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「搞機科普」深談手機的大腦SoC或是你們所說的CPU,一直誤解了它

文章摘要: CPU(中央處理器) . GPU(圖形處理器) . ISP(影像訊號處理器) . Modem(數據機) …而一支手機的效能好壞手機的效能與核心有多少、頻率有多高無直接關係

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SoC( S ystem o n C hip),是一個將多個功能的積體電路整合在同一塊晶片上的IC,如高通S845就是一塊SoC,
以手機來說SoC包含了: CPU(中央處理器) . GPU(圖形處理器) . ISP(影像訊號處理器) . Modem(數據機) …而一支手機的效能好壞,SoC就是關鍵。而ㄧ般人所說的CPU究竟在哪裏? 
事實上CPU只佔了SoC很小一塊空間,如這張圖的藍色框框,高通S835的晶片裸檢視

CPU在這麼大的晶片中就只有佔那麼小的一區,不過可別以為它小所以沒用喔! 

而剛剛我們提到了SoC內有著各種不同的元件,如:CPU.GPU.ISP,而這些是什麼,在手機中又扮演著什麼角色呢?讓我們來一探究竟吧!

CPU( C entral P rocessing U nit),手機的大部分運算都是靠它,雖然它在SoC中的大小並不大,但是手機的速度快與否很大原因處決於它。而CPU依指令集的型別分為兩種CISC(複雜指令集C omplex…)與RISC(精簡指令集Reduced…) ,而其代表產品分別為Intel的x86 CPU(PC)以及ARM的Cortex A系列(Mobile),而本篇所探討的為使用RISC(精簡指令集)的CPU

再繼續講下去之前首先你要知道- 運算裝置界CPU大佬ARM

ARM是一間IC設計公司,其專門設計CPU指令集、微架構,而各家SoC設計公司,如:高通、麒麟、聯發科、三星、Apple可以選擇直接使用ARM的Cortex微架構設計CPU或是依據ARM的指令集從頭到腳設計CPU,如APPLE就是後者,而高通.聯發科.麒麟.三星…就是前者,想當然知會用自己設計方案的,要嘛就是錢太多,或是實力堅強,自於蘋果是哪一種? 答案是顯而易見的,所以為何玩遊戲推薦iPhone,這就是原因之一。

而相信大家常常被店員、廠商文宣搞的愣逼;每支手機都是8核心,每個都宣傳玩遊戲很順,但為何我在使用就是很辣雞?   先建立一個觀念,手機的效能與核心有多少、頻率有多高無直接關係。這時你一定有疑問了,那效能到底與什麼有關係?  請看以下

  核心

要認識CPU,我們首先先從核心切入,一顆CPU裏面可能有1顆/多顆核心,現在我們單以核心來看:簡單的說,在手機CPU中,核心分為大核以及小核,想當然之,大核較大、效能較強,但較耗電;小核較小、效能較弱,但較省電。而爲了達到高效能又省電的目標,廠商在一顆CPU中放入了這兩種核心,整合多核心處理器。

那之所以多核心處理器對於效能沒有直接關係,這裏舉個例,假如: A CPU放了4顆高效能核心;B CPU放了8顆低功耗核心,那請問核者效能較好呢?通常都是前者,例項就是S821 VS S625。

而理論上來說,核心越多越強,但是核心多也代表著耗電上升,且核心多時,要怎麼排程核心加以運用又成了一個大難題;就好比原本只需要指揮8頭牛,但現在變成10頭,如果排程工作沒有做好,就會成了一核有難,九核圍觀的情景。

▲網友調侃聯發科X20 10核心處理器的梗圖

  頻率

頻率代表著核心的運作頻率,如2.7GHz 就代表著核心以2.7 x 10⁹ 的頻率運作,頻率越高,速度越快,但也更加耗電、溫度更高,所以頻率高不一定是個好事。

  微架構

微架構,其實就是上面所提到的小核、大核,微架構類似核心內的指令被執行的流程圖,分為公版 (ARM設計)、ARM客製化版、自研架構,通常IC設計公司都是直接採用公版架構,如: A73/A75/A53核心,在自己拼成一個CPU;少數如蘋果是自己設計,ex: A10處理器大核心的微架構-颶風,其效能表現可是比公版設計強很多。
而高通之前雖然是自己設計架構,但可能成效不佳,最近又改使用ARM的半客製化設計,如kryo385是基於A75/A55客制而成。

  小結

多核心CPU 通常由大、小核心組成,核心數、頻率與效能無直接關係;

大核效能好、溫度較高、較耗電ex : ARM Cortex A73 
小核效能普通、溫度低、較省電ex : ARM Cortex A53

大小核心適量搭配可均衡兩者的優缺點。

GPU( G raphics P rocessing U nit),用以運算圖形,玩遊戲的那些漂亮畫面就是靠它算出來的,GPU對於手機遊戲的流暢度有很大的影響,手機SoC中,有4大廠商在做GPU

1.高通Adreno 
2. ARM Mali 
3. IMG PowerVR 
4. APPLE

而之前常常提到採用高通SoC 的旗艦機較適合玩遊戲就是因為GPU,它廠如: 三星、聯發科、華為海思的SoC 雖然GPU”理論”效能並不輸高通,但他們大都採用公版設計方案,然而ARM的公版GPU效能並不凸出,導致要達到高通Adreno GPU的水平需要堆疊許多GPU,而前面也提到,核心堆越多,功耗越高、溫度越高,進而導致降頻,所以整體”實際”效能不如高通。且在Android陣營,大多遊戲廠商只針對高通的Adreno優化,使得效能差距更大。

  小結

想要流暢的玩遊戲,蘋果iPhone / 搭載高通8系列SoC的手機相對適合;當然,最近華為新出的980晶片加上GT有很大提升,目前不管哪家的最新款GPU,都足夠較流暢的執行遊戲了。 

ISP( I mage S ignal P rocessor ),雖然與GPU都有著”圖形”、”處理器”這名字,但這兩者完全不同,ISP是用來運算相機所拍到的畫面用的,ISP越好,對於相片細節、畫質越有幫助。 而ISP通常等級依搭配的SoC等級而定。 

MODEM( MO dulator- DEM odulator),將數位訊號調變成類比訊號傳輸以及解調類比訊號成數位訊號接收的裝置,簡單來說就是負責手機的網路、通訊,而其等級可用CAT.來分辨, CAT.為英文Category的縮寫,數字越大,等級越高,理論網路越快(ex: CAT.16),而有些好的MODEM可以支援4×4 mimo(提升網路訊號、速度)、CA(載波聚合)。 

DSP( D igital S ignal P rocessor),負責處理數位訊號,常見如使電話可雙方同時講話、輔助相機運算(有名的Google HDR+在NEXUS上就是用DSP來運算的),甚至高通還用來做Ai運算

製程指的是晶圓製造時所使用的工藝,如: 臺積電FinFET 16納米,而16納米通常指的是電晶體閘級的寬度,如果你不知道電晶體、閘級.. 那你把它當作線寬即可(晶片內的線路),線寬越小,越省電、溫度越低,所以16納米制程會優於28納米制程,而目前使用10/14/16納米制程的SoC已很少會遇到過熱、耗電的情況了,所以建議不要購買低階手機,因低階手機的SoC大都採用過時的納米制程、架構設計,所以既慢、又耗電、溫度又高。

SoC為整合多種晶片功能而成的一系統單晶片,以手機SoC來說,內含有CPU / GPU / ISP / MODEM / DSP …. 而不是單隻有CPU,所以下次談論手機的晶片時,記得別把SoC叫錯成CPU囉!

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