手机处理器性能解析 高频不一定高能

　　很多手机厂商在对外宣传时总是喜欢拿处理器的表面参数说事，什么采用了多少核心，主频达到了多少，性能比其它手机提升了几倍等等。然而，实际上并非如此，手机处理器的性能不光决定于主频的高低，其采用的架构、缓存、带宽、GPU以及系统优化等都对处理器的性能产生重要的影响。所以，如果其它因素配置不够，也很有可能出现高频低能的现象。今天笔者就为大家介绍一下影响处理器性能的相关因素。
　　架构是关键
　　架构做为处理器的基础，对于处理器的整体性能起到了决定性的作用，不同架构的处理器同主频下，性能差距可以达到2-5倍。可见架构的重要性。那么什么是架构呢?
　　为了大家更好的理解，我们不妨做个比喻，架构就像是一座建筑的结构设计部分，而处理器就相当于一个完整的建筑，只有有了稳定的结构作为基础，才能建造出各式各样的房子。换句话说，架构只相当于一座建筑的框架，至于最后建造出来的房子长什么样，舒适度如何，就是由处理器厂商自己决定了。不过有一点需要说明，假如结构的设计值是十层，容纳人数的上限是100人，那么最后建好的房子也不能超过这个上限。这也就是说，采用相同架构的处理器，性能基本上已经锁定在一定的范围之内，不会有本质的区别。所以，看处理器的性能要先看架构。
　　ARM架构芯片
　　目前，手机处理器的架构主要有ARM和Intel X86，众所周知Intel X86架构在PC中占据着无法撼动的霸主地位，包括Intel主要的竞争对手AMD在内，都是使用的X86架构，然而在手机处理器领域，X86只能算是初出茅庐的菜鸟，虽然潜力无限，但目前采用X86架构的手机还非常少见。今天主要讲的是ARM架构。
　　ARM架构在手机处理器领域占有90%的市场份额，处于绝对的垄断地位。目前主流的处理器芯片厂商几乎都是采用了ARM架构，比如，高通、德州仪器、英伟达、三星及苹果等。
　　ARM的应用范围
　　目前千元级的低端的智能手机或者很多低价的国产手机处理器一般还在采用比较陈旧的ARM11架构，比如德州仪器OMAP2420/2420(主频为330MHz)以及高通MSM7225/7227(主频为528MHz—800MHz)和MTK的一些处理器，而高通MSM7227A采用的Cortex-A5架构实际上也是属于这一级别，代表机型为最近新上市的HTC T328w。
　　现在主流的中高端手机处理器基本上都采用了ARM Cortex-A8架构，速率可以在600MHz到超过1GHz的范围内调节，同频下，比ARM11性能提升3倍以上，而功耗却大大降低。比如德州仪器的OMAP34x0和OMAP36x0系列处理器。而高通骁龙S2/S3的Scorpion架构。三星蜂鸟和苹果A4处理器，均是在A8的基础上优化而来。代表机型摩托罗拉DEFY、三星I9000、苹果iPhone 4以及小米手机等。
　　现在最先进的处理器架构是ARM Cortex-A9，相对于ARM Cortex-A8，最大的区别在于支持多核心和乱序执行，并且性能继续得到了很大的提升。目前的大部分双核处理器都采用了ARM Cortex-A9架构，比如Tegra 2、德州仪器OMAP44x0系列、三星猎户座E4210和苹果A5等，包括最近推出的首款四核处理器Tegra 3。高通MSM8x60则依然采用的是Scorpion架构，但是增加了部分乱序执行，从而实现异步多核心功能。代表机型为：摩托罗拉ME860、摩托罗拉Droid Razr、三星I9100、iPhone 4S和HTC One X等。
　　而更为先进的ARM Cortex-A15架构将是下一代ARM发展的趋势。另外，高通的下一代Krait(环蛇)架构，据称也有相当于Cortex-A15的性能。
　　工艺制程
　　制程工艺的纳米是指IC内电路与电路之间的距离。更小的制程也就意味着更低的功耗和散热，同时在同样面积的芯片上更小的制程也就能集成更多的晶体，而晶圆的数量又是决定处理器性能的关键因素，所以，工艺制程越先进，处理器性能越强。手机处理器从较早的90纳米，到后来的65纳米、45纳米、32纳米一直发展到目前最新的28纳米，而16纳米制程工艺将是下一代CPU的发展目标。
　　芯片的工艺制程和架构是同时发展的，一般采用更新架构的处理器也会应用更先进的工艺制程。目前低端手机市场一般还在使用比较落后的90纳米制程工艺。比如德州仪器OMAP1和OMAP2系列处理器和很多低价国产手机采用的MTK(联发科)处理器等。这些处理器一般性能比较差，功耗也很高，不过因为低端手机对性能的要求也不高，所以也能保证手机运行流畅，但是大型的游戏就别想了，而且优点是售价便宜，降低了智能手机的门槛，使用户只需花费几百元就能感受智能手机的乐趣。
　　德州仪器OMAP1和OMAP2系列都采用了90纳米工艺
　　到了ARM Cortex-A8时代，工艺制程已经提升到了65纳米级，比如德州仪器OMAP34x0系列等，甚至有些已经提升到45纳米级，比如德州仪器OMAP36x0系列、高通骁龙S2/S3系列和三星蜂鸟处理器等。这些处理器一般用在中高端单核智能手机和采用高通MSM8x60的双核智能手机中。代表机型为苹果iPhone 4、摩托罗拉里程碑、魅族M9、HTC Sensation系列和小米手机等。
