寫在驍龍820和Exynos 8890之前：手機cpu淺談

前年，作為一名電子產品的狂熱愛好者，畢業時順利簽到一家手機odm設計公司做射頻工程師。

平時除了在實驗室做項目，總趁著調試WIFI模塊時逛逛張大媽 。

說來慚愧，在張大媽的關懷下生活水平日益提高 ，卻沒有做過任何貢獻，正好最近有空，想和大家聊聊手機cpu。

在這之前先說兩句手機odm公司，也叫手機方案公司。

因為最近在微博上總看到紅米note3代工醜聞之類的相關新聞。

作為odm公司的一員，我想告訴大家的是如今手機市場，除了各家最高端的產線，剩下的基本都出自方案公司。

就拿小米來說，小米4和小米note是小米公司設計的，而紅米所有系列都是出自龍旗，魅族的魅藍，華為榮耀和htc desire系列也都如此。

這種現象不是如今才出現的，而是一直都是這樣的產業布局，大家部分消費者如今才知道而已。

至於大家關心方案公司設計和代工的手機質量問題，真的是多慮了。

首先這些都是要經過品牌公司的檢測，不可能讓不可靠的產品毀牌子；再者，大的odm公司比如聞泰、華勤和龍旗，這些公司無論是經驗產線還是出貨量都是非常優秀的，只不過他們不做自己的品牌專心做方案而已。

一． 產業現狀

好了odm公司扯得有點遠，現在讓我們聊聊手機cpu吧。

cpu產業有兩種運作方式，一種是英特爾這類公式，自己設計自己生產。

這樣的好處在於，電路設計跟工藝結合的緊密，對性能自己很好把控並且由於這種技術閉環能夠打壓其他公司。

還有一種就是設計和生產是分開進行的，比如高通，聯發科，三星以及我們的海思，他們的內核來自ARM公司，而基本都採用的是台積電的工藝。

當然，三星比較特殊，有自己的產線。

而大家可以看到，手機cpu基本都是第二種產業方式，而這種方式離不開的就是ARM公司。

ARM的來歷和介紹就不多說了，大家都可以谷歌的到，反正就是很牛很久的公司。

有多牛呢，可能很多微電子專業的同學最夢寐以求的工作就是去一家soc公司做研發，然而這些公司都是買ARM的授權，再進行二次開發的。

簡單來說ARM設計的cpu內核比如有ARM 7 9 15等，這些東西通常以,硬體描述語言代碼的形式賣給客戶比如三星、華為、高通之類的下游公司，然後這些下游公司再進一步設計最後生產出不同的產品。

由於下游公司的思維方式不同，設計能力不同，所以同樣的授權下性能差異很大。

二． 生產工藝

設計說完了再來說說工藝。

拿到了授權並且進行了開發，產品是設計出來了，但是還需要一個好的產線把產品生產出來。

就像蘋果設計出來的iphone再完美，也需要富士康這樣品控嚴格，管理優秀的產線生產出來。

而cup工藝中最優秀的應該是英特爾，然而我們之前說過了，英特爾有技術閉環，並不給別家代工。

做代工比較好的主要有：台積電（TSMC），台聯（UMC），歐洲的意法半導體（ST）和三星（samsung）和大陸的中芯國際（SMIC）。

最大的應屬台積電（TSMC）了，最新的量產工藝是16nm製程，優秀的品控和良品率可以說是業界一家獨大，牢牢占據晶圓代工廠榜首位置。

最近iphone的晶片門中和三星的14nm製程工藝對比就可以看的出其優秀的產線和代工經驗占盡優勢。

其次就是最近如火中天的三星了，最新的量產工藝製程是14nm，能量產出14nm的目前只有英特爾和三星。

14nm製程的量產可以說讓三星在soc工藝中迎頭趕上，硬是在TSMC口中奪走一半的蘋果訂單，更是在Exynos 7420與驍龍810的巔峰對決中占盡優勢，s6系列的強勢銷量扭轉讓三星手機部門的頹勢，除了優秀影像功能和AMOLED的成熟，恐怕Exynos 7420更是功不可沒。

大陸的中芯國際（SMIC）去年訂單量排名第五，雖然看起來成績不錯，但其實不到TSMC的10/1，據說前一陣和華為，高通聯合發開14nm製程，預計2020年量產，不過這個速度應該還是和現在一樣只能占到中低端市場了。

