写在骁龙820和Exynos 8890之前：手机cpu浅谈

前年，作为一名电子产品的狂热爱好者，毕业时顺利签到一家手机odm设计公司做射频工程师。平时除了在实验室做项目，总趁着调试WIFI模块时逛逛张大妈 。说来惭愧，在张大妈的关怀下生活水平日益提高 ，却没有做过任何贡献，正好最近有空，想和大家聊聊手机cpu。

在这之前先说两句手机odm公司，也叫手机方案公司。因为最近在微博上总看到红米note3代工丑闻之类的相关新闻。作为odm公司的一员，我想告诉大家的是如今手机市场，除了各家最高端的产线，剩下的基本都出自方案公司。就拿小米来说，小米4和小米note是小米公司设计的，而红米所有系列都是出自龙旗，魅族的魅蓝，华为荣耀和htc desire系列也都如此。这种现象不是如今才出现的，而是一直都是这样的产业布局，大家部分消费者如今才知道而已。至于大家关心方案公司设计和代工的手机质量问题，真的是多虑了。首先这些都是要经过品牌公司的检测，不可能让不可靠的产品毁牌子；再者，大的odm公司比如闻泰、华勤和龙旗，这些公司无论是经验产线还是出货量都是非常优秀的，只不过他们不做自己的品牌专心做方案而已。

一． 产业现状

好了odm公司扯得有点远，现在让我们聊聊手机cpu吧。cpu产业有两种运作方式，一种是英特尔这类公式，自己设计自己生产。这样的好处在于，电路设计跟工艺结合的紧密，对性能自己很好把控并且由于这种技术闭环能够打压其他公司。还有一种就是设计和生产是分开进行的，比如高通，联发科，三星以及我们的海思，他们的内核来自ARM公司，而基本都采用的是台积电的工艺。当然，三星比较特殊，有自己的产线。而大家可以看到，手机cpu基本都是第二种产业方式，而这种方式离不开的就是ARM公司。

ARM的来历和介绍就不多说了，大家都可以谷歌的到，反正就是很牛很久的公司。有多牛呢，可能很多微电子专业的同学最梦寐以求的工作就是去一家soc公司做研发，然而这些公司都是买ARM的授权，再进行二次开发的。简单来说ARM设计的cpu内核比如有ARM 7 9 15等，这些东西通常以,硬件描述语言代码的形式卖给客户比如三星、华为、高通之类的下游公司，然后这些下游公司再进一步设计最后生产出不同的产品。由于下游公司的思维方式不同，设计能力不同，所以同样的授权下性能差异很大。

二． 生产工艺

设计说完了再来说说工艺。拿到了授权并且进行了开发，产品是设计出来了，但是还需要一个好的产线把产品生产出来。就像苹果设计出来的iphone再完美，也需要富士康这样品控严格，管理优秀的产线生产出来。而cup工艺中最优秀的应该是英特尔，然而我们之前说过了，英特尔有技术闭环，并不给别家代工。做代工比较好的主要有：台积电（TSMC），台联（UMC），欧洲的意法半导体（ST）和三星（samsung）和大陆的中芯国际（SMIC）。最大的应属台积电（TSMC）了，最新的量产工艺是16nm制程，优秀的品控和良品率可以说是业界一家独大，牢牢占据晶圆代工厂榜首位置。最近iphone的芯片门中和三星的14nm制程工艺对比就可以看的出其优秀的产线和代工经验占尽优势。其次就是最近如火中天的三星了，最新的量产工艺制程是14nm，能量产出14nm的目前只有英特尔和三星。14nm制程的量产可以说让三星在soc工艺中迎头赶上，硬是在TSMC口中夺走一半的苹果订单，更是在Exynos 7420与骁龙810的巅峰对决中占尽优势，s6系列的强势销量扭转让三星手机部门的颓势，除了优秀影像功能和AMOLED的成熟，恐怕Exynos 7420更是功不可没。大陆的中芯国际（SMIC）去年订单量排名第五，虽然看起来成绩不错，但其实不到TSMC的10/1，据说前一阵和华为，高通联合发开14nm制程，预计2020年量产，不过这个速度应该还是和现在一样只能占到中低端市场了。

