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曾幾何時(shí)，大家選擇手機(jī)的時(shí)候開始越來越關(guān)注處理器的主頻起來，300MHz、400MHz還是600MHz？大有以主頻來定性能來定價(jià)格的趨勢(shì)。誠然，智能手機(jī)的性能是由所采用的處理器性能決定的，但其實(shí)用過多款智能手機(jī)的用戶可能會(huì)有一個(gè)感覺，智能手機(jī)的CPU主頻越標(biāo)越高，但真正用起來卻不覺得機(jī)器的速度有什么實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，連個(gè)大尺寸視頻也仍然是放不動(dòng)；同時(shí)，手機(jī)的電池卻是明顯的越來越不耐用了，買個(gè)手機(jī)只敢待機(jī)，根本不敢放開玩。這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的直觀體驗(yàn)，其實(shí)背后有很多復(fù)雜的架構(gòu)設(shè)計(jì)因素影響。筆者從事處理器設(shè)計(jì)多年，希望籍此文從處理器架構(gòu)的角度來幫大家分析一下什么真正代表著智能手機(jī)處理器的未來，希望對(duì)大家選購智能手機(jī)的時(shí)候有用。 實(shí)際上，現(xiàn)在的一臺(tái)智能手機(jī)，從硬件的角度看與一臺(tái)PC是非常接近的，但由于其特別的體積和續(xù)航能力的要求，其設(shè)計(jì)難度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于PC的，不過手機(jī)的硬件系統(tǒng)卻正經(jīng)歷著與PC硬件系統(tǒng)非常類似的發(fā)展路徑。PC系統(tǒng)發(fā)展的最初十幾年時(shí)間里，幾乎純粹是靠CPU主頻和工藝的提升來帶動(dòng)，那個(gè)階段CPU主頻是衡量系統(tǒng)性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，CPU供應(yīng)商也把所有注意力都集中在如何提升處理器的主頻上。這個(gè)觀點(diǎn)驅(qū)使著PC CPU產(chǎn)業(yè)逐漸走入了工藝極限的死胡同，直到AMD推出全新的X86處理器架構(gòu)才開始發(fā)生變化，AMD用先進(jìn)的處理器架構(gòu)告訴了大家頻率不是性能的唯一衡量指標(biāo)，到幾年后今天，我們已經(jīng)不再主要拿主頻來衡量性能，而是更關(guān)注處理器的架構(gòu)先進(jìn)性、磁盤文件系統(tǒng)的性能、圖形系統(tǒng)的性能、甚至功耗等多種因素。現(xiàn)在的PC CPU的性能不可謂不高，有一個(gè)形象的比喻是歷時(shí)數(shù)年數(shù)千人參與的阿波羅登月計(jì)劃的全部計(jì)算工作量可以拿現(xiàn)在的一臺(tái)PC輕松搞定，由此可見當(dāng)今的處理器性能之強(qiáng)，但是一個(gè)明顯的事實(shí)是：任何一個(gè)時(shí)期處理器都無法獨(dú)自承擔(dān)系統(tǒng)應(yīng)用的全部性能需求，所以顯卡行業(yè)能夠長(zhǎng)期繁榮而且越來越成為系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。其實(shí)現(xiàn)在的手機(jī)系統(tǒng)也一樣，對(duì)于一臺(tái)智能手機(jī)來說處理器達(dá)到400M以上再增加主頻對(duì)系統(tǒng)日常操作的差別影響會(huì)非常小，但高強(qiáng)度的多媒體和圖形計(jì)算對(duì)處理能力的要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法靠多提升200-300MHz處理器主頻能夠解決的，當(dāng)今世界上的最佳技術(shù)解決方案是帶專用硬件加速核的SOC架構(gòu)。參看下表。 
1 主流高性能智能手機(jī)處理器架構(gòu)對(duì)比 我們可以看到，盡管處理器主頻不是最高，海思的K3 Hi3611處理器由于具備了全硬件的視頻Codec、圖形加速和硬件ASP等處理器核的存在，類似于PC的多核設(shè)計(jì)理念，K3處理器實(shí)際計(jì)算能力是其它平臺(tái)4-6倍。應(yīng)該說K3已經(jīng)不再是一個(gè)CPU，而是一個(gè)CPU、顯卡、聲卡俱全的單芯片微型PC（PC on a Chip） 除以上幾部分，文件系統(tǒng)也要特別提出，因?yàn)樵诟咧黝l處理器系統(tǒng)中文件系統(tǒng)性能往往成為系統(tǒng)性能表現(xiàn)的瓶頸，我們先看一下下面的一組數(shù)據(jù)：
