蓋棺定論 2013年手機(jī)處理器終極指南
泡泡網(wǎng)CPU頻道8月13日 你一定很厭煩Android平臺上無窮無盡的硬件大戰(zhàn)，但我們很遺憾的告訴你：在谷歌對Android發(fā)展方向做出戰(zhàn)略性調(diào)整之前，硬件規(guī)格是評價Android設(shè)備好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，對于部分用戶而言甚至是唯一標(biāo)準(zhǔn)。歷代熱銷的Android手機(jī)型號，無一不具備同時代手機(jī)中領(lǐng)先的硬件規(guī)格；即便是iPhone和iPad，為了實現(xiàn)一流的體驗，也配備了地球上最龐大的嵌入式GPU。可以這么說：一臺硬件規(guī)格強(qiáng)悍的手機(jī)不一定是好的Android手機(jī)，但一臺好的Android手機(jī)，必然是一臺硬件規(guī)格強(qiáng)悍的手機(jī)。
科技的發(fā)展總是日新月異的，只不過短短一年半，手機(jī)就已經(jīng)到了坐四望八的時代。面對網(wǎng)上眾多一知半解和“專家們”的誤讀，我們特意準(zhǔn)備了兩篇文章，上一篇對已經(jīng)問世的四核平臺作回顧和分析，下一篇再來展望今年和明年將要到來的新平臺。與此同時，我們也會對這個行業(yè)的現(xiàn)狀、將要遇到的難題以及未來發(fā)展的趨勢做一些分析和預(yù)測，希望能幫大家撥開謎霧，真正了移動處理器的昨天、今天和明天。
群雄并起 四核平臺微架構(gòu)初探
由于種種原因，德州儀器選擇了在雙核轉(zhuǎn)四核的時代退出了移動領(lǐng)域SoC的競爭。對于一家如此老牌的企業(yè)而言，這實在是顯得有些奇怪，個中原因可能也只有德州儀器自己才能告訴我們了。作為結(jié)果，曾經(jīng)的四大天王變成了三足鼎立，整個2012年，市場上只能見到三星、高通和nVIDIA的“三國演義”了。當(dāng)然，我們也不應(yīng)該忽略MTK，畢竟后者在今年初也推出了定位入門級的低端四核Cortex A7并且取得了不俗的市場成績。但是這篇文章畢竟是以旗艦平臺為主，因此就不對MTK做過多介紹，關(guān)于MTK的架構(gòu)設(shè)計我們將會在完成架構(gòu)分析和性能驗證后再開新篇。希望各位不要介意。
德州儀器曾經(jīng)的路線圖，OMAP5清晰可見
既是先鋒也是先烈 NVIDIA Tegra3
截止去年為止，nVIDIA的行事風(fēng)格一直都是“天下武功唯快不破”。甚至早在2011年底，Tegra3就已經(jīng)走入了實際產(chǎn)品，而去年第一批搭配四核處理器的手機(jī)更是無一例外清一色Tegra3。相比Tegra2，前者的架構(gòu)改動并不大，只是將CPU子系統(tǒng)從雙核Cortex A9增加到了四核Cortex A9，集成的GPU也依是較老的GeForce ULP系列，頂點維持不變，像素和光柵化等組件得到了增強(qiáng)。只是作為一個四核CPU，內(nèi)存維持了單通道LPDDR2的設(shè)計，顯得比較莫名其妙。
現(xiàn)在看來，導(dǎo)致Tegra3成為一代最弱四核的一個主要原因，還是落后的工藝。但是這并不能過多責(zé)怪nVIDIA，畢竟后者和臺積電打了多年交道，深知臺積電的特色，因此主動放棄了28nm。事實上臺積電一直到2012年下半年才總算可以勉強(qiáng)量產(chǎn)28nm芯片，證明了nVIDIA的遠(yuǎn)見。不過40nm的功耗卻不是可以回避掉的問題，所以nVIDIA特別設(shè)計了4＋1核心的奇特架構(gòu)，這也成了nVIDIA產(chǎn)品的設(shè)計特色之一，一直延續(xù)到了今年的Tegra4和Tegra4i，與ARM的big.Little技術(shù)相映成輝。
眾所周知，Tegra2因為缺少NEON協(xié)處理器，在雙核時代被人吐槽的不輕，Tegra3總算沒有再犯同樣的錯誤。不過Tegra3卻存在著一個由4＋1架構(gòu)帶來的新問題，那就是由于主核和伴核共享同一片1MB的二級緩存，而兩者的頻率之間最多可以差到3倍，因此Tegra3的二級緩存被設(shè)計為按照一個固定的時間返回核心所請求的數(shù)據(jù)——對于主核而言，二級緩存的等待周期會多一些，而對于伴核而言則少一些。這樣的設(shè)計不可避免的會讓二級緩存工作在一個比較“慢”的狀態(tài)（尤其是對主核心而言），進(jìn)而影響整體性能。而實際上由于伴核的工作條件比較受限，并不是隨時隨地都可以切換，因此很多時候Tegra3也不得不以高功耗的主核心去應(yīng)付低負(fù)載，也許會對功耗產(chǎn)生負(fù)面影響。這些影響，也最終決定了Tegra3的用戶體驗與評價。
謹(jǐn)小慎微步步為營 三星Exynos4 Quad
說起Exynos4 Quad，也許Exynos 4412這個名字更為人熟悉一些。它就是Galaxy S III與Galaxy Note 2的核心，2012年最為熱門的四核SoC。若從角度來看，Exynos 4412顯得相當(dāng)樸素：基本上，你可以把它看作是“獵戶座”處理器的工藝升級外加四核版。但是即便如此，這款產(chǎn)品的實際表現(xiàn)卻幾乎成為一代標(biāo)桿，原因除去上一代獵戶座在規(guī)格和性能上已經(jīng)足夠優(yōu)秀以外，更重要的還是先進(jìn)的工藝——這成為了Exynos4412的殺手锏，甚至在現(xiàn)在看來，Exynos 4412也有可能是迄今為止最為平衡的一款SoC。
當(dāng)然這么說也不太準(zhǔn)確，Exynos4 Quad也有一些比較小的改進(jìn)，比如四顆核心的頻率和電壓具備完全獨立的門控（聽起來有些像高通異步架構(gòu)的特性，不過實際中還是必須跑同頻）、改進(jìn)了內(nèi)存控制器與CPU核心的連接方式、codec升級了視頻編碼的流暢度、引入了完善的溫度控制和過熱保護(hù)等等。都不是什么大提升，姑且算作錦上添花。
與高通相比，三星對于工藝的宣傳要低調(diào)的多——這是很奇怪的情況，在高通的營銷攻勢下，很多人以為28nm“是非常先進(jìn)的工藝”。在某種程度上說這也不算是錯的，但實際情況是，Exynos 4412的制造工藝——32nm HKMG——要遠(yuǎn)比高通的28nm先進(jìn)得多，甚至可以說有著“代”一級的差異。這也許會令人費(fèi)解，我們留到后面再詳細(xì)介紹。
也正是因為工藝的進(jìn)步，Exynos 4412的核心頻率被定在1.4/1.6GHz，GPU頻率更是從獵戶座的200MHz大幅提升到了440MHz，幾乎翻倍。唯一可惜的是，具體的GPU依然還是Mali400 MP4，并沒有更換。這在當(dāng)時自然不是什么問題，但是到今天開來，這就成了Exynos 4412最大的短版。
架構(gòu)為王 高通驍龍S4 Pro APQ8064
與NVIDIA不同，高通果斷選擇了28nm工藝，帶來的結(jié)果就是APQ8064這款產(chǎn)品與預(yù)期的上市時間相比幾乎延期了整整一年，而早期的低良品率也讓高通不得不先推出雙核產(chǎn)品作為過渡。當(dāng)然高通也有自己的苦衷，APQ8064實在是太大了，即便使用了28nm工藝，核心面積也只能堪堪控制在100mm2上下。造成這個的原因是高通同時升級了CPU和GPU的核心架構(gòu)。從Scorpion升級到了Krait“環(huán)蛇”，后者同樣也是高通在ARM v7-A指令集上自行發(fā)展的核心設(shè)計，就像ARM官方以Cortex A命名的核心設(shè)計一樣。在早期的宣傳中，高通一直試圖讓消費(fèi)者以為Krait是與Cortex A15同級的產(chǎn)品，當(dāng)然隨著時間的流逝，在實際表現(xiàn)的面前，這種說法的信奉者越來越少，以至于高通也不再提及了，不過至于究竟是怎樣的情況，我們還是需要在后文中作進(jìn)一步的分析，才可以給出一個大致的結(jié)論。
