高頻未必高能 影響處理器性能因素解析

　　 很多手機(jī)廠商在對外宣傳時總是喜歡拿處理器的表面參數(shù)說事，什么采用了多少核心，主頻達(dá)到了多少，性能比其它手機(jī)提升了幾倍等等。然而，實(shí)際上并非如此，手機(jī)處理器的性能不光決定于主頻的高低，其采用的架構(gòu)、緩存、帶寬、GPU以及系統(tǒng)優(yōu)化等都對處理器的性能產(chǎn)生重要的影響。所以，如果其它因素配置不夠，也很有可能出現(xiàn)高頻低能的現(xiàn)象。今天筆者就為大家介紹一下影響處理器性能的相關(guān)因素。如有疑問請加新浪微博@CNMO徐小磊進(jìn)行交流。

架構(gòu)是關(guān)鍵

　　架構(gòu)做為處理器的基礎(chǔ)，對于處理器的整體性能起到了決定性的作用，不同架構(gòu)的處理器同主頻下，性能差距可以達(dá)到2-5倍?？梢娂軜?gòu)的重要性。那么什么是架構(gòu)呢？

　　為了大家更好的理解，我們不妨做個比喻，架構(gòu)就像是一座建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，而處理器就相當(dāng)于一個完整的建筑，只有有了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，才能建造出各式各樣的房子。換句話說，架構(gòu)只相當(dāng)于一座建筑的框架，至于最后建造出來的房子長什么樣，舒適度如何，就是由處理器廠商自己決定了。不過有一點(diǎn)需要說明，假如結(jié)構(gòu)的設(shè)計值是十層，容納人數(shù)的上限是100人，那么最后建好的房子也不能超過這個上限。這也就是說，采用相同架構(gòu)的處理器，性能基本上已經(jīng)鎖定在一定的范圍之內(nèi)，不會有本質(zhì)的區(qū)別。所以，看處理器的性能要先看架構(gòu)。

ARM架構(gòu)芯片

　　目前，手機(jī)處理器的架構(gòu)主要有ARM和Intel X86，眾所周知Intel X86架構(gòu)在PC中占據(jù)著無法撼動的霸主地位，包括Intel主要的競爭對手AMD在內(nèi)，都是使用的X86架構(gòu)，然而在手機(jī)處理器領(lǐng)域，X86只能算是初出茅廬的菜鳥，雖然潛力無限，但目前采用X86架構(gòu)的手機(jī)還非常少見。今天主要講的是ARM架構(gòu)。

　　ARM架構(gòu)在手機(jī)處理器領(lǐng)域占有90%的市場份額，處于絕對的壟斷地位。目前主流的處理器芯片廠商幾乎都是采用了ARM架構(gòu)，比如，高通、德州儀器、英偉達(dá)、三星及蘋果等。

ARM的應(yīng)用范圍

　　目前千元級的低端的智能手機(jī)或者很多低價的國產(chǎn)手機(jī)處理器一般還在采用比較陳舊的ARM11架構(gòu)，比如德州儀器OMAP2420/2420（主頻為330MHz）以及高通MSM7225/7227（主頻為528MHz—800MHz）和MTK的一些處理器，而高通MSM7227A采用的Cortex-A5架構(gòu)實(shí)際上也是屬于這一級別，代表機(jī)型為最近新上市的HTC T328w。

　　現(xiàn)在主流的中高端手機(jī)處理器基本上都采用了ARM Cortex-A8架構(gòu)，速率可以在600MHz到超過1GHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，同頻下，比ARM11性能提升3倍以上，而功耗卻大大降低。比如德州儀器的OMAP34x0和OMAP36x0系列處理器。而高通驍龍S2/S3的Scorpion架構(gòu)。三星蜂鳥和蘋果A4處理器，均是在A8的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來。代表機(jī)型摩托羅拉DEFY、三星I9000、蘋果iPhone 4以及小米手機(jī)等。

