大话手机处理器-世界上最复杂的芯片

原创 歪睿老哥 2021-07-26 07:45

00

 

这一刻,一个手机处理器离你的手心只有0.5公分。

 

虽然你看不到它,但是四分之一炷香之后,你就会了解它实际是这个世界上最复杂也是最懂你的芯片。

 

因为你看完这篇《大话手机处理器》。

 

虽然我本人写过无数篇的介绍的芯片的文章,但是我认为这篇是最费劲的。

01

 

当前国内芯片行业创业一片繁盛,各种初创公司层出不穷。

 

例如DPU赛道,GPU赛道,AI赛道,CPU赛道都是一群公司在搞。

 

但是没有哪个初创公司敢挑战手机处理器芯片,有手机大厂造芯也是也先从从做小芯片开始。

 

2019年全球手机出货量在14亿台,这背后是14亿个手机处理器。

 

这是个千亿人民币以上的生意。

 

一方面是巨大的出货量,另一方面玩家很少。

 

这就是扭曲的现实。

 

现有的几个手机SOC厂商。

 

苹果A系列,三星的Exynos系列,华为的麒麟,高通骁龙,联发科,紫光展锐。

 

其他人去那里了?

 

原因很简单,手机处理器芯片的难度非常之大,足以挡住如此之火的芯片创业风潮。

 

可能了解的会说,手机处理器不就是买了一堆IP,然后组合到一起。


攒个芯片,还有优越感了?

 

手机处理器芯片,其实不仅仅是处理器,又可以称为手机SOC芯片,这个SOC的意思是片上系统的意思。System On Chip。

 

SOC这个词更加准确描述了手机处理器芯片功能,这是一个SYSTEM系统。包括CPU,GPU,DSP,ISP,4G/5G带,NPU,WIFI,蓝牙,GPS北斗,显示系统等等。


就这,华少一口气也说不完。

 

这个系统为什么这么复杂,还需要从手机处理器发展谈起。

 

02

 

如果说苹果是智能手机时代的王者,那么功能机时代的王者就是诺基亚。

 

功能机时代提供手机SOC芯片最著名厂商就是TI(德州仪器)。

 

TI(德州仪器)是一家老牌的芯片设计厂商。

 

提起TI,你肯定就不困了。

 

因为这个公司和集成电路芯片密切相关,其本身就是一部集成电路的发展历史。

 

1954年,TI生产了全球第一个晶体管,1958年,TI发明了全球第一块集成电路。1982年TI发布了全球第一个数字信号处理器DSP。

 

那么国内做数字信号处理的工程师和厂商,谁没有用过TI的芯片。

 

没有用过就不敢称做过数字信号处理。

 

TI后来发布了手机处理器OMAP系列,

 

这是是一个经典的应用处理器。

 

这个处理器第一个提出了异构的概念,就是DSP+ARM处理器。

 

这种处理器结构一下赢得了手机厂商的青睐,因为可以处理各种无线通信的数字信号处理业务,保证通话的质量,毕竟功能机时代的手机最重要的功能就是打电话。

 

瞄准核心诉求,TI的DSP能力谁能匹敌。

 

2004年底诺基亚推出其第一款Series60平台手机—6630时,用的就是TI公司的杰作—OMAP1710。


OMAP1710当中包含的程序处理器型号为ARM926,最大工作频率可以达到 220MHz,与此同时, ARM926的一级缓存已经提升为32KB,达到了前一代处理器的2倍,依旧支持JAVA硬件加速,因此TI宣称OMAP1710比前一代处理器又有了40%的性能提升。


OMAP1710采用了Low-voltage 低电压技术,制程的减小也就意味着工作电压的下降,而普通待机状态下的耗电量仅为10mAh,可谓节能高手。


 

而随着诺基亚产品线的不断壮大,OMAP 1710用过的诺基亚手机又多少?