從這組數(shù)據(jù)可以看出，各家的方案文件系統(tǒng)的表現(xiàn)有巨大差距，海思K3處理器的文件系統(tǒng)性能大大優(yōu)于其它方案。究其原因，同時(shí)在文件系統(tǒng)上，針對(duì)特殊的文件操作，通過系統(tǒng)內(nèi)存cache，加快訪問進(jìn)行速度，優(yōu)化訪問。同時(shí)芯片提供了快速的Nand flash 控制器，支持流水糾錯(cuò)，訪問簡(jiǎn)潔快速，對(duì)Nand flash 訪存處理優(yōu)化到極致。此外K3 快速的主存系統(tǒng)對(duì)文件系統(tǒng)的優(yōu)化也有很大的幫助。這樣的硬件和方案設(shè)計(jì)，類似于PC硬盤控制器的設(shè)計(jì)理念，其達(dá)成的性能與簡(jiǎn)單的軟件+Nand接口方案當(dāng)然就不可同日而語。 綜上，我們可以看出單純依靠CPU核心主頻的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)落伍，一個(gè)現(xiàn)代的高性能處理系統(tǒng)必然是硬件多核架構(gòu)，在多個(gè)子系統(tǒng)上表現(xiàn)均衡才能在實(shí)際使用中有優(yōu)良的性能表現(xiàn)。 海思的K3 Hi3611 SOC處理器的設(shè)計(jì)如同一個(gè)微縮PC，有獨(dú)立的符合微軟DD/DS標(biāo)準(zhǔn)的顯卡、聲卡、視頻加速器、磁盤控制器，完全是一個(gè)單片的PC架構(gòu)，K3是當(dāng)今業(yè)界唯一用硬件實(shí)現(xiàn)了這些部件的方案；比較而言，其它一些單純依靠CPU軟件強(qiáng)行計(jì)算的系統(tǒng)，就好像一個(gè)安裝了高性能CPU的機(jī)器搭配上了原始的VESA顯卡+ISA接口原始硬盤一樣，系統(tǒng)的綜合性能表現(xiàn)不會(huì)好。因此，多核時(shí)代的到來，我們看智能手機(jī)處理器的性能不能再簡(jiǎn)單的看標(biāo)稱主頻，而必須懂得一個(gè)先進(jìn)的并行處理多核架構(gòu)設(shè)計(jì)才是王道。 另一個(gè)有趣的話題是關(guān)于ARM9和ARM11內(nèi)核的，通常的理解總是數(shù)字新的東西代表高性能，可是在這個(gè)話題上卻不盡然。仍然和PC CPU類似，了解Intel CPU發(fā)展的人應(yīng)該都知道，Intel在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里沒有對(duì)處理器架構(gòu)做實(shí)質(zhì)性的變化，所做的唯一工作就是想方設(shè)法把主頻提上去，直截了當(dāng)?shù)恼f就如Pentium4就是把處理器流水線由14級(jí)增加到21級(jí)，這樣做幾乎只有一個(gè)好處就是使頻率可以繼續(xù)往上提升，而ARM11相對(duì)于ARM9來講也是很類似的，把流水線從5級(jí)提升到8級(jí)。長(zhǎng)流水線非常大的一個(gè)問題是在程序的分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的情況下，流水停頓造成的性能損失非常嚴(yán)重。而我們?nèi)粘Ｊ褂玫膽?yīng)用、游戲等等均屬于商業(yè)應(yīng)用結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)移的taken和untaken比例統(tǒng)計(jì)結(jié)果是一半一半，即幾乎無法用轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)等技術(shù)去抵消長(zhǎng)流水帶來的性能損失。這就是為什么高主頻的Pentium4在大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下比較更低一些主頻的Pentium M，性能反而更差的真實(shí)原因。ARM11實(shí)際上面臨與Pentium4一樣的尷尬。下表是ARM9與ARM11在典型ACC解碼應(yīng)用下的性能評(píng)估：
可以看到其實(shí)對(duì)于應(yīng)用程序來說，ARM9的效率比ARM11高，簡(jiǎn)單的推理如果ARM9可以提升到和ARM11接近的頻率的情況下，ARM11是沒有存在價(jià)值的。那么問題提出來了，缺省的ARM9最高頻率不過300MHz，真的有人可以把ARM9提升到那么高的頻率嗎？答案是肯定的，盡管確實(shí)很難，但真正有實(shí)力的廠商可以做到，比如華為海思這樣的大公司，早已規(guī)模量產(chǎn)400MHz以上的ARM9處理器，海思的K3 Hi3611更有甚者，把ARM9的能力發(fā)揮到了全球極致，采用全定制的私有化設(shè)計(jì)，在量產(chǎn)460MHz版本后，更推出了533MHz的版本。海思不選擇ARM11而選擇開發(fā)超高頻ARM9是基于對(duì)自身能力的雄厚信心以及致力于向用戶提供最佳性能功耗組合產(chǎn)品的一貫理念的選擇。海思后續(xù)產(chǎn)品將會(huì)跳過ARM11直接采用真正全新先進(jìn)架構(gòu)的ARM Cortex內(nèi)核。 綜上，我們可以得出高性能不會(huì)簡(jiǎn)單的來自于高主頻，而高主頻卻意味著高功耗的結(jié)論。我們需要更多的關(guān)注架構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，多核設(shè)計(jì)才是高性能低功耗的保障。希望以上內(nèi)容能夠幫助手機(jī)消費(fèi)者能夠明白手機(jī)處理器規(guī)格參數(shù)的真正含義，在選購手機(jī)的時(shí)候挑選到真正高性能的產(chǎn)品。 |
