高通CPU處理器解析
阿新 • • 發佈：2019-02-15
正式介紹高通處理器之前，筆者認為還是先來大致瞭解下高通和ARM公司之間的關係。在之前的文章中我們也介紹過ARM公司以及相應的ARM架構，實際上，包括高通在內所有終端手機晶片廠商的手機處理器產品的底層都是基於ARM指令集研發的，就如同PC處理器均採用x86架構的道理一樣。ARM公司授權提供核心指令集以及相應的架構，比如廣泛應用的Cortex-Ax系列核心架構就是ARM所研發的，其他晶片廠商或直接拿來使用，或基於現有的架構進行二次定製修改，而像高通這樣的公司則選擇基於ARM指令集進行深度開發，從而形成自己獨有的核心架構。
在手機處理器領域佔據核心作用的ARM公司
關於兩者之間的關係，通過一個關於汽車的比喻或許能夠更好的理解。ARM公司所授權的核心架構就好比汽車的發動機，手機終端晶片廠商就好比汽車廠商，它們可以憑藉自己的技術優勢，針對相應的市場需求製造出不同效能、不同功耗的汽車，而基於何種發動機進行研發生產，很大程度上就已經決定了這臺車能跑多快。可以說ARM公司所提供的指令集以及核心架構，在手機處理器製造上有著舉足輕重的作用。
此前，很多人瞭解高通公司或許跟其主導制定的CDMA網路技術標準，以及所獨有的CDMA和部分WCDMA專利有關。作為全球最大的無線晶片企業，高通憑藉其創新精神以及多年積澱的技術優勢，在無線通訊行業所取得的成就是令人矚目的，而在進入手機處理器行業後短短几年也取得了同樣令人震驚的業績，在手機處理器行業的地位和重要性堪比PC平臺的英特爾。
高通手機處理器系列產品佈局
目前，高通已將旗下的手機處理器統一規劃為Sanpdragon(驍龍)品牌，針對不同的市場以及產品本身的需求，又將其分為S1、S2、S3以及S4這四大系列。其中S1針對大眾市場的智慧手機產品，也就是我們所熟知的千元內智慧手機；S2針對高效能的智慧手機和平板電腦；S3在S2的基礎上對多工以及遊戲方面有更大提升，其中非議最多的MSM8x60型雙核處理器就屬於這個系列；S4是高通最高階，同時效能也最強的處理器系列，其中的雙核以及四核產品主要針對下一代的終端產品，包括Windows8平板等。
高通Snapdragon品牌產品佈局路線圖
高通Snapdragon品牌產品佈局路線圖
高通Snapdragon S1處理器：面向低端智慧產品
高通Snapdragon S1系列處理器包括QSD8650/8250，MSM7627/7227，MSM7627A/7227A以及MSM7625 /7225, MSM7625A/7225A，它們均採用65nm工藝製程，最高配置1GHz主頻以及Adreno 200圖形處理器。
面向入門級的Snapdragon S1系列產品
由於高通擁有核心CDMA專利，因而S1的每個系列均包含兩個型號，比如QSD8650/8250，區別就在於前者可同時支援CDMA和WCDMA，而後者則只支援WCDMA。這一系列中數QSD8250最具代表意義，東芝在2009年推出的全球首款1GHz智慧手機TG01就是採用這款處理器，後續包括HTC G7以及索尼愛立信X10等明星機型均採用這款處理器，QSD8250的量產標誌著智慧手機正式進入GHz時代，同時手機處理器的競爭也開始進入白熱化階段。
QSD8250的量產標誌著手機處理器進入GHz時代
雖然同屬於S1系列，但這些型號在核心配置上依舊所有區別，其中QSD8650/8250採用Scorpion架構研發。不同於其他公司單純使用基於ARM v7指令集架構設計的Cortex-A8構架，高通在Cortex-A8架構基礎上加入部分亂序執行能力，從而形成自己的Scorpion架構。相比A8架構，在相同主頻下Scorpion架構能節省30%左右功耗，或者消耗同等功耗時效能提升25%，這也是當時高通處理器能夠領先於其他同級產品的主要原因。
高通QSD8x50處理器擁有64KB一級快取以及640KB二級快取，最大支援512MB DDR記憶體，視訊解碼方面內建DSP，支援720P的H.264格式硬解。憑藉其出色的效能、優良的功耗控制以及良好的相容性，為高通今後在手機處理器行業所取得的成就奠定了堅實的基礎，包括後續亮相的所有基於微軟WP平臺的手機，幾乎無一例外全都採用高通平臺的手機處理器。
高通基於ARM指令集研發的Scorpion架構