天上的星星数不清,用OMAP1710的诺基亚的手机也不好数,6630、 6680、6681、E50、E60、E61、E62、E65、E70、N70、N71、N72、N73、N80、N90、N91和N92等等。

 

一款SOC运行那么多产品线和坚挺这么长时间,这个是智能机时代的手机SOC所不能想象的。


当然TI后面也不断推出更新一代的SOC处理器。

 

TI赋能了诺基亚,诺基亚也成就了TI功能机芯片之王。


一代功能机芯片之王TI占据了手机处理器的60%以上的份额,这个是如今的高通也望尘莫及的。


通话质量好,待机时间长,凭借优异的实力,TI成就了诺基亚背后的男人。


03

 

看到TI的在移动领域的顺风顺水,其他厂商也想在这个领域分一杯羹。

 

那些厂商都有谁?

 

这个名单就很长了,并且都是大牌厂商,英特尔,飞思卡尔,marvel,高通等等。

 

英特尔 xscale系列很早出现了。PXA210就是这已系列的集大成之作。

 

PXA210是intel基于ARM指令集的一款芯片,其内部叫做strongARM。

 

英特尔使用ARM指令集,没有想到吧。

 

英特尔在移动领域下手也很早,并且性能很强,应该是那个时代性能最强的手机处理器。

 

但是打个电话,发个短信,谁需要一个性能这么强的处理器。


哎,来得早不如来的巧。


生不逢时。

 

最后,还是老朋友比尔.盖茨来帮忙了。

 

为了一同打开手机市场的局面,微软同时推出了一款面向移动端的系统,WINCE。

 

就是PXA210+WINCE,要复制PC端X86+WINDOWS的辉煌。

 

 

这个是一个多普达的2006年的智能手机产品,Intel PXA + WINCE的组合。

 

坦白说,没有掀起什么风浪,只是在某些小型渠道流行过一阵。

 

电脑上的文件,例如WORD,MP3,MP4,在手机上直接能打开,音频,视频播放都没有问题,在当时并没有掀起购买的风潮。


英特尔和微软不约而同的看到了未来智能手机的雏形。

 

智能手机时代就是一个盖世英雄,早晚踏着七彩祥云来拯救芯片厂商。


英特尔和微软猜到了开头,却没有猜到结尾。

 

因为另一个人猜到了,那个人叫做乔布斯。

 

虽然英特尔产品性能领先,但是在功能手机时代,并没有太高的性能焦虑。

 

英特尔还按照PC业务那套打法,阳春白雪,不接地气。

 

2005年全球手机应用处理器市场总计达8.39亿美元,德州仪器占69%,高通占17%,英特尔只占7%的份额,

 

因为移动领域远没有INTEL的PC端和服务器端挣钱,INTEL把PXA手机业务卖给了MARVEL,退出了这个领域。

 

阳春白雪的英特尔走了,更接地气的芯片公司来了。

 

2005年,一家最初本来是研发光驱芯片的公司,完成了GSM样片的开发,同时为了卖芯片,手机应用处理器和GSM处理器整合到一起,提供了MTK芯片的解决方案,同时提供了一整套的SDK。

 

这家就是联发科,其创始人蔡明介也被称作”山寨机“之父。

 

在没有Andriod系统之前,每个厂商都要开发一套手机界面,对于小厂来说还是有一些难度的。

 

联发科推出一站式手机解决方案,将手机芯片和软件平台预先整合在一起,这一下子就让手机厂商制造手机门槛降低太多了,一时间造手机跟开餐馆一样简单。

 

2007年,中国手机牌照取消,深圳一下子冒出了无数的手机小厂商。

 

时势造英雄,还是英雄造时势?