　　現(xiàn)在最先進(jìn)的處理器架構(gòu)是ARM Cortex-A9，相對于ARM Cortex-A8，最大的區(qū)別在于支持多核心和亂序執(zhí)行，并且性能繼續(xù)得到了很大的提升。目前的大部分雙核處理器都采用了ARM Cortex-A9架構(gòu)，比如Tegra 2、德州儀器OMAP44x0系列、三星獵戶座E4210和蘋果A5等，包括最近推出的首款四核處理器Tegra 3。高通MSM8x60則依然采用的是Scorpion架構(gòu)，但是增加了部分亂序執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)異步多核心功能。代表機(jī)型為：摩托羅拉ME860、摩托羅拉Droid Razr、三星I9100、iPhone 4S和HTC One X等。

　　而更為先進(jìn)的ARM Cortex-A15架構(gòu)將是下一代ARM發(fā)展的趨勢。另外，高通的下一代Krait（環(huán)蛇）架構(gòu)，據(jù)稱也有相當(dāng)于Cortex-A15的性能。

工藝制程

　　制程工藝的納米是指IC內(nèi)電路與電路之間的距離。更小的制程也就意味著更低的功耗和散熱，同時在同樣面積的芯片上更小的制程也就能集成更多的晶體，而晶圓的數(shù)量又是決定處理器性能的關(guān)鍵因素，所以，工藝制程越先進(jìn)，處理器性能越強(qiáng)。手機(jī)處理器從較早的90納米，到后來的65納米、45納米、32納米一直發(fā)展到目前最新的28納米，而16納米制程工藝將是下一代CPU的發(fā)展目標(biāo)。

　　芯片的工藝制程和架構(gòu)是同時發(fā)展的，一般采用更新架構(gòu)的處理器也會應(yīng)用更先進(jìn)的工藝制程。目前低端手機(jī)市場一般還在使用比較落后的90納米制程工藝。比如德州儀器OMAP1和OMAP2系列處理器和很多低價國產(chǎn)手機(jī)采用的MTK（聯(lián)發(fā)科）處理器等。這些處理器一般性能比較差，功耗也很高，不過因?yàn)榈投耸謾C(jī)對性能的要求也不高，所以也能保證手機(jī)運(yùn)行流暢，但是大型的游戲就別想了，而且優(yōu)點(diǎn)是售價便宜，降低了智能手機(jī)的門檻，使用戶只需花費(fèi)幾百元就能感受智能手機(jī)的樂趣。

德州儀器OMAP1和OMAP2系列都采用了90納米工藝

　　到了ARM Cortex-A8時代，工藝制程已經(jīng)提升到了65納米級，比如德州儀器OMAP34x0系列等，甚至有些已經(jīng)提升到45納米級，比如德州儀器OMAP36x0系列、高通驍龍S2/S3系列和三星蜂鳥處理器等。這些處理器一般用在中高端單核智能手機(jī)和采用高通MSM8x60的雙核智能手機(jī)中。代表機(jī)型為蘋果iPhone 4、摩托羅拉里程碑、魅族M9、HTC Sensation系列和小米手機(jī)等。

TI OMAP 3xxx處理器工藝制程

　　到了ARM Cortex-A9時代，雙核處理器的工藝制程一般都達(dá)到了45納米級，比如德州儀器OMAP44x0系列，三星獵戶座處理器等，而英偉達(dá)Tegra 2和Tegra 3的工藝制程達(dá)到了更為先進(jìn)的40納米。這些處理器一般應(yīng)用在高端的雙核手機(jī)當(dāng)中，比如三星I9100、I9220、摩托羅拉Droid RAZR以及HTC One X等。

　　而最新的高通驍龍S4系列處理器已經(jīng)達(dá)到了28納米的工藝制程，以MSM8960為代表，目前已經(jīng)上市的華碩PadFone以及即將上市的HTC One S都采用了這顆雙核處理器。理論上性能比采用A9架構(gòu)雙核處理器的手機(jī)高出60%以上，而且具有更低的功耗以及更小的芯片尺寸。

總線帶寬

　　智能手機(jī)中的處理器（CPU）和我們通常理解的電腦中的處理器是有區(qū)別的，智能手機(jī)中的處理器更準(zhǔn)確的定義應(yīng)該是“SoC（片上系統(tǒng)）”，它是將系統(tǒng)中眾多關(guān)鍵部件集成到一塊芯片上，SoC上包含了CPU、GPU、內(nèi)存控制器、視頻解碼核心、電源管理芯片等等。

