件包括 4G LTE、5G、WiFi 和蓝牙调制解调器。
您可能还听说过与 SoC 相关的制造过程。它通常以纳米 (nm) 为单位列出。一般来说,纳米尺寸越小,SoC的内部元件就越小。这对电源效率和紧凑性更好。也就是说,有不同的制造方法会使直接比较变得棘手。在撰写本文时,4nm 是用于智能手机 SoC 的最小可用制造工艺。
现在我们对什么是 SoC 有了一个简要的概述,让我们来看几个示例。在智能手机领域,高通、三星半导体、华为海思和联发科是该行业的四大巨头。您的智能手机中可能装有来自这些公司之一的芯片。
高通是最大的智能手机 SoC 供应商,每年为大多数旗舰、中端甚至低端智能手机发布芯片。高通的 SoC 属于Snapdragon 品牌。拥有该公司最佳技术的高级芯片归于 Snapdragon 8 旗下,例如最新的Snapdragon 8 Gen 1。中端和中高端产品分别使用骁龙 600 和 7 系列名称。例如,Snapdragon 7 Gen 1 是一款相对较新的中端芯片,支持 5G 连接。最后,您会发现 400 系列下的入门级产品。
三星的 Exynos SoC在类似的高端、中端和入门级规模上运行。这些以前被列为 Exynos 9900、9800 和 9600 系列,Exynos 7000 系列产品支撑了产品组合的预算端。不过,三星最新的高端芯片是Exynos 2200。
三星的 Exynos 命名方案过去与华为非常相似,但现在已经改变。麒麟 9000是华为最新的旗舰芯片,有 4G 和 5G 两种版本。麒麟 600 系列与 Snapdragon 600 系列非常相似,为更实惠的智能手机提供中端规格。
最后,联发科的 Helio 系列涵盖了价格实惠的 P 系列产品,直至专注于游戏的 G 系列。制造商最新的旗舰系列是天玑 9000,紧随其后的是天玑 8100。
您可能熟悉术语处理器,因为在这个对话圈中,它经常与中央处理单元 (CPU) 互换使用。CPU是最常用的处理器类型。它的设计高度灵活,适用于广泛的任务。因此,CPU 运行 Android 操作系统和您的应用程序。它还部分负责在 SoC 内的其他处理器之间同步数据。
作为快速概述,CPU 使用预测单元、寄存器和执行单元进行操作。这被称为 CPU 架构。寄存器保存数据位或指向内存的指针,通常采用 64 位数据格式。执行单元使用一个或多个寄存器做某事,例如读取和写入内存或执行数学运算。CPU 可以同时使用多个执行单元,每个执行单元需要一个或两个时钟周期来完成它们的功能。
CPU 足够灵活,可以适应各种各样的任务。性能可以通过更改时钟速度(以 GHz 为单位)、内核数量或通过更改底层架构以在每个时钟周期执行更多操作来提高和降低性能。后一点通常被称为构建“更宽”或“更大”的 CPU,这就是苹果手机芯片如此强大的原因。然而,这些更广泛的设计也存在功率和效率的权衡。
智能手机 SoC 中的 CPU 有多种风格,所有这些都基于 Arm CPU 架构。Arm 最新的 CPU 内核是大的 Cortex-X3 和 Cortex-A715,以及小的 Cortex-A510。这三个都是基于最新的 Armv9 架构。智能手机 CPU 经常出现在八核配置中,大核可用于要求更高的应用程序,而较小的节能核可确保较长的电池寿命。
除 CPU 外,图形处理单元 (GPU) 是另一个封装在手机 SoC 中的传统数字运算硬件。GPU 的通用性远不如 CPU,因此其设计方式也大不相同。它们被构建为并行循环遍历数学函数,它们的执行速度比普通 CPU 快得多。请记住,您的智能手机显示屏上需要填充数百万像素,当您运行应用程序或您最喜欢的游戏时,必须计算每个像素。