 

从联发科和山寨机来看,都赶上了历史的大势,也创造了属于他们的时代。

 

华强北的厂商依靠着联发科这套解决方案,大杀四方,盆满钵满。

 

山寨机最疯狂时,年销售到了1亿部。

 

MTK芯片成就了华强北,也成就了联发科。


英雄和时势彼此成就。山寨机虽然远去,但江湖上从来没有停止过这些传说。


04

 

2007年,乔布斯发布了第一代iPhone,它的3.5英寸全触控屏幕、金属机身以及iPhoneOS真正推开了智能手机时代的大门。

 

这款iPhone 3G用的三星的SOC处理器,S5L8900。

 

S5L8900采用90nm工艺制造,主频在412-620Mhz,内部采用ARM11。


最重要的集成一个GPU,PowerVRMBX-lite。


GPU是智能手机时代的标准配置,并且有着超过CPU的重要性。Imagination的PowerVR是嵌入式GPU的领导者。


英特尔的PXA系列也被授权PowerVR MBX的GPU。

 

高通自己收购ATI移动GPU部门Imageon,将其改名Adreno。这个时候还在摸索阶段,不成气候。连和ARM的Mali对比处于下风。


 

 



用了三星的处理器,苹果搞成了一代IPHONE。

 

而苹果也点燃了三星做处理器之火。

 

趁热打铁,三星推出的Exynos系列,成为智能手机SOC最重要的玩家之一。

 

当世界出现苹果手机时,其他的手机厂商开始焦虑,如何对抗苹果手机以及IOS。

 

WINCE是没有掀起什么水花,这个系统太像WINDOWS,理念和操作都是。


难堪大用。 


Andriod应运而生了。

 

其实Andriod最早并不是google开发的,Andriod是安迪·鲁宾创建的Andriod公司开发的,

 

安迪.鲁宾也被称为Andriod之父。

 

安迪.鲁宾是一个大神级的技术人员,但是却不是一个优秀的经理人。接近开发完毕时候,公司也是财务极度紧张,一度需要依靠借债度日。

 

这个已经不是安迪.鲁宾的第一次创业了,早在2002年,安迪.鲁宾和他的朋友们成立了一家名为“危险(Danger)”的公司,发明了一款可上网的智能手机叫做Sidekick。

 

2002年初,鲁宾在斯坦福大学给硅谷工程师讲课,其间谈到了Sidekick的研发过程。

 

他的听众中有两个人,下课后,这两个人走到鲁宾身边查看Sidekick,被这个可以上网的新玩意儿深深吸引。对啊,正经人谁不喜欢上网。


这两个人就是谷歌创始人拉里·佩奇和谢尔盖·布林。

 

有了这层背景,Andriod公司又缺钱,2005年8月份Andriod被Google收购,这是google最成功的收购之一。

 

2007年,Andriod很快就推出了第一个版本,并且创建了开放手机联盟。

 

Andriod以开源形式服务于全球手机厂商,但是Andriod只是一个操作系统。

 

但是,当时却没有一家硬件手机公司支持。

 

机缘巧合,HTC(宏达)出现了。


宏达最早开始做智能手机代工,老板是王雪红,2008年收购了多普达,但是实际上多普达和宏达是一家人。

 

一个代工,一个自有品牌,玩的就是PXA+WINCE。

 

玩过WINCE的宏达看到Andriod,就像看到陌生的老朋友,梦中的新情人,一定要搞成。


那就和WINCE说拜拜吧

 

HTC的首席执行官周永明,2002年和鲁宾最初创办的公司Danger洽谈过代工制造Sidekick手机,和鲁宾是老相识。

 

衣不如新,人不如旧。

 

安迪.鲁宾想起了周永明,鲁宾承诺周永明与HTC合作。而HTC也派人接近50名工程师直接在google总部工作。

 

最终有了世界上个第一款Andriod手机。

 

这款Andriod手机,成就了HTC的在Andirod时代的短暂的辉煌,也带火了智能机时代的SOC王者。

 

2008年,HTC推出全球首款安卓手机T-Mobile G1,成为第一个站在苹果iOS系统对面的安卓挑战者。

 

这款手机采用了高通的MSM720 处理器。

 

本来在高通的这款处理器不是专门为Andriod开发的。

 

