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从iPhone 5看未来手机处理器晶片发展趋势

自从 NVIDIA(辉达)、SAMSUNG(三星)与 Qualcomm(高通)竞相推出四核心智慧型手机处理器晶片组之后,智慧型手机也从今年进入了「四核心时代」。然而 iPhone 5 在萤幕尺寸与手机处理器晶片的规划上,我们可看出 Apple 不愿盲目追随市场潮流、坚持既有产品设计原则的态度。iPhone 5 搭载全新架构的 A6 双核心处理器与升级的 PowerVR SGX 543MP3 图形处理晶片,Apple 官方表示新的 A6 晶片组拥有相比上一代 iPhone 4S 两倍的处理速度与图像效能、却更为省电。为什幺 A6 双核心处理器的性能与其他四核心处理器相比毫不逊色?Apple 设计智慧型手机处理晶片的态度为何?四核心与双核心架构未来谁将成为主流?请看手机王网站的分析报导。



iPhone 5 内部处理器晶片带来惊喜
 
经过了近一年的期盼之后,Apple 支持者终于在 2012 9 月 12 日等到 iPhone 4S 的后续产品:iPhone 5。今日的 iPhone 早已不同于五年前,巨大的年度销量意味着複杂的全球供应鍊,保持新产品细节每一个环节都不洩密成为了「不可能的任务」,因此虽然没有像 iPhone 4 在问世前发生工程机遗失事件,但对照先前在网路上流传的照片与规格,几乎多数重要规格都已在发表会前曝光。唯独一项关键性零组件:智慧型手机处理晶片,Apple 却成功的将细节保留至发表的前一刻。甚至到正式上市之后,外界才透过拆解分析的方式了解到 Apple 是如何用心打造这款号称「有史以来最好的 iPhone」。


iPhone 5 关键性零组件:智慧型手机处理晶片,Apple 却成功的将细节保留至发表的前一刻。

iPhone 5 虽然没带来太多惊喜,但是在萤幕尺寸与手机处理器晶片的规划上,我们仍可看出 Apple 不愿盲目追随市场潮流、坚持既有产品设计原则的态度,这也从另一方面说明了 Apple 对于自有产品的强大信心!在发表会上 Apple 宣布 iPhone 5 搭载全新架构的 A6 双核心处理器与升级的 PowerVR SGX 543MP3 图形处理晶片,Apple官方表示新的 A6 晶片组拥有相比上一代 iPhone  4S 两倍的处理速度与图像效能、却更为省电。iPhone 5 执行各种应用的速度更快,例如办公套装软体 Pages 载入速度达到之前的 2.1 倍,Keynote 载入速度也达到之前的 1.7 倍。另外 A6 处理器对摄像头拍照性能也有提升,包括具有下一代 ISP、空间降噪、智慧过滤、更好的低光照表现和更快影像捕捉能力,拍照速度比 iPhone 4S 大幅提升40%。


多核心设计的应用处理器其好处显而易见:应用处理器(Application Processor)晶片的耗能效率和性能不断改进,受功率束缚、产品开发和物理学的限制,朝向多核晶片方向发展是大势所趋。

对于过去习惯于创办人 Steve Jobs 在发表会上带来「One More Thing」的 Apple 死忠支持者而言,最近两年推出的 iPhone 4 及 iPhone 5 的确缺乏给人带来惊喜的创新突破!但是没有人可以否认,採用双核心架构、但性能却丝毫不输给市场上四核心处理器的 A6 晶片是发表会上最大的惊喜,其 32 奈米製程工艺和 3D 堆叠封装技术也是目前半导体顶尖科技的最佳展现。

Apple 拒绝加入四核心处理器的大军
 
2007 年 iPhone 的问世大幅加快了行动装置处理器的性能发展,在行动上网应用日渐普及之际,消费者对智慧型手持装置运算能力的要求也水涨船高。双核心应用处理器已是 2011 年高阶产品的标準配备,性能更强大的四核心应用处理器也于 2012 年大量普及。在 Apple A6 晶片组问世之前,市场上的四核心晶片组只有 NVIDIA Tegra 3、SAMSUNG Exynos 4412 两种选择,而Qualcomm 公司採用 28 奈米製程的 APQ8064 四核心处理晶片以及海思 K3V2 两款产品都尚未大量铺货。而市场上的主流双核处理器晶片组则有许多选择,包括 MTK 联发科 MT6577、Qualcomm MSM8260 / MSM8660、TI 德州仪器OMAP4430 / 4460 / 4470、SAMSUNG Exynos 4210、NVIDIA Tegra 2、Qualcomm MSM8225、ST-Ericsson U8500、Qualcomm S4 Snapdragon MSM8260A 等产品。2007 年的 iPhone 一代的 ARM 11 处理器晶片性能仅相当于早期的桌上型电脑 Pentium 2 处理器,萤幕解析度也仅有 VGA 等级,今天的四核心处理器其性能已经追近桌上型电脑的双核 Core Duo 处理器,萤幕解析度则达到1080P 等级。我们可以说过去 PC 个人电脑走了整整 10 年的硬体升级道路,智慧型手机仅花了 5 年就已经走完。未来的智慧型手机处理晶片将如何发展?许多产业人士都表示难以想像。