而MSM7627/7227採用ARM11架構，主頻設定為600-800MHz，儘管MSM7625/7225也採用ARM11架構，但主頻僅為528MHz。而MSM7627A/7227A(主頻為800MHz-1GHz)和MSM7625A/7225A(主頻為800MHz-1GHz)均採用Cortex-A5架構，雖然是Cortex-Ax家族中最低端的，但效能上優於ARM11架構，因其功耗較低以及單位功耗的效能高，在千元內智慧手機市場得到了廣泛的使用。
隨著智慧手機硬體的快速發展，雖然目前看來高通Snapdragon S1系列處理器在效能以及生產工藝方面已經顯得有些格格不入，但因其低廉的價格以及特殊的市場定位還是能夠在較長一段時間內出現在我們視野中。
高通Snapdragon S2處理器工藝改進/主頻提升
雖然一代產品取得了較大的成功，但由於採用較為初級的65nm工藝製程，高通Snapdragon S1系列處理器在功耗以及發熱控制等方面開始為人們所詬病。隨後，高通推出了採用45nm工藝製程的第二代手機處理器。我們知道製程數量級越小，也就意味著在處理器主機板上單位面積中容納的電晶體的數量更多，這樣處理器的主頻就能提升更高，同時更先進的製程還擁有更小的耗電和發熱量，因而高通Snapdragon S2系列處理器在效能上的提升是顯而易見的。
工藝以及主頻提升的Snapdragon S2系列產品
高通Snapdragon S2系列處理器主要包括MSM8655/8255，MSM7630/7230以及APQ8055。雖然這一系列仍舊採用Scorpion架構研發，由於製程技術得到了改進，S2系列處理器的最高主頻可提升至1.4GHz並且集成了更為強悍的Adreno205型GPU，支援HSPA+網路，最高支援1024*768畫素解析度以及720P高清視訊播放，同時功耗控制上相比一代產品也降低了30%。
其中MSM8655/8255的主頻設定為1.4GHz，主要針對中高階單核智慧手機。而MSM7630/7230主頻設為800MHz，雖然頻率不高，由於新的工藝和設計，效能上相比一代1GHz產品更為強悍，這也是為何採用MSM7230的華為U8800 在使用上，感覺會比主頻更高的HTC G7流暢的原因，因為HTC G7搭載的是一代的QSD8250處理器以及所整合的Adreno200型GPU。
可以看到，高通Snapdragon S2相比一代最大的改進，在於採用較為先進的45nm工藝製程，同時加強了圖形處理方面的效能，當然在功耗控制上也有了較為顯著的改進。2011年面世的很多單核高階智慧手機均採用了這一系列的處理器，如HTC G10/G11、諾基亞WP新機Lumia800以及索尼愛立信LT18i/LT15i等。高通這一些列處理器的釋出以及量產，不僅加深了與HTC等大牌手機廠商之間的合作，一定程度上也進一步鞏固了其在手機終端晶片領域的領導地位。
備受質疑的雙核高通Snapdragon S3
2011年1月，LG在MWC上率先發布了全球首款雙核智慧手機Optimus 2X，它搭載了Nvida Tegra 2雙核1GHz處理器，這也使得雙核智慧手機大戰的序幕正式拉開。儘管高通在雙核處理器的釋出上落後於Nvida，但在隨後的臺北國際電腦展上，高通也及時跟進推出了其第三代Snapdragon手機處理器，最高1.5GHz主頻的雙核處理器為其賺足了眼球，但同時也招來了無數的非議，“膠水處理器”以及“高頻低能”等質疑聲不絕於耳。
備受質疑的雙核高通Snapdragon S3
高通Snapdragon S3系列處理器主要包括MSM8660/8260以及APQ8060，這三款產品在效能上一致，只是功能和適用範圍上稍有區別，MSM8660可同時支援WCDMA以及CDMA網路，而MSM8260則只支援WCDMA網路，APQ8060相比MSM8660/8260去掉了基帶通訊模組，是專為平板電腦和大屏顯示終端而設計的。
高通MSM8x60系列處理器依舊沿用了45nm工藝製程，512KB二級快取，支援LPDDR2 1066的記憶體，擁有兩個基於Scropion架構的核心處理器，主頻設定為1.2GHz-1.5GHz。相比二代的產品，雙核的高通Snapdragon S3系列在效能上得到了一定的提升，不僅擁有更強勁的多工處理能力，同時在功耗控制上也比單核要低。
前三代高通Snapdragon系列產品對比