Adreno320 GPU則是另一個亮點。與前任Adreno 22x相比，Adreno320對于微架構(gòu)做了較為大幅的優(yōu)化，改善了內(nèi)部緩存的連接方式，增加了片內(nèi)EDRAM高速緩存（最終產(chǎn)品中是否出現(xiàn)似乎沒有確認(rèn)），最重要的是，Adreno320的規(guī)模再次得到了翻倍，擁有16組4+1D SIMD US。如果以規(guī)模論，這會是移動GPU領(lǐng)域除去SGX554MP4以外最為龐大、性能最強(qiáng)、也最為耗電的GPU，在Android領(lǐng)域更加是全無敵手。
簡短的回顧到此為止，下面我們會對上一代旗艦的某些技術(shù)細(xì)節(jié)做更進(jìn)一步的探討。
不夸張地說，工藝是IT行業(yè)的基礎(chǔ)。有趣的是，上一代產(chǎn)品中，高通、三星、NV三家公司分別選擇了三種不同的工藝：Tegra3采用了臺積電“40nm Fast G”，APQ8064采用了臺積電“28nm LP”，Exynos 4 Quad則采用了三星自家的“32nm LP HKMG”。如果你已經(jīng)頭暈了，不要先忙著說雖不明但覺厲，這些工藝的代號的確會讓人眼花繚亂，但它們是理解工藝細(xì)節(jié)的關(guān)鍵，所以我們必須要了解一下半導(dǎo)體工藝的相關(guān)基礎(chǔ)知識。雖然這些都是2012年的產(chǎn)品，但是了解一些工藝細(xì)節(jié)也更利于我們分析今年甚至未來的新產(chǎn)品。
首先，所謂的45nm、28nm，這些數(shù)字都意味著線寬，簡單理解就是內(nèi)部晶體管的尺寸。這可能是半導(dǎo)體工藝中最直觀也最具欺騙性的參數(shù)——大家都可能認(rèn)為數(shù)字越小越先進(jìn)，但實際情況遠(yuǎn)沒有這么簡單。
嚴(yán)格來說，線寬數(shù)字本身就具有一定的欺騙性。在半導(dǎo)體行業(yè)中存在兩種類型的企業(yè)，一種是以Intel、三星為代表的擁有自主制造能力的企業(yè)，另一種則是以nVIDIA、高通為代表的Fabless，即設(shè)計代工型企業(yè)。對于后者而言，芯片的制造往往交給諸如臺積電、中芯國際等半導(dǎo)體代工廠負(fù)責(zé)。正常而言，每一代邏輯芯片工藝的線寬基本上都是以70%的比例不斷降低，就Intel為例，近幾年我們熟悉的有 90nm、65nm、45nm、32nm和最新的22nm。
由于這些企業(yè)的賣的是產(chǎn)品而不是工藝，不論是技術(shù)還是工藝，主要都是為了自用，所以不會對這方面的宣傳太過在意，但對于臺積電而言，由于它的業(yè)務(wù)是代工，因此工藝細(xì)節(jié)就成了最主要的宣傳對象?；蛟S是為了讓自己的技術(shù)看起來更“先進(jìn)”一些，臺積電自130nm節(jié)點開始，每一代工藝的線寬都要比Intel小一點——分別是110nm、80nm、65nm、40nm、28nm和20nm。這樣的決策老實說，可能更多只是商業(yè)目的，技術(shù)上的差別并不會太大，甚至曾經(jīng)出現(xiàn)過以臺積電110nm工藝制造的芯片，在電子顯微鏡下觀察，實際線寬浮動在120～130nm的情況。因此本質(zhì)上來說，他們都屬于同一代，單純以線寬論，不論是28nm還是32nm，并不存在明顯的孰優(yōu)孰劣關(guān)系。
因此大家就知道了，Tegra3所采用的40nm工藝和45nm是屬于同一代的，而Exynos 4 Quad和APQ8064采用的32和28nm則是最新一代的節(jié)點。Tegra3之所以選擇上一代工藝，之前提到了是因為產(chǎn)能，但是產(chǎn)能到底影響有多大？
如果回顧以下臺積電的路線圖，那么按照原計劃，28nm工藝原本計劃在2011年9月量產(chǎn)——注意，是2011年。但實際上一直到2012年6月為止都無法達(dá)到傳統(tǒng)意義上的大規(guī)模量產(chǎn)的水平，甚至一直到今天，依然無法完全令人滿意，以至于高通已經(jīng)將部分28nm訂單轉(zhuǎn)移給了聯(lián)電和三星。而三星也同樣遇到了這種問題，Exynos 4412的投產(chǎn)也比原計劃晚了大約半年。10個月的拖延，在科技界不論是誰都是絕對無法承受的，所以縱使Tegra3再弱再慢再熱，當(dāng)市場上不存在其他選擇的時候，它就是唯一的贏家。
TSMC的路線圖：2013年將投產(chǎn)16nm，而實際上連CLN28HPL都看不到
未來隨著新一代工藝節(jié)點研發(fā)難度的持續(xù)增大，可以預(yù)計“延期”會變得越來越普遍，而換代周期也會變得越來越長。前AMD半導(dǎo)體工廠，現(xiàn)代工廠GF的28nm就比預(yù)期的投產(chǎn)時間足足晚了一年多。目前來看，除了Intel以外，我們很難看到有誰可以保證在2013年內(nèi)量產(chǎn)22/20nm工藝，而如果再進(jìn)一步到下一代的16/14nm，不確定的因素就更大了。這就像是半導(dǎo)體行業(yè)的一枚定時炸彈，也許在不遠(yuǎn)的將來就會帶來明顯的影響。相信現(xiàn)在你已經(jīng)明白“線寬”這個參數(shù)的區(qū)別，那么就讓我們更進(jìn)一步，去看看線寬以外的東西。
線寬以外還有東西？當(dāng)然。拿Intel處理器來說，同一代工藝的產(chǎn)品（比如最新的22nm Ivy Bridge），桌面版的功耗為77W，而移動版就只有17W，當(dāng)然頻率是一方面，但更重要的原因則是所謂的“工藝方向”。大體來說，任何一代線寬下都會有三個工藝方向：高性能型、通用型、低功耗型，它們是在“功耗——性能”軸上取不同平衡的產(chǎn)物。同樣的線寬，不同的工藝方向，差別甚至可以達(dá)到數(shù)倍之多，因此只談?wù)摼€寬是沒有意義的。高通和三星的芯片均采用了低功耗型即LP工藝，唯獨nVIDIA因為設(shè)計了LP工藝制造的伴核，從而使用通用型即Fast G 工藝制造剩下的部分以追求更低的滿負(fù)荷功耗。
這么說來，那么高通就和三星一樣省電——且慢，事情并不是這么簡單。線寬和方向也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是工藝的全部，在這個領(lǐng)域還有很多的高級技術(shù)，它們發(fā)揮的影響力，甚至可以超越以上的一切。細(xì)心的你應(yīng)該注意到了，在本回合開頭的工藝介紹中，有諸如“HKMG”這樣的縮寫，這四個字母正是代表著一個高級技術(shù)：它指高介電常數(shù)金屬柵極，英文為High-K Metal Gate，縮寫為HKMG。這是一個非常先進(jìn)但也非常復(fù)雜的技術(shù)，詳細(xì)介紹可以寫許多本書，我們作為消費(fèi)者或技術(shù)愛好者，只需知道個大概：HKMG就是利用高介電常數(shù)的金屬氧化物（例如氧化鉿或者氧化鋁）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅作為柵極絕緣層，提高柵極對電子的容納能力與對溝道的控制力，進(jìn)而降低漏電，更重要的是降低高頻率下的功耗。它的效果有多好？根據(jù)三星提供的數(shù)據(jù)， HKMG相對于SiON/Poly-Si工藝在同樣的延遲（簡單理解即頻率）下漏電最多可以降低到十分之一，而同樣的漏電下頻率最多可以提升40％。Exynos 4 Quad也正是借助這樣的先進(jìn)工藝，在核心數(shù)翻倍的情況下，整體功耗依然降低了20%。
