在开发16年手机SoC时，单位性能才是硬道理

不得不说，几年前，手机行业已经完全从电子奢侈品转变为消费电子产品. 以前的黑匣子交易变得越来越透明. 透明度不仅限于手机硬件利润的下降，还反映了当前市场的合理性. 我记得几年前，大屏幕，高频CPU是高价手机的代名词，并且随着消费者变得越来越理性，手机产业链中的各种硬件产业也走上了正轨. 例如，屏幕朝着窄边框发展，电池朝着高能量密度/快速充电发展，而朝着高和低感光度发展. 作为智能手机硬件最重要的部分，CPU的未来发展方向是什么？在这个问题上存在分歧.

但是必须说的是，在最高频率和最高性能之间进行斗争的老路在16年内没有奏效. 从高通，三星和海思等最新产品中我们还可以看到，主流CPU制造商已朝着该单元的性能迈进. 举一个简单的例子: 如何提高单位主频的计算性能，以及如何在超低功耗下提高性能是主要制造商研发实力的关键. 今天，我们将总结主要制造商为改善设备性能所做的努力.

全面的升级结构

提高CPU性能的最重要方法是更新体系结构. 近年来，ARM的高性能体系结构已从Cortex-A8 / A9更改为Cortex-A15 / A17，然后更改为去年大受好评的Cortex-A57，今年，包括Qualcomm和HiSilicon在内手机 soc，都进行了升级到Cortex-A72架构. 在性能方面，ARM正式宣称A72架构的核心性能是A15架构的3.5倍（基于16nm FinFET工艺A72与28nm传统工艺A15的数据），并且以前的A57改善了A72架构的性能. A15架构的1.9倍（基于20nm传统工艺A57与28nm传统工艺A15的数据），因此可以大致看出，在相同频率和工艺下，A57体系结构的性能应提高约25％至35 ％与A57架构的性能相比.

除了提高CPU性能和降低功耗外，A72架构还具有其他两个功能. 其中包括增加的CoreLink CCI-500. CoreLink CCI-500的最大变化是添加了“探听过滤器”（Snoop Filter），因此探听控制不再局限于单个集群中的CPU，而是可以扩展到整个处理器的所有内核. 以前，此功能仅反映在Qualcomm Snapdragon 805及其后续旗舰SoC芯片中（Qualcomm不使用ARM公共版本的CCI，而使用独立的研发CCI）. 总体而言，添加CCI-500可以将内存性能提高30％，使许多需要大内存吞吐量的场景（例如4K视频）的体验更好，并且可以进一步释放多核性能. 由此可见，A72是现有高性能架构中最强的单位频率性能，这是毋庸置疑的. 同时，与A57相比，每单位主频率的功耗也显着降低，这不仅得益于A72架构的分支预测计算能力的提高，更重要的是，增加了FinFET工艺

使用全新的流程

如果FinFET制程的出现是15年的三星Exynos7420系列产品，那么FinFET制程就将有16年. FinFET工艺诞生于1990年代. 当时，美国政府认为有必要对25nm以下的工艺技术进行研究. 当进入25nm以下时，将存在传统制程围栏无法有效控制泄漏率的问题. 这时，华裔美国人胡正明提出了FinFET技术和FD-SOI技术来解决漏率问题. 其中，FinFET技术将通过修改删除列的形状来控制泄漏. 实际上，芯片的总功耗P = Pswitch（连接电路时的功耗）+ Pshort（删除开关的功耗）+ Pleak（泄漏功耗）.

在操作过程中，Qualcomm Snapdragon 810会降低频率甚至关闭内核的原因很大程度上是由于高泄漏功耗，从而导致了较高的总体功耗. 即使整台机器的功耗超过4W，也会时有发生. 因此，许认为Snapdragon 810的频率降低是要降温的. 实际上，根本的问题是20nm传统工艺无法控制A57架构泄漏引起的超高功耗. 因此，在新一代SOC芯片中，高通公司也使用FinFET工艺. 如果您想进一步了解FinFET的故事，可以单击上面的麒麟团队为胡正明教授拍摄的宣传视频. （PS. 胡正明教授还长期担任台积电的首席技术官）. 总体而言，ARM官员声称，基于16nm FinFET工艺的A72内核比28nm A15低75％，比20nm A57低50％. 而且使用big.LITTLE核心架构将节省更多电量. 所有这些功劳在很大程度上归因于FinFET工艺的成熟.