三. 指令集架構與核心架構

知道cpu是怎麼生產出來的了，那我們再來談談cpu。

cpu我們接觸到的無非就是pc端的和手機端的。

pc端的很簡單大家也都知道，就兩家：英特爾和AMD，pc端cpu用的複雜指令集（CISC）。

手機端更簡單，沒錯，就是ARM！手機端使用的是精簡指令集（RISC）。

大家還記得我們教科書里說過的龍芯嗎？很多人一直疑惑為什麼龍芯不商用呢，性能不好也是可以慢慢趕上的嘛。

這裡要打擊一下大家的愛國情懷了，其實龍芯是不可能在pc端商用的，因為它所用的指令集MIPS嚴格意義上來說並不屬於複雜指令集，而屬於手機的精簡指令集（RISC），所以龍芯只能在linux系統環境下用在一些簡單伺服器裡邊。

所以說，無論是高通，三星，聯發科還是海思，並不能說是完全自主開發的晶片，因為他們都是建立在RAM的基礎上設計的。

但是這裡還有一點區別：

1. 指令集架構

典型的有ARMV5 ARMV6 ARMV7以及最新的64位ARM指令集ARMV8等等，這個類似於台式機上的IA32，他是一個指令集，僅僅定義了機器指令，寄存器結構等等軟體開發者可以看到的最底層的東西，是軟硬體的接口。

2. 核心架構

典型的有CortexA5，A7，A8，A9，A15，高通的蠍子，環蛇，以及早期的ARM9，ARM11等等。

他們對應於某一種指令集架構的具體核心實現方式，比如CortexA8，A9,A15以及高通的環蛇，蠍子都是基於ARMV7指令集架構的不同核心架構處理器。

ARM11則是分別基於ARMV6的指令集架構。

ARM公司將自己研發的指令集叫做ARM指令集，同時它還研發具體的微架構如Cortex系列並對外授權。

大部分公司不僅採用了ARM指令也採用了ARM的微架構。

但是，一款CPU使用了ARM指令集不等於它就使用了ARM研發的微架構。

這個大部分中的例外就是高通了。

高通能在手機端cpu市場長盛不衰就是因為能夠繞過ARM研發出自主產權的微架構。

高通多次宣稱在相同工藝基礎上，高通自主微架構在性能上往往領先同時代主流ARM標準架構，比如Scorpion性能領先於Cortex-A8，Krait領先於Cortex-A9。

雖然個人認為相同工藝下還是ARM架構性能優於高通架構的，但是要知道高通擁有核心架構設計能力就已經是其他任何廠商望塵莫及的了。

64位處理器高通和其他廠商一樣採用的是ARMCortex-A57+A53微架構，但是明年量產的驍龍820將首次採用高通64位自主微架構「Kryo」。

這樣一來，高通相對於其他廠商在核心架構上卻可以節省大量核心架構授權費用，使其更具有成本優勢，並且由於高通的大出貨量和高端市場的控制力能形成能優勢壁壘。

高通的強大出貨量使其成為相對的主流市場，那麼前端軟體開發者在高通處理器上會做更多地軟體優化。

而其他廠商出貨量相對較少，並且和高通有著不同的核心架構，這樣就很難被顧及，而高通就是利用這樣的優勢壁壘將自己的優勢一點點擴大。

這是很多人困惑，為什麼Exynos 7420各方面完勝驍龍810可是在很多大型遊戲上卻沒有驍龍810流暢的原因。

當然明年三星的64位晶片Exynos8890將採用苦心研發多年的自主微架構，代號為貓鼬(Mongoose)，性能及市場表現值得我們期待。

四. cpu的性能

前面說了這麼多，這些都是導致cpu性能差異化的根本原因。

很多消費者在判斷一款晶片性能的時候只看到廠價宣傳的頻率和核心數，其實架構和工藝決定著一款cpu的性能極限。

驍龍810對於不可一世的高通來說無疑是巨大的失敗，四核ARM Cortex A57和四核ARM Cortex-A53總共8個核心，大核主頻達到2GHz，小核主頻為1.6GHz，這些參數剛出來是確實讓人覺得驍龍810是個性能怪獸，然而實際中的發熱問題讓這塊cpu淪為雞肋。

