手機(jī)處理器（SoC）

手機(jī)芯片名為SoC(System on Chip)，中文意為系統(tǒng)級(jí)芯片，也有稱片上系統(tǒng)，意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路是一個(gè)“片上系統(tǒng)”，一顆手機(jī)處理器包括了CPU、GPU、基帶、ISP等眾多單元，這些單元集成在一起叫做SoC

SoC構(gòu)成之一?? ?CPU

1. CPU架構(gòu)

? ? ?CPU架構(gòu)是CPU廠商給屬于同一系列的CPU產(chǎn)品定的一個(gè)規(guī)范，主要目的是為了區(qū)分不同類型CPU的重要標(biāo)示。手機(jī)SoC中的CPU使用的是ARM公司開發(fā)的cortex架構(gòu)，屬于精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)，特點(diǎn)是低功耗，而電腦上的CPU基本使用的是x86架構(gòu) 屬于復(fù)雜指令集架構(gòu)，特點(diǎn)是高性能。

? ? ?ARM架構(gòu)由ARM公司研發(fā)，ARM公司會(huì)將ARM公版架構(gòu)授權(quán)給芯片設(shè)計(jì)公司，由芯片設(shè)計(jì)公司對(duì)公版架構(gòu)進(jìn)行定制、改進(jìn)（高通的kryo CPU核心就是基于公版cortex架構(gòu)魔改而來(lái)）。

? ? ?上面提到 arm 處理器的命名分為 A、R、M 三個(gè)系列，這三個(gè)系列分別代表三種不同的應(yīng)用領(lǐng)域：

? ?這里主要介紹 ?cortex-A 系列，指的是 Application，主要高性能的處理器。

cortex架構(gòu)的近代史

? ? ?手機(jī)SoC中的CPU部分采用cortex-A 系列架構(gòu)，2012年后ARM v8架構(gòu)發(fā)布，首次在移動(dòng)設(shè)備上提供了64位指令集的支持，性能得到巨大提升。ARM v8中最為出名的能效、性能最佳ARM處理器的核心為：Cortex-A73，也就是驍龍835中的Kryo 280 CPU的藍(lán)本，性能相比14nm工藝的制造的前代A72高出30%，功耗大幅降低。

? ? ?從此以后的A75 A76等架構(gòu)的性能和功耗都不盡如人意，如驍龍845中成為Adreno 630 GPU瓶頸的A75核心和驍龍855中功耗失控的A76核心

? ? ?驍龍865中的的A78核心經(jīng)歷了短暫的好評(píng)后，從第二年的新系列cortex X1核心到第三年的X2核心，連續(xù)兩年CPU性能提升微乎其微，但是功耗大幅增長(zhǎng)，這來(lái)源于兩個(gè)因素，一是ARM在架構(gòu)設(shè)計(jì)上擺爛，二是高通為了縮減工藝成本采用了良品率更低的三星工藝，這造成了驍龍888和驍龍8gen1的嚴(yán)重失敗，采用了驍龍888和驍龍8gen1的手機(jī)，曾出現(xiàn)過(guò)大面積wifi虛焊事件，廠商為了控制soc的功耗，使用降頻、鎖幀等暴力方式，嚴(yán)重影響了用戶體驗(yàn)。

? ? ?谷歌Tensor處理器，CPU部分包含了2個(gè)X1超大核心，不僅未得到性能的提升，還造成了功耗翻倍的尷尬，直到高通在2022下半年推出了采用臺(tái)積電工藝的驍龍8+ gen 1，使得CPU功耗被有效控制

? ? ?而蘋果的A系列soc采用ARM指令集，自研CPU架構(gòu)，這為A系列芯片的CPU帶來(lái)了比公版架構(gòu)更強(qiáng)的性能和比公版架構(gòu)更小的功耗，蘋果在2019年發(fā)布的A13芯片（iPhone11系列所使用）依然能以碾壓之勢(shì)勝于2020發(fā)布的驍龍888，驍龍888以極高的功耗，換取接近到A13的性能。蘋果在iPhone14的發(fā)布會(huì)說(shuō)到“直到2022年，我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還在苦苦追趕我們?nèi)昵靶酒男阅堋?