协处理器的性能迅速提高

超低功耗下的性能提升也是主要CPU制造商的主要目标. 实际上，手机的CPU和PC处理器是相同的，并且从诞生之日起就针对不同的使用场景进行了特定的调整. 以高通（Qualcomm）MSM8250为例，它是世界上第一个1GHz主频商用智能手机CPU. 尽管最高频率是1GHz，但最低192MHz是为不同的使用场景设置的. 然而，由于其工作原理的局限性，手机处理器无法实现最小单位的动态调整，如1MHz的“无级变速”，因此在使用最低频率的过程中，仍然会有过剩的性能. 为了解决这个问题，协同处理应运而生. 去年，ARM发布了用于物联网和智能家居的最新嵌入式体系结构Cortex-M7，这是目前最热门的协处理器体系结构.

与Cortex-M3架构相比，最新的Cortex-M7的性能提高了4倍. 在40nm LP工艺和400MHz频率下，Cortex-M7处理器可以达到2000 Coremarks的性能，基本上可以与Cortex-A架构的性能相媲美. 使用FPU和Cache，最重要的一点是将待机功耗从以前的90mA降低到6.5mA. 举一个简单的例子，在待机状态下，最小亮度下的1080P屏幕功耗约为90mA. 6.5mA的待机功耗可用于3500mAh电池运行500小时. 同时，高性能Cortex-M7还充当Sensor Hub的功能，可以实时处理每个传感器的信息. 再例如: 6.5mA的功耗可以在不知不觉中记录您的路线图一天，并可以监视您的步行速度等，为智能健康提供越来越多的准确数据.

独立研发

与ARM授权架构的公开版本（例如我们经常说的Cor​​tex-A53 / A57）相比，这种自行开发的架构具有一个看不见但易于理解的隐喻-“站在巨人的肩膀上. ”一般而言，高通获得ARM公共版本的授权后，便对已经成熟的公共版本设计进行了修改. 例如，公共版本设计中的三行代码解决了一个问题. 高通减少到一条线. 当然，添加一些新功能（例如更新的内存控制机制等），最终导致更有效的自行开发架构，这一点更为重要. 这是高通与众不同的竞争力之一，与其他制造商始终不同. 高通已经能够占领大多数旗舰手机市场很多年了，其自主开发架构的战略也起着重要作用.

以具有独立架构的Snapdragon 820为例，这次具有Kryo架构的Snapdragon 820使用时钟频率为2.2GHz的四核设计，但是有一点值得我们注意. 与Snapdragon 801相比，APQ8064，Snapdragon 800与Snapdragon 801不同，Snapdragon 820使用四个内核设计，时钟频率分别为2 * 2.2GHz + 2 * 1.5GHz. 同时，Snapdragon 800使用了4aSMP手机 soc，即四个异步对称核，每个核都可以独立控制，每个核的频率没有差异. 这次，Snapdragon 820使用两个内核集群来控制2aSMP，即2 + 2个异步对称内核. 换句话说，两个1.5GHz内核被同步且具有相同的频率，两个2.2GHz内核也被同步且具有相同的频率，但是在这两个内核组集群之间采用了异步且对称的设计. 在这一点上，您可能会认为Snapdragon 820也使用了类似于big.LITTLE的设计，但实际上对高通的官方解释并非如此. 这两个核心组的时钟频率仅不同，但它们仍使用相同的Kryo架构. 关于自行开发的体系结构，我们已经简要说明了上面的Kryo体系结构. 顺便说一下，多渠道信息显示，包括三星和LG在内的许多制造商也已开始走自主研发芯片的道路.

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