高通給出的原因是由於採用的ARM Cortex A57核心架構出現了發熱問題，可是我們看看同樣採用這套64位核心架構的Exynos 7420卻性能穩定。

其中最重要的原因就是三星採用了自家最新的14nm工藝，而高通採用的而是20nm工藝。

Cortex A57性能固然強悍，可是高通卻沒有駕馭得了。

在各個手機廠商搭載了這顆cpu的旗艦手機一個個相繼淪為暖手寶的時候，高通只能無奈的推出了驍龍808，也就是減少了兩個Cortex A57大核心採用6核方案緩解發熱問題。

我在實驗室測過無數搭載驍龍810的機器，，沒有一個是8核全開過的，大部分機器平時只開4個小核，玩大型遊戲的時候軟體才會打開兩個大核心，而剩下兩顆大核只是擺設，沒有見任何一家大廠商用過。

而在三星和高通的巔峰對決之外，MTK很聰明的用了8個Cortex-A53小核心推出自己的旗艦Helio X10繼續鞏固著自己的中低端市場份額，讓驍龍615銷量慘澹。

Helio X10的穩定性好，性能夠用，這也是很多國內千元機市場的首選cpu。

說到這，大家應該能夠感覺得到工藝和架構對於cpu的影響不亞於核心數和頻率了。

再舉個栗子吧，如今主流手機CPU都是六核，八核，聯發科甚至開始研發十核了，為什麼性能和pc端cpu還是有一定的差距呢？沒錯，指令集不一樣，核心架構不一樣是最根本的原因。

複雜指令系統（CISC）和X86、X64的微架構與手機完全不同。

手機多核其實應該叫多CPU,將多個CPU晶片封裝起來處理不同的事情，就是大家所說的膠水核心，也就是被強行粘在一起的意思。

在待機或者空閒的時候，八核的手機也只能用到一至兩個核心。

而電腦則不同，PC的多核處理器是指在一個處理器上集成了多個運算核心，通過相互配合、相互協作可以處理同一件事情，是多個並行的個體封裝在了一起。

用一句話概括，就是並行處理，雙核就是單車道變多車道。

這不是說優劣的問題，而是定位的不一樣。

手機CPU要功耗低、廉價。

所以採用ARM架構的CPU，運算能力大大低於電腦CPU的運算能力，同等頻率CPU浮點運算能力相差在幾千到上萬倍。

五. 手機GPU

其實這篇主要想說cpu的，不太想GPU不然又要扯太遠。

但是手機的cpu和GPU很難分開，就大概說一下現狀好了。

GPU也就是圖形核心，所有與3D圖形有關的運算都與它有關，關係最直接的就是3D遊戲的流暢度——即使CPU再強，如果GPU很弱，你玩3D遊戲都不可能流暢。

目前，市面上主流的移動GPU由三家公司生產：英國Imagination和ARM以及美國高通。

而著名顯卡晶片商美國NVIDIA公司則已悄然退出手機GPU市場，從這我們也可以看出pc與手機的市場差異。

Imagination公司在我看來是手機GPU市場實力最具實力的公司，然而可惜的是他已被蘋果收購（蘋果占大股）。

我們在最新iphone上用到的GPU就是他家最強GPU，個人感覺比安卓陣營的旗艦都要好。

當然我們在安卓市場也可以看到他的身影：PowerVRG6200。

但是並不是該公司的最強產品了，Helio X10集成的就是PowerVR G6200。

ARM的Mali目前可以說是安卓陣營的主流GPU了。

隨著前一陣首次搭載Mali-T880的麒麟950發布，Mali-T760時代應該要過去了。

Exynos 7420應該是代表作了，比較穩定，但整體性能稍遜於Adreno 430。

除NVIDIA幾乎為平板專用外，安卓陣營廣泛採用的GPU中，目前最強勁的當屬整合於驍龍810的adreno 430，其3D跑分已達15017分。

雖然整體性能,不如蘋果A9，但新產品adreno530即將到來，值得大家期待。

六． 展望（驍龍820/三星8890/ Helio X20/麒麟950）

各廠商明年的主打旗艦芯參數都已經出來了，從中可以看到各家晶片的差異化。

除了關於高通Kyro和三星貓鼬自主內核的更具體細節還有所隱藏，我們先看看採用ARM公版設計的HelioX20和麒麟950。

海思、聯發科繼續採用ARM的big.LITTLE架構設計，就是以高性能與低功耗CPU內核混合為基礎，目的是針對不同的任務平衡功耗和性能。

不同的是海思繼續採用4顆A72+4顆A53的8核心設計，而聯發科仍堅持「多核」戰略，甚至在Helio X20中進擊的採用了10核心設計，將低、中、高三組不同檔次內核組合到一起，能夠在不同場景中從低功耗內核快速平穩切換到高性能內核。