? ? ?高通驍龍，海思麒麟，三星獵戶座等等手機(jī)soc中的CPU部分，均采用了ARM授權(quán)的公版架構(gòu)，所以蘋果完全自研的CPU架構(gòu)在一眾使用公版架構(gòu)的CPU中具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2.制程工藝

? ? ?制程指的是芯片中每個(gè)電路之間的距離，制程越小，芯片集成度越高，可容納的晶體管越多，在提高芯片性能的同時(shí)能縮小芯片面積，且因?yàn)榫w管之間距離縮小，電能損耗減小，發(fā)熱也會(huì)降低，近幾十年來(lái)，芯片制程一路從μm(微米)提升到了nm(納米)，過(guò)程漫長(zhǎng)且艱辛

? ? ?1963年，仙童公司的弗蘭克.萬(wàn)拉斯和華人薩支唐首次提出CMOS電路技術(shù)。CMOS技術(shù)對(duì)芯片制造業(yè)未來(lái)幾十年的發(fā)展起到了重大作用。今天，95%以上的集成電路芯片都是基于CMOS工藝制造。

? ? ?但是CMOS工藝技術(shù)有一個(gè)非常大的缺陷，那就是當(dāng)半導(dǎo)體柵極長(zhǎng)度逼近20nm大關(guān)時(shí)，對(duì)電流控制能力急劇下降，出現(xiàn)電子隧穿效應(yīng)，晶體管不再能夠束縛電子的運(yùn)動(dòng)，漏電率相應(yīng)提高，也就是說(shuō)利用CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)的半導(dǎo)體，其制程極限為20nm

? ? ?1970年代，芯片制程還在μm階段，2000年代，制程已經(jīng)達(dá)到100nm，到了2010年左右，芯片制程逐步逼近20nm，CMOS工藝即將迎來(lái)極限，為了進(jìn)一步提高晶體管的集成密度，胡正明教授在美國(guó)加州大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)研究小組開始研究如何讓CMOS技術(shù)拓展到20nm及以下領(lǐng)域

? ? ?于是，一種新的晶體管結(jié)構(gòu)FinFET（鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管）誕生了，F(xiàn)inFET是由胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了兩點(diǎn)突破，一是把晶體做薄后解決了漏電問(wèn)題，二是向上發(fā)展，晶片內(nèi)構(gòu)從水平變成垂直即二維變成三維，源極被三面環(huán)繞，增強(qiáng)了晶體管對(duì)電子的束縛能力

? ? ? 20nm制造工藝的突破為手機(jī)soc的制造帶來(lái)了極大的便利，因?yàn)槭謾C(jī)soc的面積比PC端CPU面積小得多，并且soc中集成了包括CPU等單元，所以如果要在手機(jī)上獲得較高的性能，只有增大晶體管的集成密度

? ? ?從2015年到如今，soc的制造工藝從20nm進(jìn)步到了5nm以下，由于晶體管中柵極長(zhǎng)度的進(jìn)一步縮小，F(xiàn)inFET技術(shù)也即將到達(dá)極限，為了讓晶體管擁有更強(qiáng)的束縛電子能力，GAA（全環(huán)繞柵極晶體管）技術(shù)隨之誕生，GAA技術(shù)，它克服了FinFET晶體管的尺寸和性能限制，在通道的各個(gè)側(cè)面都有四個(gè)柵極，以提供全面覆蓋，進(jìn)一步增強(qiáng)晶體管對(duì)電子的束縛能力

? ? ? 2022年6月30日，三星電子宣布正式量產(chǎn)3nm GAA工藝，全球另一大半導(dǎo)體制造公司:臺(tái)積電，在3nm工藝節(jié)點(diǎn)仍然使用FinFET晶體管技術(shù)，但是其也將在2nm節(jié)點(diǎn)引入GAA技術(shù)，商用高性能芯片在未來(lái)幾年里，GAA技術(shù)將逐步取代目前主流的FinFET技術(shù)