Exynos 4412當(dāng)然使用了HKMG技術(shù)，但高通則令人失望。雖然臺積電也擁有28nm HPL HKMG工藝，但高通選擇的卻是基于SiON/Poly-Si的28nm LP工藝。不僅APQ8064如此，甚至最新的驍龍600 APQ8064T，也還在采用28nm LP工藝制造。這一方面是因為HKMG會抬高制造成本，更重要的是臺積電的28nm HPL HKMG工藝至今尚未量產(chǎn)，預(yù)計的時間將在2013年底到2014年初。這些因素綜合起來，使得28nm LP成為了事實上的唯一選擇——這自然會對APQ8064的功耗帶來一定負(fù)面的影響，這個影響目前來看還是非常明顯的。
早在2011年，圍繞“Scorpion和Cortex A9到底誰更好”就已經(jīng)展開過一些爭論，隨著時間的過去，事實慢慢證明了，Cortex A9的確技高一籌，而Scorpion則不幸成了“高頻低能”的形象代言人。前文中我們曾提到，驍龍S4所采用的核心是自行研發(fā)的，高通表示這顆處理器的基礎(chǔ)架構(gòu)要遠(yuǎn)比Cortex A9先進(jìn)，那么，它算不算ARM新一代架構(gòu)Cortex A15呢？很顯然這一定會引發(fā)另一場爭論——至少在當(dāng)時。為了分析這個問題，我們需要深入到架構(gòu)內(nèi)部。
首先看一下規(guī)格：3指令發(fā)射、亂序執(zhí)行流水線、3300DMIPS/MHz，的確和Cortex A15很接近。但是實際上Krait核心在大多數(shù)時候的表現(xiàn)卻和Cortex A9相去不多，這究竟是為什么？答案自然是架構(gòu)。雖然高通并沒有公開Krait的詳細(xì)架構(gòu)，但是根據(jù)性能表現(xiàn)和一些特征性參數(shù)，我們也可以大概猜測一下。
在開始之前，首先需要來觀察一下Cortex A9的架構(gòu)：
從邏輯角度說，處理器的工作過程是讀取指令->解碼指令->分派給執(zhí)行機(jī)構(gòu)->進(jìn)行運(yùn)算->把結(jié)果寫回內(nèi)存->讀取下一條指令的循環(huán)。對應(yīng)在架構(gòu)圖理，指令從左下角的預(yù)取（Prefetch Stage）級進(jìn)入到上方的解碼（Decode Stage）級，經(jīng)過必要的處理（Register Rename）后，進(jìn)入亂序指令分發(fā)（Dispatch）級，送給各個執(zhí)行（ALU/NEON）器，最后進(jìn)入亂序?qū)懟兀╓rite back）部分。這一條路徑，就是所謂的指令流水線，也就是下面這張圖。
處理器的工作，就是不斷讀取內(nèi)存中的應(yīng)用指令流，然后把它盡可能快的塞進(jìn)執(zhí)行流水線。因此吞吐量是一個CPU架構(gòu)很重要的指標(biāo)，而吞吐量可以用IPC來衡量，即每周期指令數(shù)。Cortex A9的指令解碼器（圖中De）具備單周期解碼兩個指令的能力，因此是一個雙發(fā)射的核心，具備的最大IPC為2。但是光解碼沒有用，還需要把解碼后的指令送入執(zhí)行流水線才可以真正實現(xiàn)功能，而這是靠亂序指令分派器（圖中Iss）實現(xiàn)的。在Cortex A9里，這個部件具備3+1個端口，也就是說總共可以掛接四組執(zhí)行器，但只能同時分派3個（有一個端口是復(fù)用的）。執(zhí)行單元部有兩個通用執(zhí)行器（其中一個除去整數(shù)運(yùn)算以外還支持并發(fā)執(zhí)行一個硬件乘法運(yùn)算）、一個訪存器和命名為“Compute Engine”的運(yùn)算協(xié)處理器，也就是我們知道的VFP和NEON。
到了Cortex A15，取指寬度提升到了128bit（Cortex A9只有64bit，后文詳述），單周期解碼能力增加到了3，也就是說拾取部分的IPC從2增加到了3。為了可以實際發(fā)揮它，ARM對Cortex A15的指令分派器與執(zhí)行管線進(jìn)行了極大的強(qiáng)化，這也是架構(gòu)圖中變化最大的部分。
與Cortex A9的3+1分派不同，Cortex A15的分派器具備8指令分派能力，執(zhí)行器也從3類4組擴(kuò)充到了5類8組，額外增加了分支跳轉(zhuǎn)單元和硬件乘除法單元，每一組執(zhí)行器對應(yīng)的分派端口都有自己的獨立隊列。Cortex A9上，VFP和NEON要屈尊共享一個分派端口，A15就成功平房換別墅，各自擁有了獨立的端口，吞吐量大大提升。
那么結(jié)論是什么？至少從架構(gòu)上，Cortex A15要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比Cortex A9先進(jìn)，兩者的設(shè)計理念之間差了大約有5年。Cortex A9的架構(gòu)更接近于老式的，上個世紀(jì)90年代的順序架構(gòu)處理器，即較少的分派隊列、復(fù)用的執(zhí)行管線與簡單的多指令并發(fā)。當(dāng)然， ARM在Cortex A9上第一次實現(xiàn)了亂序執(zhí)行核心，但至少從架構(gòu)圖上看，結(jié)果可能也僅僅是支持而已。但Cortex A15不同，在Cortex A15上，才是真正看到了可以從亂序執(zhí)行中獲利的設(shè)計，原因很簡單，亂序執(zhí)行的本意是通過打破指令的時間順序，進(jìn)而增加處理器硬件資源的利用率。那么就自然需要CPU的分派單元具備足夠強(qiáng)大的分派能力和硬件資源，可以盡一切可能去填滿所有的執(zhí)行器，因此體積必然會極大膨脹，最理想的情況就是給每一組執(zhí)行器都設(shè)計一個端口和隊列。
對于這一點，Cortex A15做到了，而Cortex A9沒有做到。當(dāng)然這么設(shè)計并不是沒有代價。亂序執(zhí)行需要的資源完全不是順序架構(gòu)可以比擬的，畢竟計算機(jī)程序的指令之間本身就具備邏輯上的先后順序，再亂序，也只能是執(zhí)行時的亂序，最終還是需要一定的順序，這就需要具備額外的硬件資源去記錄指令間的相關(guān)性以及時間狀態(tài)。除此以外，為了保證后續(xù)指令可以跳過前面阻塞的指令執(zhí)行，也需要指令隊列有足夠的容量去保存阻塞的指令。這之間有很多技術(shù)細(xì)節(jié)，會導(dǎo)致功耗的激增，如何在引入亂序執(zhí)行核心優(yōu)勢的同時盡可能的去壓制住激增的功耗，這需要非常高深的設(shè)計功力，甚至有時候需要一定的技巧和運(yùn)氣。Intel曾經(jīng)也在探索新架構(gòu)的時候跌了大跟頭，ARM沒有任何理由可以免費(fèi)得到這種好處，因此Cortex A15也為此付出了代價。至于代價有多大，留到下篇再說。