最早是用在WINCE上的。

 

对这款芯片熟门熟路的HTC用高通芯片第一个来做了Andriod手机。

 

高通MSM7201A采用了双核的解决方案(采用ARM11+ARM9双核构架),内部3D图形处理模块,还有3G通信模块。同时图像模块高分辨率的图像以及视频播放,流媒体功能表现也很出色

 

从通信一路走来的高通,终于搞明白智能SOC应该怎么来做了。

 

大小核,GPU,集成通信模块。一直沿用至今,成就了一代晓龙。

 

而后续跟进的厂商的开发Andriod的智能手机,在选择手机SOC时,不约而同的选择了高通。

 

以通信起家的高通,对于通信非常在行,毕竟CDMA的专利权等都在自己手里,集成通信处理器完全不再话下。

 

反观原来的霸主TI,则有两个劣势:


一方面:TI处理器无法覆盖全部网络制式,导致采用OMAP芯片组的制造商购买了德仪处理器还要额外购买基带芯片,这样既增加了生产成本,又增加了功耗,市场份额大减。

 

另一方面:手机处理器更新换代非常之快,TI采用自己制造,其实和英特尔非常类似,如果自己设计,自己制造,就会有高制程工艺的需求,TI的制程是难以满足手机处理器对工艺无节制的索取的。

 

基带搞不定,节奏跟不上。

 

进入智能机时代,TI的份额一降再降。

 

2012年,TI决定放弃OMAP系列处理器,未来将会把重点投资从移动芯片领域转移到包括汽车生产和工业设备等更广泛的市场。

 

TI和诺基亚,难兄难弟,不离不弃。

 

一起消失在智能机时代。

 

而也成就了高通 Android领域第一霸主的地位。

 

HTC成就了高通,却没有成就自己。

 

2017年,HTC的手机业务已经奄奄一息,谷歌宣布将斥资11亿美元收购HTC公司的手机业务。

 

除了专利外,其中一个重要因素就是,HTC推出了第一款Andriod手机。还有HTC曾经派50人驻场一起开发,那些一起战斗的激情燃烧的岁月,没有白费。

 

十年之前,我不认识你,你不属于我,我们一起建功立业。


十年之后,Andriod日出磅礴,HTC已经没落,是在一起也是永远分别。

05

 

推出了第一代iPhone之后,就像打开了智能手机未来之门。

 

很快苹果就开始体会了智能手机SOC和之前最大不同了,那就是智能手机对性能无尽的索取。

 

智能手机,既是装在口袋里的电脑,也是游戏机,还是照相机,是一切娱乐的集大成者。

 

如果娱乐关键时刻频繁卡顿,手机的伴侣人类,体验就会很差。


体验很差就会移情别恋。

 

更好的手机值得更优秀的处理器,苹果自研的处理器就走上了日程。

 

苹果并没有芯片研发基础,但是这个不是问题。

 

2008年,苹果公司出手收购P.A.Semi,一家面向嵌入式设备的芯片厂商。

 

这是一次平平无奇的收购。

 

但是却因此得到了一位大神Jimkeller。Jim keller当时在P.A.Semi做技术负责人,这次收购的结果就是他入职苹果。

 

就是那位以AMD的ZEN之父而闻名天下的Jim keller。而当时他还只是一个优秀的芯片设计师Jim keller,还不是享誉世界的芯片大神Jim keller。

 

jim keller就这样成为苹果公司的员工。在苹果工作期间,Jim keller主持设计了A4、A5两代移动处理器,用在iPhone4/4s、iPad/iPad 2等设备上。开启了苹果自研手机处理器的之路。

 

Jim keller 采访回忆说,自研的处理器让乔布斯非常满意。

 

除此之外,所以Jim keller在苹果时,就在手机SOC项目中开始大核架构的设计。

 