此外，它還有更強大的多媒體效能，內建有更為先進的Adren220圖形處理器，支援Open GLES 2.0和Open VG 1.1技術的3D/2D圖形加速引擎，支援1080P高清視訊編解碼和24位色WXGA解析度顯示輸出，整合低功耗GPS晶片和音訊引擎晶片。Adreno220的畫素填充率和三角形生產率分別為532M/s和88M/s，而Adreno205畫素填充率和三角形生產率僅為245M/s和42M/s，從資料上看，效能比一代GPU提升了一倍多。
為何有高頻低能的質疑
但搭載高通MSM8x60系列處理器的手機上市之後，卻招來了使用者普遍的質疑。認為相比Nvidia Tegra 2等其他同級雙核處理器，高通只是提升了單核的主頻，不僅製程工藝上落後，依舊沿用老的Scropion架構而並非Cortex-A9架構，以及採用非同步的雙核邏輯架構設計，這些都對處理器整體效能的表現帶了負面影響。總而言之，網友們普遍認為，高通MSM8x60處理器是一款高頻低能的雙核處理器。
相比於同級的雙核產品，如Nvidia Tegra2，由於採用更為先進的40nm工藝製程，同時基於更為先進的Cortex-A9核心架構研發，擁有完全的亂序執行能力(Scropion架構僅有部分亂序執行能力)。此外，有別於高通採用非同步雙核邏輯架構的多核佈局，Tegra 2等產品均採用同步多核邏輯架構，這使得每個核心處理器擁有更短的指令週期，執行效率上就比高通MSM8x60更有優勢，大致上1.5GHz主頻的高通非同步雙核處理器在效能上相當於同等雙核Cortex-A9架構處理器1.2GHz左右的水平，這也是為何網友會認為高通MSM8x60雙核處理器屬於高頻低能的重要因素。
保障效能的同時需最大限度控制功耗
那麼這種觀點是否完全客觀呢，高通王宇飛博士似乎並不認同這種質疑，對此他有著一番獨到的見解。高通驍龍S3是一個完整的系統晶片解決方案，整合雙核Scorpion架構CPU、GPU、3G調變解調器、多媒體引擎、GPS和系統級的管理軟體等。
王博士認為，Scorpion作為高通自主設計的非同步多核處理器微架構，與Cortex-A8/A9的設計和特性上都有顯著差異，在高主頻、節能和浮點加強方面有獨到優勢。通過設計這樣一個系統，能提供運算所需的電能，同時儘可能地省電。比如現在CPU要完成一項計算強度非常大的工作，同時還要執行其它的一些小任務，就可以讓一個CPU運轉提供最高效能，同時另一個CPU可以工作在較低的頻率，這樣就能更好的控制功耗。
筆者認為是各取所需吧。高通MSM8x60之所以採取這一舉措還是有它獨特的考慮，那就是雙核處理器在效能提升的同時所帶來的功耗問題。高通MSM8x60採用非同步雙核邏輯架構，這樣每個核心可以在不同的頻率和不同的電壓下執行各自的任務，乃至直接關閉其中的一個核心。在電力節省及功耗控制上，就比同步雙核邏輯架構的處理器有優勢，當然這是以犧牲部分處理器效能為代價的。
儘管高通MSM8x60處理器所採用的Scropion架構，在整體效能方面弱於Cortex-A9，但其提升了Neon協處理器的運算效能，將傳統Cortex-A8以及A9標配的64bit Neon單精度浮點引擎升級為128bit，能提供更強勁的浮點運算支援，並且在不需要的時候可以關閉一半變成64bit以節省電力。
Nvidia認為發揮雙核處理器的效能更重要，而在高通看來，在當前手機電池技術得不到很好的改進情況下，必須在控制處理器功耗的基礎上再提升雙核處理器的效能，如果續航能力沒有保證，擁有再強的效能也是沒有意義的。其實說白了，也就是兩家公司對雙核處理器的產品研發理念不一樣，我們作為使用者無需對其太過於深究，選擇自己認為合理的即可。
總而言之，雖然處理器效能方面高通MSM8x60稍顯弱勢，但由於其擁有專為多工而設計的高整合度SOC解決方案、出色的功耗控制以及全面相容目前主流的Android以及WP7系統平臺，這在一定程度上也彌補了效能上的缺陷。另外筆者還想說的是，高通MSM8x60系列處理器仍舊是一款真正的雙核處理器，而並非所謂的“膠水處理器”或者“偽雙核”。
全新架構和工藝的高通Snapdragon S4