Krait的資料就比較缺乏了，高通一向有保密的傳統(tǒng)，所以目前只知道單周期解碼能力為3、指令分派能力為4、執(zhí)行單元一共有7個，僅此而已。但是這已經(jīng)足夠讓我們?nèi)ゲ聹yKrait的設(shè)計，關(guān)鍵在于指令分派能力：4，也就是說，Krait的具體架構(gòu)應(yīng)當(dāng)和Cortex A9類似，主要強(qiáng)化的是執(zhí)行器規(guī)模。換句話說，Krait是一個大幅閹割了吞吐量的Cortex A15，或者說是一個大幅提升了“肥胖度”的Cortex A9。原因不用多說，只在省電二字。因此Krait空有接近Cortex A15的3300DMIPS/MHz理論運(yùn)算能力與3 IPC，卻并無法發(fā)揮，原因也在這里。單純增加碼頭容量和工廠容量，卻不提升連接碼頭和工廠的道路寬度，最終都是白費(fèi)力氣。
分派之后是執(zhí)行，執(zhí)行主要靠一組組的運(yùn)算與邏輯單元構(gòu)成。相比Cortex A9，A15增加了硬件乘法器和專門用來處理分支的Branch ALU，而且有跡象標(biāo)明，Load/Store的性能也得到了很大的加強(qiáng)。這些對于某些情況下的應(yīng)用性能會帶來較大的改變，但更為明顯的變化其實是在NEON與VFP上。Cortex A15中這兩個SIMD ALU不僅擁有獨立的端口，內(nèi)部還實現(xiàn)了雙發(fā)亂序執(zhí)行流水線。
上圖就是Cortex A9的浮點運(yùn)算單元。它的內(nèi)部實現(xiàn)了管線化架構(gòu)設(shè)計，擁有自己獨立的指令隊列和指令分派，但是每個周期只能分派一個指令，執(zhí)行管線也是單發(fā)順序的。雖然圖上沒有畫出來，但是VFP/NEON指令的具體解碼在Cortex A9中是在浮點運(yùn)算單元中實現(xiàn)的，因此相對于其他的執(zhí)行管線而言，獨立性顯得比較明顯。
到了Cortex A15，浮點運(yùn)算單元被以其他運(yùn)算器相同的運(yùn)作方式整合到了處理器的主管線中，具體而言，就是VFP和NEON的指令解碼和其它類型的指令一樣是在前端指令解碼部分直接實現(xiàn)，再由分派器統(tǒng)一分派。再加上內(nèi)部的雙發(fā)亂序，Cortex A15的VFP/Neon可以同時執(zhí)行兩條SIMD指令，四個融合MAC運(yùn)算，運(yùn)算能力要大大超越Cortex A9。根據(jù)現(xiàn)有的資料和實際的運(yùn)行結(jié)果，高通也實現(xiàn)了雙發(fā)的VFPv4，但是Neon與是否支持亂序則無從判斷?？梢圆聹y，Krait的SIMD部分性能可能會弱于Cortex A15。
作為總結(jié)，用一張圖來簡單比較一下Cortex A9、Krait和Cortex A15的執(zhí)行管線：
再好的核心如果得不到數(shù)據(jù)，也只能停擺，所以緩存是現(xiàn)代處理器設(shè)計中一個很重要的部分。多處理器系統(tǒng)的緩存大體上有兩種設(shè)計思路，一種是每個核心擁有自己獨立的緩存，通過外部總線進(jìn)行一致性維護(hù)，例如Pentium D和Atom；另一種是設(shè)計一塊共享的大緩存，使用總線訪問。Cortex A9和A15、Krait都采用了后一種設(shè)計，但是細(xì)節(jié)有所不同。
Cortex A9的二級緩存通過外部總線連接到處理器組?？梢钥吹?，兩顆Cortex A9處理器通過標(biāo)記為PL310的二級緩存控制器連接到1MB的緩存上。PL310的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
PL310提供了兩個AMBA3 AXI接口，寬度都是64bit。結(jié)合之前的架構(gòu)圖，可以得到一個八九不離十的推測，那就是這兩個接口一個會用作指令拾取，而另一個則用于訪問二級緩存。
這個設(shè)計好不好呢？顯然是不好的，否則ARM也不會把Cortex A15上的二級緩存控制器直接整合進(jìn)A15多核心控制器SCU中。這是Cortex A15的一大升級，它的二級緩存不再是一個游離的組件，終于與所有的核心構(gòu)成了一個緊密耦合的整體。它的好處，后面我們還會詳細(xì)解釋，而它的壞處，我們會在下篇中為大家分析。
不僅如此，Cortex A15的二級緩存針對多核心訪問設(shè)計了4個獨立的TAG隊列，數(shù)據(jù)的讀取和寫入由兩個不同的接口實現(xiàn)（這里不太確定），還支持直接的CPU到CPU數(shù)據(jù)傳輸，這一切都是為了提升多核心下并發(fā)訪問緩存的性能。Intel曾經(jīng)說過Cortex A9糟糕的二級緩存性能限制了它的性能，很明顯，ARM決心在Cortex A15上改進(jìn)這個缺陷。
至于高通S4平臺，從高通自己提供的核心框圖上看，似乎是采用了一整片L2緩存為所有核心所共享，但是nVIDIA在發(fā)布Tegra4的時候給出了一張幻燈片，里面對于Krait的L2緩存有非常清晰的說明：
很明顯，Krait并沒有設(shè)計為一體式L2緩存，依然保留著早期Scorpion的每顆核心包含自己獨立緩存的架構(gòu)。這是異步架構(gòu)特有的問題和設(shè)計之一，緩存之間需要靠外部接口進(jìn)行一致性維持，有效容量僅有總?cè)萘?核心，對于Krait而言，不論多少個核心，有效二級緩存永遠(yuǎn)只有512KB。當(dāng)然，這樣的設(shè)計擁有高帶寬低延遲的好處，畢竟緩存是私有的，這點在對陣Cortex A9的時候會有一定的優(yōu)勢，但是面對Cortex A15就很難說有什么好處了。
到這里大家應(yīng)該就明白了，認(rèn)為Krait是類似于Cortex A15架構(gòu)的說法是不準(zhǔn)確的。事實上，驍龍S4的“Krait”架構(gòu)相對上代Scorpion而言雖然得到了很大的強(qiáng)化，但距離Cortex A15還有一定的距離，甚至說設(shè)計上與Cortex A9的親緣關(guān)系更近，看作是“肥胖版”的Cortex A9也許會更合適一些。這樣的架構(gòu)注定很難發(fā)揮它的理論性能。
每次提到高通，“異步多核”甚至“膠水多核”都是一個無法回避的問題。對于這個技術(shù)，支持者和反對者都很多，之前的文章也有過一定的介紹。當(dāng)然，實際上那時的介紹并不準(zhǔn)確，不過異步架構(gòu)在手機(jī)上壞處大于好處，這點相信還是很容易理解的。
異步架構(gòu)的好處是什么？當(dāng)然是省電。異步架構(gòu)下的CPU不需要運(yùn)行在同樣的頻率，甚至不需要擁有同樣的實現(xiàn)，完全可以做到一刻核心運(yùn)行在1.5GHz的全速下，而另一顆核心只運(yùn)行在384MHz的最低頻下。這樣以來，高負(fù)載的線程，比如前臺應(yīng)用，就可以工作在高負(fù)荷的核心上，而諸如系統(tǒng)后臺服務(wù)這樣的低負(fù)載線程就可以工作在低頻核心下，系統(tǒng)的能耗比得到最大規(guī)模的優(yōu)化。
為了實現(xiàn)這點，高通必須對Linux核心的調(diào)度器做修改，因為典型的調(diào)度器并不支持非對稱調(diào)度，它會默認(rèn)所有的CPU核心具備同樣的性能，這會導(dǎo)致低頻核心進(jìn)入嚴(yán)重的阻塞狀態(tài)，進(jìn)而影響系統(tǒng)表現(xiàn)。這也是高通稱移動領(lǐng)域只有高通做到了這點的原因。
