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        手機(jī)SoC發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

        2019-07-08 02:23:41王睿淇張瑋景寅洛張逸群
        電腦知識(shí)與技術(shù) 2019年13期
        關(guān)鍵詞:處理器

        王睿淇 張瑋 景寅洛 張逸群

        摘要:SoC是手機(jī)中的核心,它直接決定了手機(jī)的性能。經(jīng)過近二十年的發(fā)展,雖然它的基本原理和核心結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生較大變化,但是它的處理器性能、CPU主頻、內(nèi)存,通信基帶等都有了很大的進(jìn)步。該文介紹了手機(jī)SoC的基本原理、發(fā)展歷程、最新一代產(chǎn)品的特征以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

        關(guān)鍵詞:SoC;CPU;通信基帶;處理器

        中圖分類號(hào):TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):1009-3044(2019)13-0292-02

        1手機(jī)SoC的基本原理

        SoC(Systemon Chip)即片上系統(tǒng),是一個(gè)專用的集成電路,包含了完整的系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。它是手機(jī)的核心模塊,集成了手機(jī)的 CPU、GPU、DSP、RAM、通信基帶、GPS 等部件。下面主要介紹SoC中的幾個(gè)核心部件。

        (1)CPU(Central Processing Unit)是整臺(tái)手機(jī)的控制中樞,也是邏輯部分的控制中心。其功能與PC中的CPU一樣,所有任務(wù)都要經(jīng)過它的處理控制才能完成。CPU的架構(gòu)對(duì)其整體性能起到了決定性的作用,使用不同架構(gòu)的CPU在同主頻下,其性能差距可達(dá)到2~5倍。此外,主頻、RAM、核心數(shù)、能耗等也是決定CPU性能指標(biāo)的重要參數(shù)。

        (2)GPU(Graphics Processing Unit)的作用類似于PC機(jī)中的顯卡。它是一塊高度集成的芯片,其中包含了圖形處理所需的元件。對(duì)于GPU來說,它的性能由多邊形生成速率和像素渲染能力決定。在傳統(tǒng)的智能機(jī)中,所有的軟件和游戲都由CPU來處理,而如今GPU擔(dān)起圖像顯示的任務(wù),并且還提供了視頻播放、視頻錄制和照相時(shí)的輔助處理功能,這使得CPU被大大解放,手機(jī)SoC的整體性能也有了較大的提升。

        (3)DSP(Digital Signal Processing)是與手機(jī)中拍照和錄像功能密切相關(guān)的一個(gè)部件,它專注于處理圖像和各種音頻。DSP的主要功能是進(jìn)行難度較高的計(jì)算處理,在拍照時(shí)根據(jù)算法對(duì)畫面進(jìn)行優(yōu)化,比如降噪、曝光補(bǔ)償、色彩校正等。目前,DSP正在進(jìn)一步加強(qiáng)深度學(xué)習(xí)、人工智能等相關(guān)功能,這將為用戶帶來更好的拍攝畫質(zhì)和更出色的使用體驗(yàn)。

        (4)通信基帶是手機(jī)終端中難度最高的核心部分,主要負(fù)責(zé)移動(dòng)通信功能?;鶐酒怯脕韺⒁纛l合成為即將發(fā)射的基帶信號(hào),或把接收到的基帶信號(hào)解碼為音頻信號(hào)。此外,它還負(fù)責(zé)對(duì)輸入輸出的文字、圖片等信息的解碼和編碼。與其他芯片不同的是,基帶芯片中包含了獨(dú)立的CPU、DSP、調(diào)制解調(diào)器等部件,以減少對(duì)系統(tǒng)CPU資源的占用。

        2手機(jī)SoC發(fā)展歷程

        伴隨著智能手機(jī)的誕生,手機(jī)SoC也應(yīng)運(yùn)而生。2000年,摩托羅拉發(fā)布了名為天拓A6188的手機(jī),這是世界首款真正意義上的智能手機(jī),運(yùn)行PPSM (Personal Portable Systems Manager)操作系統(tǒng),搭載了摩托羅拉自主研發(fā)的Dragon ball EZ(龍珠)處理器。這款處理器的主頻雖然只有16MHz,但它是第一款運(yùn)用在智能手機(jī)上的處理器,為如今智能手機(jī)的普及奠定了基礎(chǔ)。早期的手機(jī)SoC性能比較低,兼容性不強(qiáng),功耗高。許多芯片制造廠商為了解決這些問題研發(fā)了很多產(chǎn)品,其中主要有德州儀器,Nvidia,Marvell,Intel,高通,蘋果,三星,聯(lián)發(fā)科,海思麒麟等等。下面簡(jiǎn)單介紹幾款具有代表性的移動(dòng)SoC:

        NvidiaTegra2

        早期手機(jī)SoC的CPU部分多采用單核心的設(shè)計(jì),且主頻不高。2011年,NVIDIA在CES(International Consumer Electronics Show)展場(chǎng)上,發(fā)布NvidiaTegra2片上系統(tǒng)處理器。這塊處理器基于臺(tái)積電的40nm的制程工藝,采用了ARM的架構(gòu),集成了2.6億個(gè)晶體管,內(nèi)建了2個(gè)處理器核心,主頻為1GHz。這是世界上第一款雙核心的手機(jī)SoC,開啟了手機(jī)SoC的多核心時(shí)代。

        蘋果A7處理器

        2013年秋,蘋果發(fā)布了iPhone5s,搭載了全球首款64位手機(jī)處理器,并且內(nèi)建一個(gè)M7協(xié)處理器,用以處理各種傳感器數(shù)據(jù)——加速度傳感器,指南針、陀螺儀等,減輕了CPU的負(fù)擔(dān),節(jié)省了能耗。

        華為海思麒麟970

        2017年,華為旗下的海思半導(dǎo)體發(fā)布了麒麟970處理器,這款處理器是世界首款A(yù)I芯片,首次引入了NPU(Neural-network Processing Unit)模塊。 隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的手機(jī)處理器已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的運(yùn)算量。NPU——用來專門處理人工智能計(jì)算的芯片,將深度學(xué)習(xí)、圖像處理等相關(guān)的運(yùn)算接管過來,減輕CPU、GPU的壓力,從而降低功耗。因?yàn)镹PU的協(xié)同計(jì)算,搭載麒麟970的手機(jī)在圖像識(shí)別速度上,可達(dá)到約2000張/分鐘。

        3新一代SoC發(fā)展現(xiàn)狀

        目前智能手機(jī)處理器多采用ARM的架構(gòu),并且隨著制程工藝的更新,性能越來越強(qiáng)悍,甚至可以比肩某些桌面級(jí)的處理器。最新的制程工藝已經(jīng)達(dá)到了7nm的級(jí)別?,F(xiàn)如今,綜合排名前三的手機(jī)CPU也已被廣泛應(yīng)用于各大手機(jī)廠商的智能手機(jī)中,它們分別是:蘋果A12處理器、高通驍龍855處理器和華為海思麒麟980處理器。

        蘋果的a12處理器是世界上第一款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和商用的7nm處理器,該芯片系統(tǒng)的緩存是自A7處理器推出以來變化最大的,此外,A12搭載的NPU也是有了質(zhì)的飛躍,它的NPU從之前的雙核直接提升到了八核心設(shè)計(jì),并且擁有更大的CPU和更大容量的緩存結(jié)構(gòu)。

        2018年,高通公司發(fā)布驍龍855處理器,這款處理器的性能可用兩個(gè)詞描述:堅(jiān)挺,持久。首先,驍龍855采用了7nm集成工藝,Kryo485CPU,其摒棄了之前的架構(gòu),采用了1+3+4的三叢集架構(gòu):1代表一顆主頻為2.84Ghz,是基于Cortex-A76的核心;3是指3顆中核,主頻為2.41Ghz;4指4枚小核心,主頻為1.78GHz。此外,驍龍855內(nèi)部集成了X24 LTE調(diào)制解調(diào)器,該設(shè)計(jì)可以使Android系統(tǒng)手機(jī)率先支持5G, 支持最高可達(dá)2Gbps的下行速率。

        作為我國(guó)的頭號(hào)通信公司,2018年華為公司的海思麒麟980芯片一經(jīng)發(fā)布便引起了廣泛關(guān)注。該芯片采用了臺(tái)積電7nm工藝制造,集成69億個(gè)晶體管,這使得麒麟980性能比之前提升了20%,能效提升了40%。并且,雙核NPU是一項(xiàng)新的創(chuàng)新,該設(shè)計(jì)可使得處理器實(shí)現(xiàn)每分鐘識(shí)別4500張圖像,支持很多種不同的AI場(chǎng)景。對(duì)于GPU來說,相比于之前的970,麒麟980芯片提升近一半。

        4國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

        近幾年,我國(guó)的SoC在技術(shù)和質(zhì)量上都有了很大的提高,但仍面臨著更大的挑戰(zhàn)。比如功耗問題給當(dāng)今我國(guó)SoC的發(fā)展帶來較大的限制,這個(gè)問題使得整個(gè)器件需要做一些全新的調(diào)整,現(xiàn)行的集成電路設(shè)計(jì)思想也需要一定的改革和創(chuàng)新。今后,我國(guó)要集中精力攻克SoC發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),加大力度開發(fā)芯片軟件,增強(qiáng)對(duì)移動(dòng)通訊和互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注度,因?yàn)樗麄兊娜诤蠈?huì)主導(dǎo)SoC之后的發(fā)展方向。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 張巖,張?chǎng)?單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

        [2] 李兵,駱麗.SoC技術(shù)現(xiàn)狀及其挑戰(zhàn)[J].北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,2005(8).

        [3] 魏少軍.未來SoC技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)特點(diǎn)[J].Business業(yè)界風(fēng)云,2008(10).

        【通聯(lián)編輯:光文玲】

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