2007 年 iPhone 的问世大幅加快了行动装置处理器的性能发展,在行动上网应用日渐普及之际,消费者对智慧型手持装置运算能力的要求也水涨船高。

正当许多人都对手持装置(包含智慧型手机与 iPad)处理器晶片的百家争鸣感到目眩神迷之际,Apple 工程师反其道而行的设计思维指出了另一条发展道路。多核心设计的应用处理器其好处显而易见:应用处理器(Application Processor)晶片的耗能效率和性能不断改进,但每一代晶片的进步却在缩小,这个瓶颈从近几年的电脑处理器演进趋势就可看出。受功率束缚、产品开发和物理学的限制,朝向多核晶片方向发展是大势所趋,然而 iPhone 设计团队最重视的是「使用者体验」,而手持装置处理器的首要要求是性能与节能表现(电池续航力)的平衡,如果一味追逐性能提升反倒牺牲使用时间,则这样的进步没有任何意义。这样的设计逻辑也可以在 The New iPad 平板电脑上发现,这款产品并没有选择今年初已经开始流行的四核心处理器,而是搭载了升级后的 A5X 晶片,型号后的 X 代表 4 倍的图形处理性能(四个 GPU 核心与两个 CPU 核心)。


率先问世的 NVIDIA Tegra 3 处理器晶片今年抢下不少高阶产品市场。

从去年下半年开始,市场上即传出 Apple A6 晶片仍为 ARM 架构、而且很可能会採用 ARM 最新推出的Cortex-A15 MPCore 架构,该架构基于 ARMv7-A Cortex 微架构,在单个晶片内整合 1 至 4 个 SMP 处理核心。外界传言 Cortex-A15 架构相对上一代 Cortex-A9 架构性能提升幅度达到 100%,可在同等功耗水準上达到 5 倍的性能提升。在 iPhone 5 发表之后,专业硬体网站 Anandtech 立刻发现 A6 晶片并非採用标準的 ARM 架构,而是一款 Apple 自行设计的 ARMv7 架构处理器。国际知名科技媒体 PCMag 则从三个方面测试了 A6 晶片的性能,最后结论是包括流览器性能测试(JavaScript 性能、HTML5 交互性能以及整体流览器性能)、Geekbench 性能测试(CPU 性能测试工具,包括整数运算、浮点运算、记忆体性能以及 Streaming 性能)以及 GLBenchmark 性能测试(测试处理器的图形处理能力)在内的全方位测试中,iPhone 5 除了在 GUIMark 3(主要测试 HTML 5 交互性能)和 GB Floating Point(浮点运算测试)的表现稍弱之外,其他全部测试结果都显着领先竞争对手,iPhone 5 虽然选择了被许多人视为较早推出的双核心处理器架构,但完全不愧于「世界上最快智慧型手机」的称号。


iPhone 5 虽然选择了被许多人视为较早推出的双核心处理器架构,但完全不愧于「世界上最快智慧型手机」的称号。(图片来源:businessinsider.com)

A6 晶片组如何成为「史上最强双核心晶片」?
 
能够以双核心架构迎战其他四核心架构的竞争对手,Apple 工程团队在背后的努力功不可没。自从 iPad 2 以及 iPhone 4S 问世将近 18 个月之后,第三方 iOS 应用开发厂商才逐渐完成软体对双核心处理器的优化设计,此时若冒然推出全新的四核心处理器、iOS 应用开发厂商又得再次改写软体程式码。Apple 认为智慧型手机处理器目前的总体性能已经过剩,四核心处理器得到软体的支援并不好,也没有杀手级的应用程式推动四核心甚至 8 核、16 核的处理器的需求, 除了测试性能的跑分软体和超高解析度影片的解压缩之外,很少有应用软体需要四核心处理器全速执行。


从去年下半年开始,市场上即传出 Apple A6 晶片仍为 ARM 架构、而且很可能会採用 ARM 最新推出的 Cortex-A15 MPCore 架构,其性能将大幅跃进。(图片来源:ARM 官方文件)