工藝的命名

? ? ?常能聽到某手機(jī)廠商宣傳某某芯片采用了多少nm工藝，在探討工藝前，首先仍需明確一個(gè)概念。即現(xiàn)在的“幾nm”工藝這樣的稱謂，頂多就是個(gè)營(yíng)銷概念。不管是7nm還是5nm，晶體管或者芯片微觀層面，都不存在哪個(gè)幾何參數(shù)是7nm或5nm。如此一來(lái)，5nm也就名副其實(shí)地成為了一個(gè)虛指，它僅能用于表達(dá)一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)，“5”不存在實(shí)際意義，其實(shí)早在cmos時(shí)期，以nm單位來(lái)衡量晶體管的集成密度就已不完全準(zhǔn)確，2012年22nm節(jié)點(diǎn)問(wèn)世時(shí)，隨之而來(lái)的FinFET晶體管結(jié)構(gòu)，這種3D結(jié)構(gòu)要用一個(gè)數(shù)字來(lái)衡量晶體管尺寸也更難了。一顆芯片上，晶體管并不是只有邏輯電路，更非僅采用高密度單元，晶體管也不是均勻分布。具體的仍要看芯片本身的設(shè)計(jì)。如今“老實(shí)”的英特爾已經(jīng)放棄和臺(tái)積電 三星玩xx nm的數(shù)字游戲，改用了全新的工藝命名方式，如“Intel 4”，“Intel 3”，“20a”，“18a”等

3.時(shí)鐘頻率

? ? ?CPU頻率，即CPU的時(shí)鐘頻率，是指CPU運(yùn)算時(shí)的工作的頻率，單位是Hz，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，頻率就是CPU每秒鐘計(jì)算次數(shù)，常用單位有Mhz(百萬(wàn)次)，Ghz(十億次)，比如說(shuō)一款處理器的CPU頻率為2.8Ghz，即為CPU最高每秒鐘可計(jì)算28億次，所以頻率是決定CPU性能的參數(shù)之一

4.核心數(shù)量

? ? ?手機(jī)soc的CPU一般會(huì)有6個(gè)或8個(gè)核心，分為性能核心和能效核心，性能核心頻率較高，架構(gòu)較先進(jìn)，主要應(yīng)對(duì)手機(jī)需要處理大型任務(wù)的時(shí)候，同時(shí)耗電較多。能效核心一般頻率較低，架構(gòu)較低級(jí)，主要用于日常的用戶使用，同時(shí)耗電較少，CPU常用的叢集為1+3+4或者4+4或者2+6或者2+4，以下是兩組CPU叢集組合

驍龍888(三星5nm工藝):

1個(gè)cortex-X1超大核心? 2.8GHZ

3個(gè)cortex-A78大核心 2.4GHZ

4個(gè)cortex-A55小核心? 1.8GHZ

驍龍845(三星10nm工藝):

4個(gè)cortex-A75大核心? 2.8GHZ

4個(gè)cortex-A55小核心? 1.7GHZ

? ? ?但為什么845和888的大核心頻率一樣，性能卻相差如此之多？原因是CPU的性能由架構(gòu)，制程共同決定，從845到888的CPU架構(gòu)經(jīng)歷了三次迭代，制程從10nm提升到了5nm，架構(gòu)和制程的迭代帶來(lái)的就是性能的提升

SoC構(gòu)成之一? ?GPU

? ?? CPU主要負(fù)責(zé)邏輯指令的執(zhí)行和處理，但是當(dāng)CPU遇到大量的簡(jiǎn)單計(jì)算時(shí)，復(fù)雜的邏輯處理反而會(huì)降低運(yùn)行效率，那這大量的簡(jiǎn)單計(jì)算究竟交給誰(shuí)呢，那就是GPU了，GPU主要負(fù)責(zé)圖形渲染等計(jì)算工作，減輕CPU負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)游戲體驗(yàn)

1.架構(gòu)

? ? ?手機(jī)soc中的公版GPU架構(gòu)為ARM的mali架構(gòu)，目前華為的海思麒麟和聯(lián)發(fā)科的天璣芯片正在使用公版mali架構(gòu)，也有像高通的Adreno架構(gòu)和蘋果這樣的自研GPU架構(gòu)