那么異步架構(gòu)的壞處又是什么？自然是性能。異步架構(gòu)對于性能的影響在于兩個方面，一是異步電路的同步開銷，二是非對稱調(diào)度的調(diào)度開銷。
不論多么復(fù)雜的硬件，深入到最底層，都是功能電路與總線的組合。總線需要協(xié)議，協(xié)議的基礎(chǔ)是時序，因此顯而易見的要求就是，連接到一個總線的兩個設(shè)備之間想要溝通，那么就需要具備同樣的時序。換句話說，就是需要擁有同樣的頻率。這就是同步電路。30年來，同步電路成為了設(shè)計領(lǐng)域的主流，圍繞其發(fā)展的EDA技術(shù)也是最成熟的。而異步電路則不同，它擁有一個特殊的“握手協(xié)議”，在正式的傳輸發(fā)起之前，會首先利用幾個時鐘周期的時間進(jìn)行“握手”，將雙方的時序調(diào)整到一致。在實際實現(xiàn)中，這個由固化硬件實現(xiàn)的握手協(xié)議消耗的時序，根據(jù)設(shè)計不同在2～4個時鐘周期左右，這就是異步電路的同步開銷。如果我們考慮最極端的情況，假設(shè)真正的數(shù)據(jù)傳輸只需要3個時鐘周期，那么異步電路的總線利用率就永遠(yuǎn)不會超過50％，因為至少有一半的時間要消耗在握手上，哪怕兩邊的頻率是相等的。
看到這里，聰明的你應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)問題所在：即便是異步電路，在真正數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，依然還是需要兩側(cè)時序保持同步，異步握手協(xié)議的加入只是做到了通訊發(fā)起時雙方的時序可以不一致。因此很明顯的結(jié)論就是，異步總線同一時刻只能與一個設(shè)備進(jìn)行握手?？紤]以下狀況，如果兩個CPU同時向總線發(fā)起占用請求，即發(fā)起握手請求，而這兩個CPU的頻率不同，那么很明顯，由于時序的不同，任何防止沖突的協(xié)議都無法起效，因為邏輯電路的最小工作周期就是時鐘周期。因此異步系統(tǒng)里發(fā)起握手行為的只能是總線本身，也就是說異步系統(tǒng)里實際上是總線在不斷詢問CPU是否要接入，而不是CPU向總線要求接入。
既然如此，異步系統(tǒng)就是一個輪詢的系統(tǒng)，這是它的另一硬件開銷，尤其是在核心數(shù)超過2的系統(tǒng)中，由于輪詢必然是有順序的，那么就必然會遇到某一時刻總線輪詢到的是CPU0，而此時需要握手的是CPU3。哪怕CPU1和CPU2都是空閑的，CPU3也必須要等到3個總線周期以后才可以和總線同步。假設(shè)同步需要3個周期，而數(shù)據(jù)傳輸也只需要3個周期，這就意味著在同步系統(tǒng)里只需要4個周期就可以實現(xiàn)的數(shù)據(jù)請求，在異步系統(tǒng)里消耗了9個周期。
當(dāng)然，這里討論的都是最基礎(chǔ)的情況，實際設(shè)計中也會有很多的技巧去突破這些限制，但是別忘了，如果把總線協(xié)議和接口實現(xiàn)的過于復(fù)雜，其本身的耗電量也會增加，因此實際設(shè)計中可能并不會引入太多復(fù)雜的高級設(shè)計，因此這些開銷可能全都是存在的。
除去硬件設(shè)計導(dǎo)致的開銷以外，用于配合異步系統(tǒng)正常工作的操作系統(tǒng)調(diào)度器，也會引入額外的開銷。對于同步系統(tǒng)的調(diào)度器而言，由于它假定所有的CPU均擁有同樣的運(yùn)算能力，因此調(diào)度算法的實現(xiàn)非常簡單，只需要平衡的把負(fù)載分配到各個活動CPU上即可。但是一旦各個CPU之間的頻率不同，調(diào)度器所需要維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就會大大復(fù)雜化，因為系統(tǒng)需要盡力去保證異步系統(tǒng)處于異步狀態(tài)，否則就無法實現(xiàn)異步系統(tǒng)省電的特性，因此就不能平均分配工作符合。尤其是考慮到實際的移動設(shè)備里，各個CPU核心的頻率都是處在動態(tài)變化之中的，因此異步系統(tǒng)調(diào)度器的算法會明顯復(fù)雜得多。我們知道，調(diào)度器所占用的是一個系統(tǒng)內(nèi)兩個時間片中間的時間，現(xiàn)代系統(tǒng)中時間片一般取10～100毫秒，Linux核心的時間片大體上是100ms左右，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級不同而不同，最短可以到5ms。假設(shè)同步系統(tǒng)的調(diào)度器執(zhí)行只需要10us，那么在5ms時間片的系統(tǒng)上所消耗的性能就只有0.2％，但是如果調(diào)度器消耗的時間為1ms，那么性能損失就會激增到17％左右，影響十分巨大。當(dāng)然，在實際系統(tǒng)中不太可能使用5ms時間片，異步系統(tǒng)的調(diào)度器也不可能需要花1ms的時間才能完成調(diào)度，但是異步調(diào)度器的確會占用系統(tǒng)不可分片的時間，帶來性能的下降。
至此異步系統(tǒng)的好處和壞處都解釋清楚了，那么最后的問題就是，異步系統(tǒng)相對于同步系統(tǒng)而言究竟是好處多還是壞處多，這個問題可以分為兩個方面來觀察。
首先是用戶對于性能的需求。異步系統(tǒng)的省電特性是靠犧牲性能獲得的。由于同步開銷的存在，異步系統(tǒng)發(fā)揮非常好的效率的時候是重度計算的情況，在這種情況下，CPU的指令流水線基本處于滿負(fù)荷工作的狀態(tài)，而指令拾取與解碼往往會因為后端流水線的阻塞而停止。這時對于總線使用率的要求會大大降低，同步開銷得以掩蓋。但是當(dāng)用戶執(zhí)行的是輕量級多線程時，由于同步開銷的存在，系統(tǒng)的表現(xiàn)會大受影響，因此給人的感覺就是跑分快，實際用卻表現(xiàn)不出來，多任務(wù)切換的時候甚至?xí)锌D的情況，而這正是高通系統(tǒng)的特征。
其次是同步系統(tǒng)也各種有辦法減小同步運(yùn)行的高功耗，其中之一就是對指令流水線引入復(fù)雜而精密的時鐘門控，在沒有指令輸入的時候，流水線甚至可以整體關(guān)閉時鐘，進(jìn)入徹底的停擺狀態(tài)，進(jìn)而降低功耗。這些都是已經(jīng)成熟的技術(shù)，目前大部分CPU設(shè)計中都已經(jīng)實現(xiàn)，因此同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)之間的差異可能并沒有看起來的那么大。
總體來說，手機(jī)中使用異步系統(tǒng)是一種犧牲性能節(jié)省電量的折衷方法，并非是解決性能和功耗問題的唯一途徑。很多時候高通MSM平臺所宣稱的節(jié)電效果是來自于CPU、Baseband、Modem等子系統(tǒng)的共同作用。異步就能省電是個巨大的認(rèn)知錯誤。
在2012年的SoC中，內(nèi)存子系統(tǒng)也存在著很大的區(qū)別，我們來回顧一下。
內(nèi)存的影響這么大？當(dāng)然。這個問題放在幾年前可能的確不那么重要，但現(xiàn)在的智能手機(jī)分辨率越來越大、配置越來越好、性能越來越高，所有的內(nèi)置設(shè)備，都要從內(nèi)存中頻繁存取數(shù)據(jù)。與PC不同，手機(jī)的GPU往往并不具備獨立顯存，因此顯存也要占用內(nèi)存總線，這無疑會進(jìn)一步加大內(nèi)存系統(tǒng)的壓力。對于這個問題，解決方案就是增加內(nèi)存帶寬，甚至方式都如出一轍，那就是雙通道。事實上自雙核時代以來，幾乎所有的SoC都把雙通道作為設(shè)計標(biāo)配。