当需要处理器更强大时,有两种方法可以做到:一种方式是基本结构做得更大,简单说就是一个大核。第二种是调整功能,搞一堆小核。明显前者的难度更大,也更有效,因为不是所有程序都可以并行到多核上执行,就有某些设计厂商设计出”一核有难,七核围观“的场景

 

苹果SOC处理器一直以更少的核数,提供给用户更强性能体验。

 

从此苹果的SOC一直成为了手机SOC芯片性能的天花板。

 

一直被追赶,从未被超越。

 

但是苹果SOC处理器一直没有集成通信处理器。这也是被人诟病的部分。

 

苹果的手机一直使用的英特尔的基带,所以一直被诟病信号不好。

 

但是说句公道话,信号不好,不是因为手机SOC和通信基带分离的原因,更可能是基带芯片本身的设计就会差一些。

 

比起高通以通信起家的SOC厂商来说,英特尔的储备更薄弱一些。

 

2019年,苹果收购了英特尔的基带业务,最后一块拼图完整了。

 

但是IPhone12 用的还是高通的基带。

 

拼图完整了,什么时候能够拼上还需要一段时间。


人生不如意十之八九。

 

强如苹果,亦有遗憾。

 

06

 

作为整机厂商,苹果自研芯片开了个好头。

 

后面就有更多厂家踏上了这条路。

 

华为来了。

 

2011年,余承东调任华为终端业务董事长,开启了华为搞高端手机之路

 

自研处理器只是其中一个环节。

 

2012年,华为发布了K3V2,号称是全球最小的四核ARM A9架构处理器。集成GPU,40nm制程工艺,这款芯片得到了华为手机部门的高度重视,直接商用搭载在了华为P6和华为Mate1等产品上面,可谓寄予厚望,要知道当初华为P6是作为旗舰产品定位。


但由于其芯片发热过于严重且GPU兼容性太差等,使得该芯片被各大网友所吐槽。


自己设计的芯片,含着泪也要的用到自己手机里,被用户一脸嫌弃。

 

经过了几轮迭代,到麒麟9系列时,已经逐渐渐入佳境。

 

2017年9月2日,在德国柏林国际消费类电子产品展览会上,华为发布人工智能芯片麒麟970。同年10月16日,首款采用麒麟970的华为手机为Mate 10在德国慕尼黑正式发布。

 

麒麟970不是华为最牛的芯片,但是确是华为带给整个手机SOC智能时代的标志。

  

从麒麟970开始,华为首先在手机SOC芯片中集成了一个以前从来没有的部件,NPU。

 

现在手机内部集成AI加速部件称为了共识,当时在当时,基本上很少人能够认识这其中的意义。

 

第一款华为采用了寒武纪的IP,后面逐渐转向了 Da Vinci 达芬奇架构。


几天后,加载NPU的苹果A11仿生也发布了。


英雄所见略同,智能手机SOC的“人工智能”时代开始了。

 

为麒麟970的NPU(神经网络处理器)、Google Pixel2内置的IPU(图像处理器),以及苹果A11 Bionic,都是实现上述功能特性的专用硬件解决方案。

 

手机芯片处理器,除了多核CPU,多核GPU,DSP,ISP,基带,显示,安全等等。

 

现在NPU也来加入进来了。

 

手机摄影已经进入了“计算摄影”的时代,可以给用户提供更好的拍摄体验,但是就是需要更为频繁的AI的运算。

 

2020年,华为海思被而美国禁止在中国台湾的台积电流片,麒麟9000也成为了一代绝唱。

 

华为SOC最先引入了NPU,引领智能手机真正进入“人工智能”时代。

 

手机“人工智能”仍在发展,华为的处理器却不能出新了。


人面不知何处去,桃花依旧笑春风。

 

华为人总说:烧不死的鸟是凤凰。

 

期待凤凰涅槃时。

 

07

时至今日。

 

手机SOC芯片已经到了5nm。

 

面临着三大问题,设计复杂,成本增加,功耗难以控制。

 