三. 指令集架构与核心架构

知道cpu是怎么生产出来的了，那我们再来谈谈cpu。cpu我们接触到的无非就是pc端的和手机端的。pc端的很简单大家也都知道，就两家：英特尔和AMD，pc端cpu用的复杂指令集（CISC）。手机端更简单，没错，就是ARM！手机端使用的是精简指令集（RISC）。大家还记得我们教科书里说过的龙芯吗？很多人一直疑惑为什么龙芯不商用呢，性能不好也是可以慢慢赶上的嘛。这里要打击一下大家的爱国情怀了，其实龙芯是不可能在pc端商用的，因为它所用的指令集MIPS严格意义上来说并不属于复杂指令集，而属于手机的精简指令集（RISC），所以龙芯只能在linux系统环境下用在一些简单服务器里边。

所以说，无论是高通，三星，联发科还是海思，并不能说是完全自主开发的芯片，因为他们都是建立在RAM的基础上设计的。但是这里还有一点区别：

1. 指令集架构

典型的有ARMV5 ARMV6 ARMV7以及最新的64位ARM指令集ARMV8等等，这个类似于台式机上的IA32，他是一个指令集，仅仅定义了机器指令，寄存器结构等等软件开发者可以看到的最底层的东西，是软硬件的接口。

2. 核心架构

典型的有CortexA5，A7，A8，A9，A15，高通的蝎子，环蛇，以及早期的ARM9，ARM11等等。 他们对应于某一种指令集架构的具体核心实现方式，比如CortexA8，A9,A15以及高通的环蛇，蝎子都是基于ARMV7指令集架构的不同核心架构处理器。 ARM11则是分别基于ARMV6的指令集架构。

ARM公司将自己研发的指令集叫做ARM指令集，同时它还研发具体的微架构如Cortex系列并对外授权。大部分公司不仅采用了ARM指令也采用了ARM的微架构。但是，一款CPU使用了ARM指令集不等于它就使用了ARM研发的微架构。这个大部分中的例外就是高通了。

高通能在手机端cpu市场长盛不衰就是因为能够绕过ARM研发出自主产权的微架构。高通多次宣称在相同工艺基础上，高通自主微架构在性能上往往领先同时代主流ARM标准架构，比如Scorpion性能领先于Cortex-A8，Krait领先于Cortex-A9。虽然个人认为相同工艺下还是ARM架构性能优于高通架构的，但是要知道高通拥有核心架构设计能力就已经是其他任何厂商望尘莫及的了。64位处理器高通和其他厂商一样采用的是ARMCortex-A57+A53微架构，但是明年量产的骁龙820将首次采用高通64位自主微架构“Kryo”。这样一来，高通相对于其他厂商在核心架构上却可以节省大量核心架构授权费用，使其更具有成本优势，并且由于高通的大出货量和高端市场的控制力能形成能优势壁垒。高通的强大出货量使其成为相对的主流市场，那么前端软件开发者在高通处理器上会做更多地软件优化。而其他厂商出货量相对较少，并且和高通有着不同的核心架构，这样就很难被顾及，而高通就是利用这样的优势壁垒将自己的优势一点点扩大。这是很多人困惑，为什么Exynos 7420各方面完胜骁龙810可是在很多大型游戏上却没有骁龙810流畅的原因。 当然明年三星的64位芯片Exynos8890将采用苦心研发多年的自主微架构，代号为猫鼬(Mongoose)，性能及市场表现值得我们期待。