為什么說幾乎？那自然是有例外，事實上一共有三個，第一個是Tegra2， 第二個是高通S3，第三個則是Tegra3。nVIDIA獨中兩元。
內(nèi)存帶寬是一切的基礎(chǔ)，可以說在過去、現(xiàn)在和未來，帶寬都是越大越好。Tegra3雖然只配備了單通道內(nèi)存，但是種種跡象顯示，Tegra3的內(nèi)存控制器支持的工作頻率非常高，官方提供的數(shù)據(jù)是LPDDR2 1066MHz，即便是以32bit的單通道，單向帶寬也達(dá)到了4.2GB/s。但是Tegra3系統(tǒng)中內(nèi)存實際運(yùn)行的頻率不得而知，但是從測試結(jié)果來看，應(yīng)當(dāng)不會比1066MHz低多少。
而根據(jù)官方提供的資料，高通的APQ8064雖然支持雙通道LPDDR2內(nèi)存，但它的內(nèi)存頻率僅僅運(yùn)行在等效533MHz下。這樣的內(nèi)存系統(tǒng)，帶寬和Tegra3是一樣的，同為4.2GB/s。
雙通道是用于提升帶寬的但同時也會增加延遲，如果雙通道系統(tǒng)的頻率過低，就像APQ8064，那么這樣的系統(tǒng)其實反而會影響性能。我們不可能保證需要讀取的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)位于兩個不同的控制器下，因此低頻雙通道整體上的延遲要比高頻單通道高得多，即便考慮到時序，影響也可能會在20％的水平上。
至于Exynos 4 Quad，它的內(nèi)存子系統(tǒng)是雙通道LPDDR2 800MHz，因此擁有最大的帶寬——6.4GB/s，平均延遲則和Tegra3接近。所以在這三款CPU之中，Exynos 4 Quad的內(nèi)存性能是最好的。
不過隨著性能的進(jìn)一步提升，到最新這一代產(chǎn)品，也就是驍龍600/800、Exynos Octa、Tegra4，最終還是都配置了雙通道內(nèi)存控制器，而且全都升級到了LPDDR3。雖然速度還有區(qū)別，但至少不需要糾結(jié)雙通道與否了，至于它們的具體性能，我們會在下篇中介紹。
放松一下。在微博上曾經(jīng)流傳著一個段子：高鐵停電了，第一批人在寂寞中抬起了頭，那些都是蘋果用戶。緊隨其后，Android用戶也抬起了頭，憂郁地看著窗外，而此時，諾基亞的用戶還在用手機(jī)放著月亮之上。這當(dāng)然不是吐槽現(xiàn)階段手機(jī)續(xù)航的唯一段子，還有一個段子說的是，每一個用Android手機(jī)的男人一定都是好男人，因為他們必須每晚準(zhǔn)時回家——充電。不可否認(rèn)的，強(qiáng)大的性能，帶來的副作就是不強(qiáng)大的續(xù)航，這已經(jīng)成了很多手機(jī)玩家心頭揮之不去的痛。指望電池技術(shù)一朝突破不太現(xiàn)實，那么唯一的辦法就是想辦法盡量少用點電。第一回合里我們介紹了工藝，很顯然，Exynos 4 Quad、Tegra3、APQ8064采用了三種不同的工藝，自然也會產(chǎn)生不同的功耗。大家都說自己很省電，因此我們只好用測試來決一高下了。
頻率和功耗相關(guān)性曲線
這一節(jié)的功耗測試主要來源是互聯(lián)網(wǎng)，因此對于數(shù)據(jù)本身是否足夠精確、足夠公平，各位可以不用太過于考究，權(quán)當(dāng)定性研究吧。
首先是Tegra3，因為nVIDIA比較慷慨，在Tegra3的白皮書中給出了功耗對比。Tegra 3的整個CPU部分工作在1GHz頻率下的功耗大約是1.26W，而Tegra3的實際產(chǎn)品運(yùn)行頻率是1.5GHz，這個頻率下的功耗nVIDIA并沒有提供，我們只能根據(jù)經(jīng)驗來預(yù)估。由于Fast G工藝的漏電比例較大，因此Tegra3在1.5GHz下的功耗可能是在2.5W～3W左右?？紤]到Tegra3的幾乎整顆芯片都用的是40nm Fast G工藝制造，因此也可以猜測在其它通用硬件上，Tegra3的功耗會相對大一些，再加上nVIDIA一貫有標(biāo)低不標(biāo)高的“優(yōu)良傳統(tǒng)”，因此這樣的估計應(yīng)該不會相差太遠(yuǎn)。
當(dāng)然，Tegra3有一個LP工藝制造的伴核。但是這個伴核更多是用于在待機(jī)時避免Fast G工藝的高漏電而設(shè)計的，對于正常使用的貢獻(xiàn)并不大。
GPU方面，由于完全沒有任何可以參考的資料，所以究竟功耗多少，只能從實際使用續(xù)航中加以猜測。根據(jù)我們和廣大用戶的實際使用體驗，Tegra3手機(jī)的游戲續(xù)航時間都不會太長，我們推測Tegra3的GPU功耗應(yīng)當(dāng)在1W左右，也就是說整顆Tegra3芯片在CPU和GPU滿載的時候，功耗大約在3.5W左右（該數(shù)字并非官方提供，僅供參考，而且實際也很難做到同時滿載，這樣的數(shù)字只是為了一定程度上方便比較）。
看完了Tegra3，再來看看Exynos 4 Quad。這顆芯片的詳細(xì)功耗數(shù)據(jù)三星并沒有提供，但我們知道同樣工藝的雙核版Exynos 4 Dual 32nm的信息，這來源于三星官網(wǎng)上的一段介紹視頻。
在圖上可以看出，1.5GHz的雙核Exynos 4 Dual 32nm的CPU部分功耗大約是在1W左右，每顆核心大約500mW。而Exynos 4 Quad的工作頻率為1.4GHz，因此估計的功耗大約會是430mW，也就是說四核心的總功耗在1.7W左右，相對于Tegra3而言至少低了30%。
獵戶座的GPU部分功耗圖中也有所體現(xiàn)，45nm工藝下，運(yùn)行頻率為266MHz的Mali400 MP4的功耗大約是105mW，由于Exynos 4 Quad的GPU運(yùn)行頻率大約是400MHz，因此經(jīng)過估算功耗大約在160mW左右。至此，Exynos 4 Quad的CPU+GPU最大總功耗就可以計算出來了，大約是在1.9W左右。
最后是APQ8064。相對于前兩者的頻繁估計不同，由于高通提供了MSM8960（與APQ8064擁有同樣的核心）的開發(fā)平臺，因此各項功耗都可以輕松直接測量。雖然功耗隨著頻率和負(fù)載的波動變化很大，但當(dāng)工作在1.5GHz時，Krait CPU功耗大約是在700～750mW，因此APQ8064如果四核滿載，消耗的功率也將達(dá)到3W左左右，與Tegra3不相上下。
由于MSM8960的GPU是Adreno225，因此GPU功耗無法直接和APQ8064比較，這點比較可惜。但是即便如此，MSM8960的GPU功耗也已經(jīng)高到難以置信，最高達(dá)到了1.6W，平均而言也有1.1W左右——幾乎是Exynos 4 Quad的七倍。由于從規(guī)模上說，Adreno320和Adreno225相比有著翻倍的提升，而制造工藝完全相同，雖然考慮到微架構(gòu)的提升可能可以帶來一定的省電效果，我們還是很難相信Adreno320的功耗會低于2W。