透过 X 光分析仪仔细分析 A6 晶片组的内部结构,可以发现 Apple 并没有选择超频 A5 晶片组中的双核心 SGX 543MP2 图形处理器,也没有选择第三代 iPad 内搭载的 A5X 晶片组内的四核心 SGX 543MP4 图形处理器,而是选择使用三核 PowerVR SGX 543MP3 图形处理器以取得性能、功耗其晶片尺寸大小的完美平衡。研究人员发现 A6 晶片组内印有 B8164B3PM 的辨识标籤,这意味着该处理器使用容量为 1GB 的尔必达旗下 LP 第二代双倍速数据同步动态随机存取记忆体(DDR2 SDRAM),相比其前身增加了一倍的记忆体空间。研究机构 Chipworks 的工程师透过高性能显微镜分析 A6 晶片组的内部结构,最后惊讶地发现其电路布局异于典型使用电脑软体设计的双核心 ARM 架构积体电路布局,内部清楚可见三个 GPU 图形处理内核的电路布局相当齐整,然而双核心 ARM 处理器内核的电路布局却显得有些杂乱,这意味着其 ARM 架构布局很可能透过「手工设计」完成。iFixit 推测 A6 晶片可能是近年来唯一一颗採用手工设计电路所完成的处理器晶片。手工设计电路布局费时费力而且成本较高,但能够优化处理器高频率运作的性能、这是电脑辅助设计工设计电路布局无法匹敌的!以手工精雕细琢的结果是 A6 晶片组成为历史上性能最强的 ARM 架构双核心处理器。


Chipworks 的工程师透过高性能显微镜分析 A6 晶片组的内部结构,最后惊讶地发现其电路布局异于典型使用电脑软体设计的双核心 ARM 架构积体电路布局,并推测双核心 ARM 处理器内核的电路布局採用的是手工设计。(图片来源:chipworks.com)
 
高通入门等级四核心处理器 MSM8225Q 加入竞争
 
有别于 Apple 工程团队选择继续强化双核心处理器的性能,包括 MTK 联发科与 Qualcomm 高通都选择加快推出四核心处理器的脚步。2013 年初将问世的联发科 MT6588 晶片组将採用四核心处理器,而图形处理晶片也升级为 Power VR SGX544,相比 MT6577 晶片内的 SGX531 图形处理器性能提高了近一倍(已经超越 iPhone 4S),届时联发科的智慧型手机晶片在入门级智慧型手机市场将难有对手。面对来自 MTK 联发科的强大威胁,Qualcomm 高通也针对 MT6588 晶片组而计画在 2013 年第一季推出「入门等级」Snapdragon S4 Play 系列的四核心处理晶片 MSM8225Q,这款具有浓厚较劲意味的产品採用 Cortex-A5 架构及 28 奈米製程工艺,完全採用 ARM 标準化结构意味着研发速度更快、成本也更低。与联发科採用 Cortex-A7 架构的 MT6588 晶片组相比,MSM8225Q 的运算效能外传不如 MT6588,不过在部分品牌厂商无论如何都希望其智慧型手机产品都冠上「搭载四核心处理器」头衔的强烈需求之下,这颗售价压低至 20 美元的晶片组仍有望成为 Qualcomm 的销售主力,高通通讯产品管理资深副总裁 Cristiano Amon 则表示:「Cortex-A5 架构的 Qualcomm 四核心产品与竞争对手比较,其电池续航力也较竞争对手的四核心产品高出 20%,多核心产品基础参数虽然有所不同,但最终仍要看效能的优异比较。」


有别于 Apple 工程团队选择继续强化双核心处理器的性能,包括 MTK 联发科与 Qualcomm 高通都选择加快推出四核心处理器的脚步。(图片来源:mtksj.com)
 
四核心处理器目前是否真正发挥功效?
 
行文至此,许多读者恐怕会十分好奇为什幺 Android 阵营的智慧型手机产品特别需要四核心处理器?2012 年可说是名副其实的「四核心晶片年度」,包括 NVIDIA Tegra 3、SAMSUNG Exynos 4412、Qualcomm APQ8064 或是 TI OMAP 5 系列产品都先后问世,以最受欢迎的 NVIDIA Tegra 3 晶片组为例,所採用 Cortex-A9 架构的内核运算频率可达 1.4 GHz,四个核心还可单独进行乱序工作、其性能的确不俗。但是由于 Android 自身生态圈的缺陷(软体与硬体整合差),使得 Android 智慧型手机需要更强大的运算能力才能追上 Apple iPhone 提供的使用体验。透过以硬体简单粗暴的方式提升性能并不难、但缺点是功耗更大,那为什幺不从软体介面着手,儘量优化处理器的潜能呢?虽然使用体验才是王道,但这方面目前谁也无法超越 Apple,面对 Android 阵营内众多採用相同操作系统的产品,手机品牌厂商更需要硬体规格的提升来突出产品特色。而对于晶片供应商来说,由于手持装置处理器市场的竞争远高于个人电脑处理器(由 Intel 与 AMD 两大厂商垄断),比竞争对手晚推出新产品就意味着失去市场先机(Qualcomm 今年在高阶产品的市佔率大幅让给 NVIDIA 即为一例),因此各厂商一旦完成了新科技突破就全力推广,四核心处理晶片组在此时出现可谓正中下怀,不管它是性能过剩还是吃电猛兽、只要听上去很美就有市场价值。