大多数图形操作一遍又一遍地重复以填充屏幕上的所有像素。因此,GPU 旨在同时对大量数据运行大量数学运算。与每个周期执行一个或两个操作的 CPU 不同,GPU 每个周期执行数十、数百甚至数千个并行操作。这取决于 GPU 设计的大小和性能。
Android SoC 领域的两大 GPU 是 Arm 的 Mali 和高通的 Adreno。两者都提供更大和更小版本的 GPU 技术,旗舰芯片封装在其最强大的3D 游戏硬件中。高通并没有过多谈论 Adreno 的内部工作原理,但我们对 Mali 却一无所知。苹果还为其 iPhone SoC 配备了自己的 GPU,AMD 已与三星的 Exynos 建立了合作伙伴关系。
智能手机的摄影能力越来越受到人们的评价。虽然高端传感器和镜头硬件必不可少,但强大的图像处理能力同样重要。只需看看Google Pixel 4 简单的相机硬件设置带来的令人印象深刻的结果。
虽然图像编辑和调整通常在 CPU 和 GPU 上完成,但在将图像保存到手机之前,还要对相机传感器数据进行大量处理。ISP 是一种专门的 DSP,可处理常见的成像任务,如拜耳变换、聚焦、去马赛克、锐化和降噪。换句话说,它将来自相机传感器的数字信息转换成漂亮的图片。
最后两个在智能手机中尤为重要,因为便宜的手机往往会过度锐化并产生糊状的细节。
高端芯片组越来越多地提供高端功能。例如,华为的麒麟 990 是第一款具有 DSLR 级块匹配和 3D 过滤 (BM3D) 降噪的 SoC,高通和三星最新的 ISP 允许实时软件视频散景模糊。
神经处理单元、AI 处理器或机器学习内核等术语通常可以互换使用,但它们在现代智能手机 SoC 中的含义往往相同:专门针对神经网络常用的数学和算法进行优化的处理器。
就像 GPU 是针对图形数学进行优化的处理器,而 ISP 是针对图像任务进行优化的一样,NPU 是专门设计用于比 CPU 更快、更高效地运行神经网络和机器学习任务的处理器。NPU 也具有自己的本地内存缓存,以加快执行速度,而无需使用较慢的 RAM。
神经网络通常需要采用多条输入数据来生成单个输出的操作。多次累加运算特别流行,通常对从 16 位到 8 位甚至 4 位数据的各种数据大小进行操作。这与 CPU 使用的数学和数据类型非常不同,尽管某些操作可以在灵活的 GPU 上加速。
NPU 是最新的专用处理器,可用于手机 SoC 并支持设备上的机器学习。虽然主要保留给旗舰级芯片,但这项技术正在迅速普及到价格更实惠的芯片组和手机。例如,谷歌的Tensor SoC包括定制的张量处理单元 (TPU),它支持即时语音到文本和各种相机功能等独家功能。
现代智能手机 SoC 的最后一部分是数据调制解调器,它允许您从运营商访问数据网络。不同的调制解调器也决定了数据连接的速度和质量。最强大的调制解调器可以达到 1Gbps 以上的下载速度。还有用于 Wi-Fi 和蓝牙数据的调制解调器,但我们今天专注于 4G 和 5G 调制解调器。
前几年,智能手机 SoC 拥有集成 4G 调制解调器。这意味着 4G 调制解调器位于 SoC 内部。用于智能手机的首批 5G 调制解调器是外部的,因此它们必须连接到主 SoC。这降低了能源效率,但更容易实现高端功能并为制造商提供灵活性,同时 5G 网络向更多消费者推出。
集成的 5G 调制解调器和功能现在也在这里。高通、三星和华为的旗舰处理器都具有支持sub-6GHz和mmWave 5G功能的集成调制解调器。最新的旗舰 5G 手机均配备集成调制解调器,可在达到峰值数据速度时提高电源效率。
破壳科普社