在第一回合的結(jié)尾，我們提到過，高通沒有選擇非常先進(jìn)的28nm HPL HKMG工藝，可能會對產(chǎn)品的功耗表現(xiàn)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，在這里我們可能已經(jīng)看到了結(jié)果，擁有HKMG技術(shù)加持的Exynos 4 Quad在三大旗艦平臺的功耗里是最小的。 Tegra3由于伴核的存在，實際使用中的功耗比較難以估測，但如果是極限情況下則明顯不容樂觀。APQ8064的全滿載功耗無疑是上一代四核平臺里最高的，但是由于在實際產(chǎn)品中，各個制造商都會主動降低這款SoC的工作頻率（尤其是GPU），因此實際功耗應(yīng)當(dāng)介于前兩者之間。毫無疑問，最容易讓手機(jī)變成好男人的是Tegra3。
對于普通讀者而言，長篇大論的理論分析肯定是很乏味的（技術(shù)宅另當(dāng)別論），看到這里，相信大家也都累了。雖然理論上里里外外、反反復(fù)復(fù)的比了個遍，但是畢竟實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，作為2012年旗艦的這三顆處理器究竟孰優(yōu)孰劣，還得經(jīng)過實際測試才能知曉。因此，我們整理了Anandtech、GSMArena等數(shù)家國外權(quán)威媒體的測試成績，嘗試一下通過分析結(jié)果來驗證一下理論分析的結(jié)論。當(dāng)然，這些測試的環(huán)境是否一樣無法考證，所以實際上這個對比并不嚴(yán)格。畢竟只是回顧而已。
需要注意的是，因為各種原因，有些測試程序的參考價值有限，如Neocore、Nenamark v1和Vellamo。對于這類測試，我們決定直接忽略。
首先我們來看一些理論性能測試，作為對比，我們在圖表里加入了上上代產(chǎn)品，1.2GHz的Exynos 4210與1.5GHz的MSM8260。Linpack是出廠率比較高的測試之一，靠求解線性方程組來測試系統(tǒng)的浮點運(yùn)算能力。
APQ8064取得了壓倒性的領(lǐng)先，主要是源于VFPv4，而A9和Scorpion只有VFPv3。浮點運(yùn)算性能在現(xiàn)階段的實際應(yīng)用中體現(xiàn)的較少，因此這項測試的實際意義可能更多是體現(xiàn)在未來。比較有趣的是，Exynos 4 Quad雖然頻率更高，但單線程性能卻不如Exynos 4210，這也許就是受到了前文提到的處理器子系統(tǒng)帶寬問題的影響。
接下來是幾乎逢評測必測試的兔子跑分。這是一個綜合測試項目，我們先來看總分，再慢慢分析。
APQ8064是三大四核平臺里分?jǐn)?shù)最高的，其次是Exynos 4412，再次是Tegra3。雙核和四核在這里體現(xiàn)出了差距，但是我們還需要來仔細(xì)看一下單項得分。
內(nèi)存的結(jié)果比較有趣，雖然Exynos 4210和Exynos 4 Quad擁有同樣內(nèi)存配置，但得分只有后者的一半都不到，似乎Exynos 4 Quad內(nèi)存到CPU的連接的確比較高效。但是若只看四核平臺，又會發(fā)現(xiàn)對于高通平臺而言，浮點和整數(shù)的性能落差要明顯大于Cortex A9。這也許就是異步架構(gòu)的開銷，畢竟安兔兔的浮點并沒有使用VFP加速。
整數(shù)部分的差距體現(xiàn)的是雙核和四核的差距，雖然Krait擁有架構(gòu)的優(yōu)勢，但這通過之前的架構(gòu)分析我們可以找到原因，那就是因為不論是Krait、Cortex A9還是Cortex A15，整數(shù)運(yùn)算器都只有兩組，因此執(zhí)行能力的確沒有太大的區(qū)別。
CF-Bench也是一個理論性能測試軟件。這里我們也來對比一下測試成績。
基于同樣的理由，在以整數(shù)計算為主的Native性能方面，大家的單個核心同頻性能基本是差不多的，只是APQ8064的成績要明顯比Tegra3和Exynos4412差，這可能也是由于異步開銷導(dǎo)致的。但令人驚奇的是，Krait的Java性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其它兩款四核平臺，不僅相對于前一代Scorpion有超過兩倍的飛躍，甚至比所有的四核Cortex A9都高。這個結(jié)果比較出乎意料，也許是因為Krait引入的額外執(zhí)行器在起作用，不論如何，這樣的結(jié)果意味著在純Java的應(yīng)用中APQ8064會有很大的優(yōu)勢，甚至要比四核A9更好——唯一的問題是運(yùn)算密集型的純Java應(yīng)用正變得越來越少。當(dāng)然也不是沒有，下面我們就要來看一個。
Quadrant測試向來是熱門測試之一，它就是一個純Java的測試，正好可以檢測一下Krait超高Java性能的效果。這里收集的是支持多核心的V2版，由于總分受IO影響過大，我們只看CPU和內(nèi)存。
靠著超高的Java性能，APQ8064在這個測試?yán)锶〉昧藟旱剐缘念I(lǐng)先。
理論性能測試就到此為止，我們下面來看一下實際環(huán)境模擬的測試。首先采集的是Smartphone Benchmark 2012中反映CPU性能額Productivity項。
APQ8064無法找到測試成績，不過從MSM8960來看，成績應(yīng)當(dāng)與四核Cortex A9是同一水平。Tegra3在這個測試?yán)锍鋈艘饬系娜〉昧说谝幻?.5GHz的主頻應(yīng)當(dāng)功不可沒。
瀏覽器測試也是實際應(yīng)用中很常見的項目，我們先看看Sunspider。
時間越短越好，不過從雙核A9、雙核Krait到四核A9，相對來說差距并不大。因為SunSpider測試的成績主要受到瀏覽器JS引擎的影響，與系統(tǒng)層面的優(yōu)化關(guān)系密切，因此差距不大是可以理解的。
接下來是BrowserMark：
BrowserMark的結(jié)果很有趣，Exynos 4412一枝獨秀，APQ8064緊隨其后，除此以外，其它平臺基本處于同一水平，更有趣的是不論Tegra3還是MSM8960，都不如上上代的Exynos 4210，這說明三星在軟件上針對瀏覽器進(jìn)行的單獨優(yōu)化效果遠(yuǎn)超其他廠家，兩代親兒子真不是白做的。
最后來看看3D性能。首先登場的自然是大名鼎鼎的GLBenchmark。2.1版本的Egypt場景使用了大量的Shader，尤其是Pixel Shader，比較看重GPU進(jìn)行像素處理的能力。為了避免分辨率的影響，我們采集的是720p Offscreen的數(shù)據(jù)。
Adreno320憑借超高的硬件規(guī)模，總算在這個之前不擅長的測試?yán)锶〉昧说谝弧?/P>
GLBenchmark2.5中，開發(fā)商重新設(shè)計了所有的模型和效果，提升極為明顯，尤其是模型，細(xì)膩光滑，顯然包含了數(shù)量眾多的三角形。這個測試?yán)顰dreno320依然一馬當(dāng)先，領(lǐng)先第二名33％。當(dāng)然，其實大家跑的成績都不怎么樣，2.1理動輒100FPS+的成績相比，最高的APQ8064也僅僅拿到了20FPS而已，可以說都慘不忍睹，只是慘的程度而已。
安兔兔跑分的3D部分在3.0之前一直都過于簡單，無法壓榨優(yōu)異GPU的水準(zhǔn)。因此開發(fā)商在3.0版本引入了一個全新的3D測試場景，我們來看看這個場景的表現(xiàn)。
可以看到一旦復(fù)雜度提升，Mali400 MP4的性能就會大幅下跌，同時Adreno系列就會得到極大的優(yōu)勢。在兔子跑分V3中，配備APQ8064的手機(jī)總分遠(yuǎn)高于其他產(chǎn)品，幾乎完全都是GPU的功勞。