2.頻率

? ? ?手機(jī)soc的GPU頻率一般明顯低于CPU頻率，一般不超過(guò)1GHZ，因?yàn)镚PU內(nèi)擁有大量的計(jì)算核心-流處理器單元，大批量的數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣，同時(shí)在不同流處理器單元內(nèi)經(jīng)過(guò)幾步，便可以完成全部計(jì)算，因而大大縮短了延遲，不需要過(guò)高的頻率

SoC構(gòu)成之一? ?ISP(圖像信號(hào)處理)

? ? ?手機(jī)拍照，錄像的圖像信號(hào)都會(huì)由ISP進(jìn)行處理，目前ISP芯片分為兩種，一種是集成式，就是這篇文章所講的一樣，它跟CPU，GPU，基帶等一起集成在soc中。另一種是獨(dú)立式，其擁有明顯的優(yōu)勢(shì)，在圖像處理能力和成像質(zhì)量上都更加優(yōu)秀，而且獨(dú)立ISP一般是手機(jī)廠商根據(jù)不同機(jī)型的攝像硬件定制，也能更好的發(fā)揮出手機(jī)相機(jī)的實(shí)力，但高通似乎很有信心在未來(lái)用集成ISP干翻獨(dú)立ISP

SoC構(gòu)成之一? ?Modem(基帶/調(diào)制解調(diào)器)

? ? ?手機(jī)中通常由兩大部分電路組成，一部分是高層處理部分，另一部分就是基帶/調(diào)制解調(diào)器/貓，基帶英文全稱Baseband，也可以翻譯為“信源”（信息源，也稱發(fā)終端）發(fā)出的沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制（進(jìn)行頻譜搬移和變換）的原始電信號(hào)所固有的頻帶（頻率帶寬），稱為基本頻帶，簡(jiǎn)稱基帶。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，手機(jī)處理器負(fù)責(zé)處理信息，基帶將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無(wú)線電信號(hào)發(fā)出，當(dāng)手機(jī)接受無(wú)線電信號(hào)時(shí)，基帶將無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPU能處理的數(shù)字信號(hào)，而我們上網(wǎng)，通話時(shí)的無(wú)線信號(hào)的收發(fā)均由基帶完成。同時(shí)，基帶也分為集成式和外掛式

? ? ?驍龍865采用外掛基帶是因?yàn)樘幚砥鲀?nèi)部寸土寸金，如果要保證soc的面積大小不變把基帶集成進(jìn)soc，必然會(huì)帶來(lái)性能的犧牲。驍龍888使用了5nm制程，使得soc在相同面積內(nèi)能容納下更多的晶體管，所以高通這一次把x60基帶集成進(jìn)了soc。

SoC構(gòu)成之一? ?DSP

? ? ?DSP即數(shù)字信號(hào)處理器，它原本主要用于處理音頻信號(hào)，比如語(yǔ)音降噪、數(shù)模轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)特殊音效等。

? ?但是在高通的改進(jìn)中，賦予了dsp更多的意義，驍龍888中的Hexagon 780不僅用來(lái)處理數(shù)字信號(hào)，同時(shí)其具有強(qiáng)大的AI運(yùn)算能力，在高通的分布式AI引擎系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，詳情參見下文NPU部分

SoC構(gòu)成之一? ?NPU

? ? ?neural-network process units(NPU)，翻譯成中文叫“嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器”。這個(gè)名字聽起來(lái)很高端，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它主要負(fù)責(zé)處理涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和機(jī)器學(xué)習(xí)的海量數(shù)據(jù)，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及機(jī)器學(xué)習(xí)需要涉及海量的信息處理，而當(dāng)下的 CPU／GPU 都無(wú)法達(dá)到如此高效的處理能力，也就是AI能力，需要一個(gè)獨(dú)立的處理芯片來(lái)做這個(gè)事，才有NPU的誕生。

高通的創(chuàng)新：分布式“NPU”

? ? ?然而高通在這一方面走出了另一條路，不只是內(nèi)含NPU的Hexagon 780協(xié)處理器具備AI計(jì)算能力，包括我們前文中所提到的CPU，以及Adreno GPU都有針對(duì)AI計(jì)算進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，高通使用soc內(nèi)部分布的多個(gè)單元組成了一個(gè)強(qiáng)大的AI引擎系統(tǒng)

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