最早的手机SOC就是CPU,现在早已超出了CPU的概念。


一众厂商不断加料。


TI在里面加了DSP。


高通和联发科集成了通信处理器CP。


三星高通英特尔各家又分别添加GPU。


华为苹果又带来的NPU。


多个ISP引入,竞赛般支持了2个/3个/4个CMOS摄像头。

 

CPU也是一样,从单个CPU,从双核,大小核,四核,六核,到现在8核。


ARM架构 A8A9到A78,A79,直到现在的 X1;ARM A8的双发射,A78的四发射,X1变成了五发射。

 

GPU从ARM的MALI,高通晓龙的AdrenoGPU,苹果用过多年的imagination的powerVR、

 

这些子系统,包括CPU,GPU,影像,AI,存储,无线,安全等等;

通常在芯片的介绍或者手册上,这些都是孤立的存在。

 

但是,一个SOC上最核心还有IP的互联和数据流向,这些一般是通过总线和各种DMA模块来实现的。通过总线连接各种IP子系统,同时各种通用DMA或者定制DMA模块进行数据流的交换。这些才构成了整个复杂的SOC系统。

 

非常考验集成能力,还带来成本增加。

 

这些成本增加,一方面是面积增加,另一方面而在7nm以后,制程的提升,单个晶体管的成本反而增加了。


一次性投入,IP费用,MASK费用都在增加。


全都在涨价,只有全球手机销量在减少。

 

一个手机SOC接近八九十个平方mm2,这个是在7nm或者5nm来算的。这么大的芯片,如果是同等类比AI芯片,预计要几十瓦。而手机SOC芯片的功耗在几瓦,休眠功耗就更小了。

 

如何控制手机SOC的功耗是手机SOC的核心问题,主要就是时钟控制,电源关闭,电压调节三种手段,甚至电压频率动态调节等多种手段。


下图是一个典型三从集功耗性能分析图,绿色为小核,蓝色为中核,红色为大核。横坐标为性能提升,纵坐标为能耗增加。

 


通过在合格功耗表格,不同负载下运行不同的核。关闭其他的核就有一些依据。


工程师都知道,在小负载下运行在小核,负载再增加,运行在中核,更高的负载,只能运行在大核。单线程模式下。但是在什么负载运行在那个核上,比较经济,通过这个图就能看出来。。

 

随着单线程性能的提升,同时也有性能的增加,如何保证性能增加的同时,尽可能运行在一个合理的功耗,这一切调整芯片固件调整有关系。也是考验各个厂家底层优化能力的部分。

 

目前几款5nm处理器,用户不约而同反馈功耗比较大,是“火龙”。

 

目前看,随着集成度增加,在低制程工艺下,越来越多的功耗的问题就可能层出不穷。


用户体验的“柔顺丝滑”的带来了性能焦虑和电池焦虑。


性能的问题逐渐解决了,电池的问题却更突出了。 


不服跑个分的时代还没有走远。

 

不要成为“火龙”的需求却一直存在。


08

 

手机SOC引领着手机的发展。

 

苹果,三星,高通,华为,联发科等等,每年发布的芯片时刻都是芯片设计业界一流高手对决。

 

高手对决三个要素,快,勇,智。

 

高手对决要快,平均12个月迭代一款百亿晶体管量级的芯片。

 

芯片错过一时,手机就错过一代。

 

高手对决要勇,7nm,5nm都是手机SOC芯片需求催着制程的发展,

 

复杂的集成度但是还要严酷的低功耗,低制程是必然却又未知的选择,是芯片制程工业未知领域的趟路人。

 

高手对决要智,多路ISP到集成NPU,手机SOC产品定义从未完成过。

 

如何保持特色,在性能,功耗,体验上得到用户的认可,成为最懂用户的芯片。

 

手机处理器作为手机的大脑,在不断进化,成为人类最亲密的助手。

 

而沉迷手机的人类则在不断退化,越来越依赖手机。

 

这是一个有趣却又讽刺的现实。



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