　　TI OMAP 3xxx处理器工艺制程
　　到了ARM Cortex-A9时代，双核处理器的工艺制程一般都达到了45纳米级，比如德州仪器OMAP44x0系列，三星猎户座处理器等，而英伟达Tegra 2和Tegra 3的工艺制程达到了更为先进的40纳米。这些处理器一般应用在高端的双核手机当中，比如三星I9100、I9220、摩托罗拉Droid RAZR以及HTC One X等。
　　而最新的高通骁龙S4系列处理器已经达到了28纳米的工艺制程，以MSM8960为代表，目前已经上市的华硕PadFone以及即将上市的HTC One S都采用了这颗双核处理器。理论上性能比采用A9架构双核处理器的手机高出60%以上，而且具有更低的功耗以及更小的芯片尺寸。
　　总线带宽
　　智能手机中的处理器(CPU)和我们通常理解的电脑中的处理器是有区别的，智能手机中的处理器更准确的定义应该是“SoC(片上系统)”，它是将系统中众多关键部件集成到一块芯片上，SoC上包含了CPU、GPU、内存控制器、视频解码核心、电源管理芯片等等。
　　通讯总线(AXI)结构图
　　如果说CPU是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、消化系统和呼吸系统在内的一个系统集合。而总线就相当于连接各器官之间的动脉血管。血液在血管中的流通的畅通程度就是带宽。即使人体的各个器官都非常健康，但是血液流通不畅，那么整个人也不会健康。这也说明了总线带宽在整个SoC中的重要作用。
　　总线带宽
　　总线带宽是指在固定的的时间可传输的数据数量，带宽越大，则代表传输能力也越强。一般Cortex-A8架构的单核处理器的总线宽度为64bit、200MHz，总带宽1.6GB/S，就已经够用了。而A9架构的双核处理器则能够达到128bit，200MHz，总带宽为3.2GB/S。比如德州仪器OMAP4430。甚至个别处理器能够达到256bit，200MHz，总带宽可达6.4GB/S。比如三星Exynos 4210处理器。
　　不过也有一些处理器并没有达到一般的水平，比如Tegra 2处理器，总线宽度仅为32bit。仅为德州仪器OMAP4430的四分之一。还有高通MSM8x60,由于采用了和单核时代同样的Scropion架构，所以，总线带宽也仅为单核时代的水平，即64bit。(数据来自网络，不一定完全准确)这也很好的解释了有些SoC虽然中央处理器等单独芯片都比较强大，但是总体性能比较差的原因。
　　图形处理器GPU
　　自从苹果iPhone出现以后，再加上Android的崛起，移动多媒体得到了长足的发展，以前在PC的配置中经常看到的GPU如今也成为了智能手机处理器必不可少的硬件配置。GPU甚至在运行大型3D游戏中，起到了决定性作用。
　　GeForce ULP GPU
　　与CPU不同，当今市面上，几乎90%的手机CPU都是采用同样的ARM架构，而个处理器品牌所采用的GPU却各不相同。
　　苹果、德州仪器以及三星蜂鸟处理器都采用的是Imagination公司研发的PowerVR GPU，由于苹果iOS系统下拥有大量大高品质游戏及应用，而Android系统中很多游戏也都是从iOS系统中移植过来。所以，采用PowerVR GPU的处理器在游戏兼容性方面还是比较好的。从iPhone系列手机的性能来看，PowerVR GPU在性能上也是相当强劲的。
　　提到GeForce显示卡，相信大家并不陌生，很多人的电脑中都采用了这个系列的显卡。而英伟达的Tegra处理器正是采用了自家的GeForce ULP GPU，凭借着英伟达在显卡方面的优势，这颗GPU性能自然不容小觑。而且这颗GPU的一大特点是拥有很多大型的专属游戏，这些游戏在其他的平台上是很难体验到的，虽然也有部分游戏进行了移植，但是无论从画面还是特效方面，都无法和原版的比拟。
　　Adreno GPU性能提升
　　接下来为大家介绍的是Adreno系列GPU，这是高通公司从前ATi公司收购而来并自行发展的图形架构，当然，这也是高通处理器的标准配置。这款GPU在性能方面和其他GPU相比没有太大的优势，不过由于应用最为广泛，所以，兼容性方面还是相当不错的。另外，相对来说，功耗也比较小。
　　最后为大家介绍的是ARM自行设计的Mali400 GPU，这款GPU可以根据处理器厂商的要求进行定制，像素处理器则可以在一组到四组之间自由搭配，当然，成本不同，性能也有不小的差异。目前三星猎户座处理器和意法爱立信U8500都是采用的这款GPU。早期由于Mali400应用比较少，所以兼容性比较差，比如早期的I9100，但是由于I9100的热卖以及Mali400的应用范围越来广泛。兼容性的问题将会得到很好的解决。
　　处理器主频
　　作为消费者最为熟知的主频，其自然也代表着一部手机的性能。虽然不同架构的同主频处理器会有所差异。但如果在相同的条件下，高主频显然意味着更强的性能。