四. cpu的性能

前面说了这么多，这些都是导致cpu性能差异化的根本原因。很多消费者在判断一款芯片性能的时候只看到厂价宣传的频率和核心数，其实架构和工艺决定着一款cpu的性能极限。骁龙810对于不可一世的高通来说无疑是巨大的失败，四核ARM Cortex A57和四核ARM Cortex-A53总共8个核心，大核主频达到2GHz，小核主频为1.6GHz，这些参数刚出来是确实让人觉得骁龙810是个性能怪兽，然而实际中的发热问题让这块cpu沦为鸡肋。高通给出的原因是由于采用的ARM Cortex A57核心架构出现了发热问题，可是我们看看同样采用这套64位核心架构的Exynos 7420却性能稳定。其中最重要的原因就是三星采用了自家最新的14nm工艺，而高通采用的而是20nm工艺。Cortex A57性能固然强悍，可是高通却没有驾驭得了。在各个手机厂商搭载了这颗cpu的旗舰手机一个个相继沦为暖手宝的时候，高通只能无奈的推出了骁龙808，也就是减少了两个Cortex A57大核心采用6核方案缓解发热问题。我在实验室测过无数搭载骁龙810的机器，，没有一个是8核全开过的，大部分机器平时只开4个小核，玩大型游戏的时候软件才会打开两个大核心，而剩下两颗大核只是摆设，没有见任何一家大厂商用过。而在三星和高通的巅峰对决之外，MTK很聪明的用了8个Cortex-A53小核心推出自己的旗舰Helio X10继续巩固着自己的中低端市场份额，让骁龙615销量惨淡。Helio X10的稳定性好，性能够用，这也是很多国内千元机市场的首选cpu。

说到这，大家应该能够感觉得到工艺和架构对于cpu的影响不亚于核心数和频率了。再举个栗子吧，如今主流手机CPU都是六核，八核，联发科甚至开始研发十核了，为什么性能和pc端cpu还是有一定的差距呢？没错，指令集不一样，核心架构不一样是最根本的原因。复杂指令系统（CISC）和X86、X64的微架构与手机完全不同。手机多核其实应该叫多CPU,将多个CPU芯片封装起来处理不同的事情，就是大家所说的胶水核心，也就是被强行粘在一起的意思。在待机或者空闲的时候，八核的手机也只能用到一至两个核心。而电脑则不同，PC的多核处理器是指在一个处理器上集成了多个运算核心，通过相互配合、相互协作可以处理同一件事情，是多个并行的个体封装在了一起。用一句话概括，就是并行处理，双核就是单车道变多车道。这不是说优劣的问题，而是定位的不一样。手机CPU要功耗低、廉价。所以采用ARM架构的CPU，运算能力大大低于电脑CPU的运算能力，同等频率CPU浮点运算能力相差在几千到上万倍。

五. 手机GPU

其实这篇主要想说cpu的，不太想GPU不然又要扯太远。但是手机的cpu和GPU很难分开，就大概说一下现状好了。

GPU也就是图形核心，所有与3D图形有关的运算都与它有关，关系最直接的就是3D游戏的流畅度——即使CPU再强，如果GPU很弱，你玩3D游戏都不可能流畅。目前，市面上主流的移动GPU由三家公司生产：英国Imagination和ARM以及美国高通。而著名显卡芯片商美国NVIDIA公司则已悄然退出手机GPU市场，从这我们也可以看出pc与手机的市场差异。

Imagination公司在我看来是手机GPU市场实力最具实力的公司，然而可惜的是他已被苹果收购（苹果占大股）。我们在最新iphone上用到的GPU就是他家最强GPU，个人感觉比安卓阵营的旗舰都要好。当然我们在安卓市场也可以看到他的身影：PowerVRG6200。但是并不是该公司的最强产品了，Helio X10集成的就是PowerVR G6200。

ARM的Mali目前可以说是安卓阵营的主流GPU了。随着前一阵首次搭载Mali-T880的麒麟950发布，Mali-T760时代应该要过去了。Exynos 7420应该是代表作了，比较稳定，但整体性能稍逊于Adreno 430。

除NVIDIA几乎为平板专用外，安卓阵营广泛采用的GPU中，目前最强劲的当属整合于骁龙810的adreno 430，其3D跑分已达15017分。虽然整体性能,不如苹果A9，但新产品adreno530即将到来，值得大家期待。