隨著高速LTE網路在全球範圍內的部署，以及最新應用程式對手機效能需求的提升，以往單純靠提高處理器主頻或增加核心的方式，已經無法突破手機處理效能發展的瓶頸。在這樣的背景之下，高通新一代Snapdragon S4系列處理器應運而生，它採用最新的核心架構設計以及最先進的工藝製程，以尋求手機晶片高效能需求和低功耗控制之間的平衡。
全新架構和工藝的高通Snapdragon S4
高通Snapdragon S4系列包括MSM8x70/8x30/8x60以及APQ8064，覆蓋了單/雙/四核處理器。相比之前三代產品，新產品在核心架構以及生產工藝上都實現了大跨度提升。該系列產品全部採用業界最先進的28nm工藝製程，更高精細度的製程帶來的不僅是效能上成倍的提升，同時在功耗控制以及電源管理上也有顯著的優勢，這樣處理器就能以較低的功耗提供較為強勁的效能。
高通Snapdragon S4系列全平臺產品圖
28nm工藝製程的S4處理器擁有更強的熱效能
經過改進的新Krait核心架構
高通第三代MSM8x60處理器之所以被人詬病為高頻低能，除了採用非同步多核之外，基於老舊Scorpion核心架構的研發也是重要的因素。因此在CPU核心架構上，高通Snapdragon S4系列產品完全摒棄了此前的Scorpion架構，轉而採用高通基於ARMv7指令集最新研發的Krait核心架構，單核最高主頻可達2.5GHz。而相比Scorpion架構，新的Krait架構在Scorpion的基礎上作了不少改進。
S4系列中MSM8960型處理器塊狀圖
首先在架構的前端方面，Krait顯然要更“寬”，一個時鐘週期可以執行三次fetch與decode操作。每個Decoder都相當於ARM11的single issue能力模組，對比前代Scorpion架構的2-wide，3-wide的Krait架構提高了50%。後端執行單元方面則是簡單的擴張，從Scorpion的三個增加到了七個，可以並行執行4條指令。而在指令執行階段，Krait終於進入了Cortex-A9階段，可實現完全亂序執行。流水線方面，Krait的整數流水線由Scorpion的10級略微提高至11級，對比Cortex-A15的15級流水線，高通的設計含有更多的定製化邏輯模組，同樣使得處理器的頻率容易提升。
主流的幾款核心架構比較
對比Scorpion架構，Krait還在Cortex-A15基礎上加入的新虛擬化指令集和40bit記憶體定址，雙核型號的二級快取也從512KB升至1MB。ARM核心的效能通常用DMIPS（Dhrystone Millions of Instructions per Second）來衡量，從上表中我們可以看到，Krait的DMIPS/MHz效能為3.3，而同頻的Cortex-A9為2.5，速度上Krait提升約30%，比上一代Scorpion架構提升1.6倍。
更低功耗實現更多功能
在多核架構方面，高通依舊將Krait架構設計為非同步對稱式多核處理器(aSMP)，每個核心包括二級快取均有一個獨立的電壓和時鐘，這種設計使得每個CPU核心都能根據所處理的工作，以最有效的電壓和頻率執行，而在不需使用時都可以獨立關閉，使其在待機狀態下沒有功耗，這些特性使得采用aSMP架構比同步SMP架構在功耗方面減少25%-40%。
非同步多核CPU架構功耗更節省
總而言之，Krait的設計採用了使用新電路技術的定製設計流程以提高效能，降低功耗。這實現了非常有效及寬範圍的動態時鐘和電壓調節（DCVS），可適用於不同使用模式包括從熱待機到中/ 高水平的處理要求。Krait架構的CPU可以平滑地從低功耗、低漏電模式轉換到高速效能的模式。
高通王宇飛博士告訴我們，通過這一些列的改進，Krait架構能在非常低的功耗下實現更多功能，不僅整體效能方面相比Scorpion架構提升了60%以上，而且較當前採用ARM的CPU核心則提高150%，並同時能將功耗降低65%。
Krait在整體效能方面比Scorpion架構提升60%
此外，高通驍龍S4為解決屏顯耗電的難題還採取了兩項新技術——BRITE和GridView。前者能根據螢幕上正在顯示的內容，動態調整背光亮度並利用自然光，在適當的條件下可以降低高達50%的功耗；而GridView可以智慧地以整頁生成的方式重新整理介面。
多媒體效能提升50%
在多媒體效能方面，高通Snapdragon S4系列將圖形處理器升級至Adreno225，擁有130m/s多邊形生成率、760m/s畫素生成率以及314mp/s 3d渲染率，效能上相比三代處理器的Adreno220提高了50%，處理能力是Adreno200的6倍。