MSM8225Q 这款具有浓厚较劲意味的产品,为高通 Snapdragon S4 Play 系列,採用 Cortex-A5 架构及 28 奈米製程工艺,与联发科採用 Cortex-A7 架构的 MT6588 晶片组相比,外传运算效能不如 MT6588,高通方面指出,多核心产品基础参数虽然有所不同,但最终仍要看效能的优异比较。(图片来源:ARM 官方文件)

跑分软体在执行时让处理器进行大量高负荷的运算,这类运算任务在我们在日常生活使用手机时极少发生。在软体没有特别设计的前提下,多出的两个处理内核不一定能有效分担运算任务。因此四核心处理器虽然普遍用在 Android 阵营之内,相比与双核心处理器其浏览网页的加速有限、四核心处理器能玩的游戏,基本上双核心处理器也能玩,在没有足够的高品质软体加持之下,四核心处理器的潜力目前还没有完全发挥。消费者付出更高的成本,但实际使用上提升的价值或许并不值得:可能只是在玩某些游戏时读取进度能快上零点几秒。不过笔者在此也不是鼓吹「四核心无用论」,预估未来几年随着各类软体在图像渲染、複杂运算等方面对硬体的需求越来越大,四核心的优势将不仅仅表现在读取游戏加速的那零点几秒,而终将有自己的一番用武之地。


MSM8225Q 完全採用 ARM 标準化结构意味着研发速度更快、交给 TSMC 台积电製造的成本也更低。(图片来源:TSMC 官方文件)
 
下一代智慧型手机处理晶片设计趋势为何?
 
由于电池化学的技术进展有限,所有手持式电子装置当今所遇到科技瓶颈,几乎都是跟使用和待机时间有着密不可分的关係、而智慧型手机也不例外。与传统的功能型手机(Feature Phone)相比,目前智慧型手机最受到消费者诟病的缺陷不外乎耗电量过大、待机时间短、通话时手机温度偏高及性能不稳定等问题。要解决上述问题所牵涉的层面极为广泛,最关键的改良方案在于电池技术,但在电池芯迟迟无法推出更有效的解决方案之前,只能针对各个电子元件的耗能来改善。智慧型手机处理晶片一直被视为耗电大户,如何在保证较长续航时间的前提下实现更高的运算性能一直是困扰智慧型手机的难题,强大性能的处理器晶片很难实现长时间续航力,而为了节能推出低功耗晶片,则晶片的运算性能又不能满足複杂应用的要求,如何取得能耗与性能的平衡成为下一代智慧型手机处理晶片的设计重点。


面对市场上不同的需求,ARM 推出各种不同的核心架构、包括 Qualcomm 高通与 Apple 在内的业者也选择自行研发特殊架构。(图片来源:ARM 官方文件)
 
下一代的智慧型手机处理晶片很可能朝「异构四核心」的方向发展:即一组 Cortex-A15 双核心搭配一组 Cortex-A7 双核心结构。这种整合高性能运算晶片与低功耗运算晶片的方式意味着当智慧型手机处于待机状态或执行低强度任务时(例如看电子书、听音乐、发短信等简单功能)、只有功耗较低的 Cortex-A7 双核心在运行,而需要大量运算的时候才启用 Cortex-A15 双核心。「异构四核心」结构有望解决性能和功耗之间的矛盾。从技术上来看,Cortex-A7 能够与 Cortex-A15 实现 100% 的 ISA 相容,而且 Cortex-A7 也支持新的虚拟化指令集、整数除法和 40-bit 记忆体寻址,这意味着任何运行在 Cortex-A15 核心的程式代码都可以在 Cortex-A7 核心运行(只是运算速度稍慢),ARM 宣称两种核心之间的切换延迟仅为 20 毫秒,普通使用者根本无法感受到切换过程!其实对于一般使用者来说,採用什幺架构他们并不关心、更关心的是使用体验,晶片设计公司必须与操作系统开发者紧密合作,在系统底层与开发工具进行最佳化设计才能 100% 发挥硬体性能,这才是软硬体设计一把抓的 Apple iPhone 其最大优势所在。


积极争取手持装置晶片市场的 Intel 仍目前仍以单核心设计为主,但性能与双核对手相比差距并不大。

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