　　CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率(CPU Clock Speed)。通常所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。很多人认为CPU的主频就是其运行速度，其实不然。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标(缓存、指令集，CPU的位数等等)。由于主频并不直接代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象。比如Tegra 2，虽然性能很强，但是由于带宽太小，所以性能发挥不出来。另外，经常被一些玩家诟病“高频低能”的高通处理器，由于采用了异步双核的方式，主频虽然能达到1.5GHz，但是性能较相同主频Cortex-A9同步双核的产品要弱(当然这也带来了省电的优势)。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。
　　主频最快不等于速度最快
　　CPU的主频不代表CPU的速度，但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。举个例子来说，假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，那么当CPU运行在100MHz主频时，将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为100MHz的时钟周期比50MHz的时钟周期占用时间减少了一半，也就是工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间仅为10ns比工作在50MHz主频时的20ns缩短了一半，自然运算速度也就快了一倍。只不过电脑的整体运行速度不仅取决于CPU运算速度，还与其它各分系统的运行情况有关，只有在提高主频的同时，各分系统运行速度和各分系统之间的数据传输速度都能得到提高后，电脑整体的运行速度才能真正得到提高。
　　提高CPU工作主频主要受到生产工艺的限制。由于CPU是在半导体硅片上制造的，在硅片上的元件之间需要导线进行联接，由于在高频状态下要求导线越细越短越好，这样才能减小导线分布电容等杂散干扰以保证CPU运算正确。因此制造工艺的限制，是CPU主频发展的最大障碍之一。
　　运行内存RAM
　　提到RAM，我们很容易会联想到ROM，实际上，ROM是只读存储器，功能相当于存储卡，和处理器的性能关系不大，而影响处理器性能的关键因素是RAM。
　　RAM(random access memory)随机存储器。存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。
　　动态随机存取存储器
　　RAM越大，运行大型游戏以及多线程程序时速度就越快。比如同样为1.5GHz主频的两颗处理器，同等条件下，采用512MB RAM的处理器就比采用256MB RAM的处理器快。所以，手机的RAM越大越好。目前比较高端的手机基本上都采用了最大的1GB内存。
　　快速周期随机存取存储器
　　双通道，就是在北桥芯片级里设计两个内存控制器，这两个内存控制器可相互独立工作，每个控制器控制一个内存通道。
　　双通道体系包含了两个独立、具备互补性的智能内存控制器，两个内存控制器都能够并行运作。例如，当控制器B准备进行下一次存取内存的时候，控制器A就读/写主内存，反之亦然。两个内存控制器的这种互补的“天性”可以让有效等待时间缩减50%，因此双通道技术使内存的带宽翻了一翻。
　　系统优化
　　虽然手机的性能，其采用的处理器起到了至关重要的作用，但是整机是否能够流畅运行，系统优化也起到了很大的作用。大家经常会看到，采用同样硬件配置的两款手机，性能差距却很大，这很大一部分原因就是系统优化方面的不同造成的。
　　iOS系统
　　大家都知道，苹果手机的处理器配置从来都不是最高的，但是它却是运行最流畅的。这是因为，苹果手机采用的iOS系统是以用户体验和应用为主导的，其硬件配置的选择完全是根据系统和软件的需求，也就是说软件的发展带动了硬件的提升，使得软件和硬件达到完美的协调和统一，将硬件的性能发挥到极致。而不是盲目的提升硬件。
　　Android系统
　　作为iOS的主要竞争对手，Android则不同，由于Android系统的开放性，Android手机市场相对混乱，很难进行统一的管理。Android手机是硬件带动软件的发展。大家可以看到，近两年，Android手机的硬件发展极为迅速，但是每一次硬件配置的飞跃，却没能及时带来性能的大幅提升。一般都会需要半年到一年的时间，系统和软件针对新的硬件进行优化之后，才能够体现出新的硬件的性能。
　　关于Android系统，大家的第一印象就是“卡”，但是现在随着Android系统优化的不断深入以及硬件的大幅提升，“卡”的问题已经得到了很好的改善，但是由于手机厂商在系统稳定性方面过于保守，所以，Android系统在流畅度方面，还是有着很大的开发空间。这也就是为什么Android用户为什么那么热爱刷机的原因。
　　结束语：
　　前几日，笔者曾经写过了一篇关于处理器性能相关因素的文章，不过由于时间原因只写了一部分内容，今天笔者结合上次所写的内容，对这篇文章进行了完善。相信大家在看过之后，会对手机处理器有一个更为深入的了解。在购买手机时也可以更有针对性的选择。