Adreno225效能比Adreno220提高了50%
常見SoC晶片GPU效能引數比較
同時，Adreno225是擁有統一渲染架構的完全可程式設計OpenGL ES 2.0 GPU，通過提供靈活的頂點著色處理，使得GPU的處理能力達到最大化。另外相比Adreno220，Adreno225支援Windows8的DirectX 9.3，支援1080P HD視訊解碼以及3D顯示，全系統的相容性也是Adreno225 GPU相比於同級GPU產品的一大優勢。
而在MWC期間， 高通宣佈將推出驍龍S4 MSM8960專業版（Pro Version）處理器，該處理器晶片採用Adreno 320 GPU。該GPU為S4注入新的多媒體功能，如計算型照相機、光場相機等。Adreno 320還配備了加速Windows系統的專用硬體，並全面支援頂級遊戲引擎。該專業版針對各作業系統進行了優化，包括Windows 8。
單晶片可支援全制式網路
網路制式相容性是高通處理器晶片一貫來的優勢所在，對此高通王宇飛博士進一步強調，新一代SoC解決方案高整合的特性在Snapdragon S4系列處理器上也得到了很好的繼承，特別是首次完全整合的3G/4G全模式調變解調器。其中，雙核的MSM8960則是幾乎支援世界所有網路制式的手機晶片，在單一晶片上整合包括2G、3G以及4G調變解調器技術，它整合的基帶晶片基於高通第二代（3GPP rel.9）LTE MODEM，與MDM9x15中的幾乎一樣，這也是蘋果為什麼還沒有推出LTE版iPhone的原因（等待高通28nm基帶晶片）。
高通在LTE技術具有絕對領先優勢
另外，高通Snapdragon S4處理器還集成了許多其他流行的無線技術，包括藍芽4.0、GPS、FM以及Wi-Fi(a/b/g/n)等功能。
市場競爭力不輸四核Tegra 3
儘管在同期，Nvidia已經搶先發布了針對手機終端晶片市場的Tegra 3四核處理器，並且集成了效能更為強大的Geforce GPU，後續上市的HTC One X也讓我們見識到了Tegra 3四核處理器所展現的強大效能，而高通S4系列針對手機終端晶片市場並未有相應的四核產品。但不可忽視的是，高通S4系列處理器產品不僅採用更為先進的Krait核心架構以及業界領先的28nm工藝製程，而且高通所具備的LTE專利技術以及高通晶片的高整合度特性都是其他晶片廠商所不具備的優勢。
這也解釋了，HTC為何在釋出搭載Tegra 3四核的One X之後，在需要推出LTE定製版的One X時卻使用高通S4系列的MSM8960雙核處理器。
不可否認，高通S4系列雙核處理器在綜合性能上會稍遜於Nvidia Tegra 3等四核處理器，可大多數情況下並不需要完全發揮出四核的效能。使用者都只是在進行一些常規操作時，高通S4系列處理器的效能表現或將比Tegra 3更為出色，而且功耗控制也一直是高通晶片的優勢所在。總而言之，在四核處理器全面來襲時，憑藉產品本身的技術優勢以及與各大手機廠商積累多年的合作關係，高通S4雙核系列產品在市場上仍然具有很強大的競爭力。
總結
此外，高通王宇飛博士還進一步強調。目前高通已經擁有完整的產品路線規劃，平臺已覆蓋入門級以及中高階智慧手機、平板電腦及智慧電視等終端，而合作伙伴可利用同一個平臺研發出全系產品。高通還提供更好、更穩定的軟體來減少客戶產品的上市時間，減少做定製化的時候所產生的那些麻煩，能給客戶提供一個好的工具降低研發成本，以保證他們在做二次研發的時候能夠節省成本。相信，這也是高通手機處理器晶片相比其他競爭對手產品的一個優勢。
至此，筆者已經大致上為大家闡述了，高通在手機處理器上的產品佈局以及各系列產品所獨有的特性，特別是代表目前業界最新的技術水平的S4系列處理器。不過高通競爭對手的實力也不可小覷，德州儀器(TI)的OMAP 5系列、蘋果基於Cortex-A15核心架構的A6以及已經上市的NVIDIA Tegra 3和三星Exynos 4412四核處理器都擁有其獨特的優勢，再加上Intel Medfield的來襲，2012年手機處理器在效能上又將經歷一次質的飛躍。
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