通訊總線（AXI）結(jié)構(gòu)圖

　　如果說CPU是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)在內(nèi)的一個系統(tǒng)集合。而總線就相當(dāng)于連接各器官之間的動脈血管。血液在血管中的流通的暢通程度就是帶寬。即使人體的各個器官都非常健康，但是血液流通不暢，那么整個人也不會健康。這也說明了總線帶寬在整個SoC中的重要作用。

總線帶寬

　　總線帶寬是指在固定的的時間可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)量，帶寬越大，則代表傳輸能力也越強(qiáng)。一般Cortex-A8架構(gòu)的單核處理器的總線寬度為64bit、200MHz，總帶寬1.6GB/S，就已經(jīng)夠用了。而A9架構(gòu)的雙核處理器則能夠達(dá)到128bit，200MHz，總帶寬為3.2GB/S。比如德州儀器OMAP4430。甚至個別處理器能夠達(dá)到256bit，200MHz，總帶寬可達(dá)6.4GB/S。比如三星Exynos 4210處理器。

　　不過也有一些處理器并沒有達(dá)到一般的水平，比如Tegra 2處理器，總線寬度僅為32bit。僅為德州儀器OMAP4430的四分之一。還有高通MSM8x60,由于采用了和單核時代同樣的Scropion架構(gòu)，所以，總線帶寬也僅為單核時代的水平，即64bit。（數(shù)據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)，不一定完全準(zhǔn)確）這也很好的解釋了有些SoC雖然中央處理器等單獨(dú)芯片都比較強(qiáng)大，但是總體性能比較差的原因。

圖形處理器GPU

　　自從蘋果iPhone出現(xiàn)以后，再加上Android的崛起，移動多媒體得到了長足的發(fā)展，以前在PC的配置中經(jīng)?？吹降腉PU如今也成為了智能手機(jī)處理器必不可少的硬件配置。GPU甚至在運(yùn)行大型3D游戲中，起到了決定性作用。

GeForce ULP GPU

　　與CPU不同，當(dāng)今市面上，幾乎90%的手機(jī)CPU都是采用同樣的ARM架構(gòu)，而個處理器品牌所采用的GPU卻各不相同。

　　蘋果、德州儀器以及三星蜂鳥處理器都采用的是Imagination公司研發(fā)的PowerVR GPU，由于蘋果iOS系統(tǒng)下?lián)碛写罅看蟾咂焚|(zhì)游戲及應(yīng)用，而Android系統(tǒng)中很多游戲也都是從iOS系統(tǒng)中移植過來。所以，采用PowerVR GPU的處理器在游戲兼容性方面還是比較好的。從iPhone系列手機(jī)的性能來看，PowerVR GPU在性能上也是相當(dāng)強(qiáng)勁的。

　　提到GeForce顯示卡，相信大家并不陌生，很多人的電腦中都采用了這個系列的顯卡。而英偉達(dá)的Tegra處理器正是采用了自家的GeForce ULP GPU，憑借著英偉達(dá)在顯卡方面的優(yōu)勢，這顆GPU性能自然不容小覷。而且這顆GPU的一大特點(diǎn)是擁有很多大型的專屬游戲，這些游戲在其他的平臺上是很難體驗(yàn)到的，雖然也有部分游戲進(jìn)行了移植，但是無論從畫面還是特效方面，都無法和原版的比擬。

Adreno GPU性能提升

　　接下來為大家介紹的是Adreno系列GPU，這是高通公司從前ATi公司收購而來并自行發(fā)展的圖形架構(gòu)，當(dāng)然，這也是高通處理器的標(biāo)準(zhǔn)配置。這款GPU在性能方面和其他GPU相比沒有太大的優(yōu)勢，不過由于應(yīng)用最為廣泛，所以，兼容性方面還是相當(dāng)不錯的。另外，相對來說，功耗也比較小。