不過聯發科很小心的只加入了兩顆A72大核心，剩下八顆都為A53小核心，秉承了MTK不刻意追求性能堆積的思路。

高通在經歷了驍龍810的滑鐵盧之後使用自家的首個64位核心架構Kyro。

驍龍820中使用了4個架構幾乎相同，但不同頻率的內核組成兩組異構CPU集群來滿足不同的使用場景。

由於驍龍820並沒有協處理器，所以高通為此準備了重新設計的Hexagon 680 DSP，作用相當於完全獨立的「協處理器」。

三星終於也走向了自主定製高性能CPU內核的道路，最新的Exynos 8890 SoC晶片晶片中有4個是定製內核。

三星表示，在定製內核的幫助下，Exynos 8890相比Exynos7420性能提升30%，能效也提升了10%。

不過與高通不同的是，三星的晶片仍採用了ARM的big.LITTLE設計方案，即4個定製的高性能CPU內核加上4個低功耗的Cortex-A53內核。

毫無疑問，與海思和MTK不同的是，高通和三星都在為單核性能提升而努力，而且也都在設計更適合智慧型手機的晶片，無論是性能還是能耗方面，真的輸贏還說不準，因為他們都採用了定製的高性能CPU內核，而非ARM直接提供的Cortex-A72內核，能效的收益應該比公版更加客觀。

GPU方面，聯發科的Helio X20和海思的麒麟950均此是ARM公版GPU，而且也都定製了四核設計。

三星沒有公布Exynos 8890中 Mali-T800的核心數量，不過初步測試有可能是Mali-T880MP12，也就是12個圖形核心，性能肯定要比聯發科和海思好上不少。

真正採用自家GPU的在這之中只有高通了。

根據高通的表述，新一代型號為Adreno 530的GPU，與Adreno430相比可提供高達40%的圖形處理性能、計算能力和功率利用率，同時還能降低40%的功耗。

工藝製程方面，Exynos 8890無疑繼續著領先優勢，將繼續享受三星14nm工藝帶來的利好。

高通在落後一年多時間之後也宣布驍龍820講採用14nm工藝，不出意外應該也是三星產線。

麒麟950採用台積電成熟的16nm產線，在iphone的A9上台積電的這條產線已經展現實力。

而MTK將繼續採用主流的20nm工藝製程。

可以預見的是，麒麟950在GPU方面與其他廠商縮小了差距，但其主要陣地依然是華為自家旗艦。

性能堆砌並不是海思的特長，但華為專注於優化和整合讓我們對海思的未來胸有成竹。

Helio X20的定位和Helio X10一樣，優秀的多核心計算能力和能耗控制對日使用來說無比重要，不出意外的話應該是明年各手機廠商終端機的標配芯。

不可預見的就是Exynos 8890與驍龍820的對決。

可以看到三星在基帶和GPU這些自己的弱勢方面有了長足的進步，加上三星縱深整合產業鏈的能力強大無比，相信Exynos7420隻是三星成功的第一步。

第一次採用自主架構的Exynos 8890隻能在S7上得到檢驗了。

驍龍820也將首次採用高通的64位核心架構Kryo，回歸自己的4核設計。

在經歷了驍龍810的公版設計水土不服後，相信Kryo的成功會讓高通吃下一顆定心丸。

性能方面並不好說但和公版相比應該差不了多少，但可以肯定的是能耗方面一定比驍龍810好上不少。

性能突出，如果能耗也能穩定，還有adreno530的加持，相信高通會強勢回歸的。

但三星14nm工藝產線明年應該產能很緊張，自家Exynos 8890肯定會優先照顧，蘋果的大訂單也不會輕易丟掉，就不知道會不會影響到驍龍820的產量了。

七. 尾巴

好了，每天晚上寫一點，不知不覺寫了這麼多，希望大家能夠有所收穫。

本人還是手機行業的初學者，以上內容可能有不正確的結論或言論，歡迎大家指正。

後面有時間還會和大家聊一聊手機螢幕那些事，期待我們下一次的搞機之約。