最后則是最新發(fā)布的，大名鼎鼎的老牌3D測試軟件3DMark。在支持了移動設(shè)備之后，大家總算有一個相對公平的比較平臺，雖然對于桌面系統(tǒng)而言，區(qū)區(qū)DX9水平的測試早就是淘汰級別，但我們也沒有更好的方式。根據(jù)之前越復(fù)雜高通越強(qiáng)大的規(guī)律，3DMark中高通應(yīng)該也擁有很大的優(yōu)勢，那么實際情況是怎樣呢？
這究竟應(yīng)當(dāng)用“慘不忍睹”形容Exynos 4412，還是應(yīng)當(dāng)用“驚為天人”形容Adreno320？在3DMark的壓榨下，Adreno320爆發(fā)出的性能幾乎是其他四核平臺的三倍，成績已經(jīng)接近2007年的低端入門級筆記本獨顯8400M GT。
和以往測試性能不同，由于存在兩種架構(gòu)和兩種核心數(shù)，所以這次我們嘗試更加深入一點，去計算了一下三大旗艦平臺在不同項目中的能耗比。除了Linpack以外，我們假定在測試中各個平臺的功耗均處于最大，數(shù)據(jù)采用之前的結(jié)果。MSM8260的功耗之前并未提及，根據(jù)估測應(yīng)當(dāng)在650毫瓦左右。首先比較的是CPU部分的性能功耗比，這里用MSM8960的性能作為單位1。
然后是GPU部分。
綜合來看，Exynos 4412在上一代四核平臺中能耗比是最高的，其次是MSM8960，當(dāng)然這是一顆雙核SoC。APQ8064在絕大多數(shù)情況下，能耗比都要比Exynos 4412低不少，而性能和對方差距也不大，這意味著兩者的使用體驗會比較接近，但APQ8064的發(fā)熱會遠(yuǎn)大于Exynos 4412。當(dāng)然廠家可以靠降低運(yùn)行頻率、設(shè)置更嚴(yán)格的溫度控制閾值來控制功耗，但是這樣一來性能會受到較大影響。總體來說，APQ8064有些空有一身力氣卻因為吃不飽而無法發(fā)揮的感覺。
GPU則對高通而言不太妙，因為差距已經(jīng)大到難以理解。Tegra3由于采用的是落后的40nm工藝，能耗比不理想是可以理解的，但S4已經(jīng)采用了28nm工藝（雖然工藝細(xì)節(jié)比較落后），再考慮到架構(gòu)上的巨大優(yōu)勢，能耗比卻大幅度落后。當(dāng)然，在最新的測試中，Adreno320的性能有絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢，但是這樣的優(yōu)勢不足以抵消其超過2W的功耗?？紤]到實際的應(yīng)用狀況，即便是遇到必須要Adreno320才可以流暢運(yùn)行的游戲，Adreno320也會因為功耗過大而不具備實際的使用價值。如何解決能耗比問題，是高通的一大難點。
Adreno320的規(guī)模之大，為移動領(lǐng)域少有，根據(jù)某些渠道的消息，Adreno320占用的硅片面積大約是30mm2左右。根據(jù)路線圖，年底將要上市的驍龍800會配備規(guī)模更大的Adreno330，性能將會進(jìn)一步提升50％，但假如高通無法提升自己GPU的效率與能耗比，只是一味的去“堆”運(yùn)算單元，即便最終可以獲得強(qiáng)大的性能，這樣的提升也會變得毫無意義，畢竟便攜設(shè)備靠電池供電，不可能允許功耗無限制地增大。我們實在不敢想像在小小的手機(jī)里有著一顆功耗接近3W的GPU是怎樣的感覺，唯一可以確定的是，如果真的存在這樣一個GPU，在99％的時候它都不可能運(yùn)行到哪怕一半的設(shè)計性能。
算過了能耗比，我們再來算算同頻性能。對陣的是Cortex A9與高通新老兩代核心Krait與Scorpion。
從結(jié)果可以看出，驍龍S4的Krait核心在整體的執(zhí)行性能方面和Cortex A9互有勝負(fù)，并不像某些文章中所說，“遠(yuǎn)超Cortex A9，與Cortex A15同級”。領(lǐng)先較多的三項中，Linpack源于Krait更高版本的VFP處理器，真正有實際意義的是Java性能，這點可能會在實際使用中帶來很大的區(qū)別，但異步架構(gòu)又可能會對性能表現(xiàn)帶來負(fù)面影響，所以總體而言，Krait與Cortex A9的關(guān)系更多類似于“基本持平”而并不是“遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩開”。這個結(jié)果對高通而言可能有些沮喪，畢竟高通奉行的是兩年一升級的策略，驍龍S4在自己生命周期的起始階段無法徹底擊敗上一代架構(gòu)的對手，隨著今年正統(tǒng)Cortex A15產(chǎn)品的陸續(xù)上市，Krait核心屆時也許會變得更加被動。
尾聲：瘋狂時代的最后演出？
通過這篇回顧，我們對于過去的2012年里大放異彩的移動四核產(chǎn)品算是有了一個清晰的概念，同時也對于移動產(chǎn)品的一些架構(gòu)和技術(shù)有了一定的了解。2013年已近過半，高通已經(jīng)拿出了最新的驍龍600，nVIDIA的Tegra4也蓄勢待發(fā)，而三星則拿出了比較獨特的八核處理器Exynos Octa。在未來的半年內(nèi)，ARM陣營還會有驍龍800和Tegra4i陸續(xù)到來，Intel則會祭出全新Silvermont架構(gòu)的新一代ATOM處理器以取代老邁的Saltwell——后者的架構(gòu)自推出以來就幾乎未曾更新，但即便如此，依然具有與Cortex A15一戰(zhàn)的性能和Cortex A9級別的功耗。甚至一向?qū)σ苿邮袌霾惶珶嶂缘腁MD，都會推出設(shè)計功耗只有3.9W，基于Jaguar核心的Temash嵌入式處理器?？雌饋硪苿宇I(lǐng)域的軍備競賽還將繼續(xù)下去，至少2013年不會是終點。
但是再往后呢？攀升的性能與功耗，與發(fā)熱和續(xù)航之間的矛盾正在一天天激化。從07年開始，我們經(jīng)歷著手機(jī)從三天一充，到一天三充，到今天甚至出現(xiàn)了永遠(yuǎn)都無法全速工作的“優(yōu)異手機(jī)”。面對這個局面，手機(jī)廠家卻依然鍥而不舍地升級新硬件，消費(fèi)者也還在孜孜不倦地追求最多的核心與最高的頻率。這樣的現(xiàn)象正常么？恐怕很難如此認(rèn)為。這是一個瘋狂的時代，毀滅可能會發(fā)生在最輝煌的一刻，而那一刻可能就在不遠(yuǎn)的將來。
那么剛剛上市與即將上市的最新一代手機(jī)究竟會發(fā)展成怎樣？最新的硬件到底能給我們帶來什么？這個產(chǎn)業(yè)的未來會是怎樣？這都是我們需要思考的問題，也都是下篇將要探討的問題。我們享受著科技進(jìn)步帶來的好處，也在為科技進(jìn)步的副作用買單。我們推動著市場從無到有，也推動者市場從理性到瘋狂進(jìn)而毀滅。消費(fèi)者的欲望是無限的，而消費(fèi)者的理性是有限的，這才是一切問題的根源所在。移動產(chǎn)業(yè)何去何從？會不會像PC一樣進(jìn)入百足之蟲死而不僵的地步？時間會告訴我們一切，我們姑且拭目以待。
下一篇Archon將會圍繞著現(xiàn)今手機(jī)處理處理器的現(xiàn)狀與未來進(jìn)行探討，對于這篇文章還意猶未盡的玩家可以進(jìn)一步的閱讀。■<
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