　　最后為大家介紹的是ARM自行設(shè)計的Mali400 GPU，這款GPU可以根據(jù)處理器廠商的要求進(jìn)行定制，像素處理器則可以在一組到四組之間自由搭配，當(dāng)然，成本不同，性能也有不小的差異。目前三星獵戶座處理器和意法愛立信U8500都是采用的這款GPU。早期由于Mali400應(yīng)用比較少，所以兼容性比較差，比如早期的I9100，但是由于I9100的熱賣以及Mali400的應(yīng)用范圍越來廣泛。兼容性的問題將會得到很好的解決。

處理器主頻

　　作為消費(fèi)者最為熟知的主頻，其自然也代表著一部手機(jī)的性能。雖然不同架構(gòu)的同主頻處理器會有所差異。但如果在相同的條件下，高主頻顯然意味著更強(qiáng)的性能。

　　CPU的主頻，即CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。通常所說的某某CPU是多少兆赫的，而這個多少兆赫就是“CPU的主頻”。很多人認(rèn)為CPU的主頻就是其運(yùn)行速度，其實(shí)不然。CPU的主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實(shí)際的運(yùn)算能力并沒有直接關(guān)系。

　　主頻和實(shí)際的運(yùn)算速度存在一定的關(guān)系，但目前還沒有一個確定的公式能夠定量兩者的數(shù)值關(guān)系，因?yàn)镃PU的運(yùn)算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標(biāo)（緩存、指令集，CPU的位數(shù)等等）。由于主頻并不直接代表運(yùn)算速度，所以在一定情況下，很可能會出現(xiàn)主頻較高的CPU實(shí)際運(yùn)算速度較低的現(xiàn)象。比如Tegra 2，雖然性能很強(qiáng)，但是由于帶寬太小，所以性能發(fā)揮不出來。

　　另外，經(jīng)常被一些玩家詬病“高頻低能”的高通處理器，由于采用了異步雙核的方式，主頻雖然能達(dá)到1.5GHz，但是性能較相同主頻Cortex-A9同步雙核的產(chǎn)品要弱（當(dāng)然這也帶來了省電的優(yōu)勢）。因此主頻僅是CPU性能表現(xiàn)的一個方面，而不代表CPU的整體性能。

主頻最快不等于速度最快

 　　CPU的主頻不代表CPU的速度，但提高主頻對于提高CPU運(yùn)算速度卻是至關(guān)重要的。舉個例子來說，假設(shè)某個CPU在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條運(yùn)算指令，那么當(dāng)CPU運(yùn)行在100MHz主頻時，將比它運(yùn)行在50MHz主頻時速度快一倍。因?yàn)?00MHz的時鐘周期比50MHz的時鐘周期占用時間減少了一半，也就是工作在100MHz主頻的CPU執(zhí)行一條運(yùn)算指令所需時間僅為10ns比工作在50MHz主頻時的20ns縮短了一半，自然運(yùn)算速度也就快了一倍。只不過電腦的整體運(yùn)行速度不僅取決于CPU運(yùn)算速度，還與其它各分系統(tǒng)的運(yùn)行情況有關(guān)，只有在提高主頻的同時，各分系統(tǒng)運(yùn)行速度和各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸速度都能得到提高后，電腦整體的運(yùn)行速度才能真正得到提高。

 　　提高CPU工作主頻主要受到生產(chǎn)工藝的限制。由于CPU是在半導(dǎo)體硅片上制造的，在硅片上的元件之間需要導(dǎo)線進(jìn)行聯(lián)接，由于在高頻狀態(tài)下要求導(dǎo)線越細(xì)越短越好，這樣才能減小導(dǎo)線分布電容等雜散干擾以保證CPU運(yùn)算正確。因此制造工藝的限制，是CPU主頻發(fā)展的最大障礙之一。

運(yùn)行內(nèi)存RAM

　　提到RAM，我們很容易會聯(lián)想到ROM，實(shí)際上，ROM是只讀存儲器，功能相當(dāng)于存儲卡，和處理器的性能關(guān)系不大，而影響處理器性能的關(guān)鍵因素是RAM。

　　RAM（random access memory）隨機(jī)存儲器。存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內(nèi)容，故主要用于存儲短時間使用的程序。

動態(tài)隨機(jī)存取存儲器

　　RAM越大，運(yùn)行大型游戲以及多線程程序時速度就越快。比如同樣為1.5GHz主頻的兩顆處理器，同等條件下，采用512MB RAM就比采用256MB RAM的手機(jī)速度快。所以，手機(jī)的RAM越大越好。目前比較高端的手機(jī)基本上都采用了最大的1GB內(nèi)存。

快速周期隨機(jī)存取存儲器

　　雙通道，就是在北橋芯片級里設(shè)計兩個內(nèi)存控制器，這兩個內(nèi)存控制器可相互獨(dú)立工作，每個控制器控制一個內(nèi)存通道。

　　雙通道體系包含了兩個獨(dú)立、具備互補(bǔ)性的智能內(nèi)存控制器，兩個內(nèi)存控制器都能夠并行運(yùn)作。例如，當(dāng)控制器B準(zhǔn)備進(jìn)行下一次存取內(nèi)存的時候，控制器A就讀/寫主內(nèi)存，反之亦然。兩個內(nèi)存控制器的這種互補(bǔ)的“天性”可以讓有效等待時間縮減50%，因此雙通道技術(shù)使內(nèi)存的帶寬翻了一翻。

系統(tǒng)優(yōu)化

　　雖然手機(jī)的性能，其采用的處理器起到了至關(guān)重要的作用，但是整機(jī)是否能夠流暢運(yùn)行，系統(tǒng)優(yōu)化也起到了很大的作用。大家經(jīng)常會看到，采用同樣硬件配置的兩款手機(jī)，性能差距卻很大，這很大一部分原因就是系統(tǒng)優(yōu)化方面的不同造成的。

iOS系統(tǒng)

　　大家都知道，蘋果手機(jī)的處理器配置從來都不是最高的，但是它卻是運(yùn)行最流暢的。這是因?yàn)椋O果手機(jī)采用的iOS系統(tǒng)是以用戶體驗(yàn)和應(yīng)用為主導(dǎo)的，其硬件配置的選擇完全是根據(jù)系統(tǒng)和軟件的需求，也就是說軟件的發(fā)展帶動了硬件的提升，使得軟件和硬件達(dá)到完美的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，將硬件的性能發(fā)揮到極致。而不是盲目的提升硬件。

Android系統(tǒng)

　　作為iOS的主要競爭對手，Android則不同，由于Android系統(tǒng)的開放性，Android手機(jī)市場相對混亂，很難進(jìn)行統(tǒng)一的管理。Android手機(jī)是硬件帶動軟件的發(fā)展。大家可以看到，近兩年，Android手機(jī)的硬件發(fā)展極為迅速，但是每一次硬件配置的飛躍，卻沒能及時帶來性能的大幅提升。一般都會需要半年到一年的時間，系統(tǒng)和軟件針對新的硬件進(jìn)行優(yōu)化之后，才能夠體現(xiàn)出新的硬件的性能。

　　關(guān)于Android系統(tǒng)，大家的第一印象就是“卡”，但是現(xiàn)在隨著Android系統(tǒng)優(yōu)化的不斷深入以及硬件的大幅提升，“卡”的問題已經(jīng)得到了很好的改善，但是由于手機(jī)廠商在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面過于保守，所以，Android系統(tǒng)在流暢度方面，還是有著很大的開發(fā)空間。這也就是為什么Android用戶為什么那么熱愛刷機(jī)的原因。

結(jié)束語：

　　前幾日，筆者曾經(jīng)寫過了一篇關(guān)于處理器性能相關(guān)因素的文章，不過由于時間原因只寫了一部分內(nèi)容，今天筆者結(jié)合上次所寫的內(nèi)容，對這篇文章進(jìn)行了完善。相信大家在看過之后，會對手機(jī)處理器有一個更為深入的了解。在購買手機(jī)時也可以更有針對性的選擇。值得注意的是，由于缺乏官方數(shù)據(jù)的支持，文中的部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)，不保證100%的準(zhǔn)確性。文中的部分觀點(diǎn)僅代表筆者個人意見，如有紕漏，請留言或加新浪微博@CNMO徐小磊進(jìn)行交流。

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