六． 展望（骁龙820/三星8890/ Helio X20/麒麟950）

各厂商明年的主打旗舰芯参数都已经出来了，从中可以看到各家芯片的差异化。除了关于高通Kyro和三星猫鼬自主内核的更具体细节还有所隐藏，我们先看看采用ARM公版设计的HelioX20和麒麟950。

海思、联发科继续采用ARM的big.LITTLE架构设计，就是以高性能与低功耗CPU内核混合为基础，目的是针对不同的任务平衡功耗和性能。不同的是海思继续采用4颗A72+4颗A53的8核心设计，而联发科仍坚持“多核”战略，甚至在Helio X20中进击的采用了10核心设计，将低、中、高三组不同档次内核组合到一起，能够在不同场景中从低功耗内核快速平稳切换到高性能内核。不过联发科很小心的只加入了两颗A72大核心，剩下八颗都为A53小核心，秉承了MTK不刻意追求性能堆积的思路。

高通在经历了骁龙810的滑铁卢之后使用自家的首个64位核心架构Kyro。骁龙820中使用了4个架构几乎相同，但不同频率的内核组成两组异构CPU集群来满足不同的使用场景。由于骁龙820并没有协处理器，所以高通为此准备了重新设计的Hexagon 680 DSP，作用相当于完全独立的“协处理器”。

三星终于也走向了自主定制高性能CPU内核的道路，最新的Exynos 8890 SoC芯片芯片中有4个是定制内核。三星表示，在定制内核的帮助下，Exynos 8890相比Exynos7420性能提升30%，能效也提升了10%。不过与高通不同的是，三星的芯片仍采用了ARM的big.LITTLE设计方案，即4个定制的高性能CPU内核加上4个低功耗的Cortex-A53内核。

毫无疑问，与海思和MTK不同的是，高通和三星都在为单核性能提升而努力，而且也都在设计更适合智能手机的芯片，无论是性能还是能耗方面，真的输赢还说不准，因为他们都采用了定制的高性能CPU内核，而非ARM直接提供的Cortex-A72内核，能效的收益应该比公版更加客观。

GPU方面，联发科的Helio X20和海思的麒麟950均此是ARM公版GPU，而且也都定制了四核设计。三星没有公布Exynos 8890中 Mali-T800的核心数量，不过初步测试有可能是Mali-T880MP12，也就是12个图形核心，性能肯定要比联发科和海思好上不少。真正采用自家GPU的在这之中只有高通了。根据高通的表述，新一代型号为Adreno 530的GPU，与Adreno430相比可提供高达40%的图形处理性能、计算能力和功率利用率，同时还能降低40%的功耗。

工艺制程方面，Exynos 8890无疑继续着领先优势，将继续享受三星14nm工艺带来的利好。高通在落后一年多时间之后也宣布骁龙820讲采用14nm工艺，不出意外应该也是三星产线。麒麟950采用台积电成熟的16nm产线，在iphone的A9上台积电的这条产线已经展现实力。而MTK将继续采用主流的20nm工艺制程。

可以预见的是，麒麟950在GPU方面与其他厂商缩小了差距，但其主要阵地依然是华为自家旗舰。性能堆砌并不是海思的特长，但华为专注于优化和整合让我们对海思的未来胸有成竹。Helio X20的定位和Helio X10一样，优秀的多核心计算能力和能耗控制对日使用来说无比重要，不出意外的话应该是明年各手机厂商终端机的标配芯。

不可预见的就是Exynos 8890与骁龙820的对决。可以看到三星在基带和GPU这些自己的弱势方面有了长足的进步，加上三星纵深整合产业链的能力强大无比，相信Exynos7420只是三星成功的第一步。第一次采用自主架构的Exynos 8890只能在S7上得到检验了。骁龙820也将首次采用高通的64位核心架构Kryo，回归自己的4核设计。在经历了骁龙810的公版设计水土不服后，相信Kryo的成功会让高通吃下一颗定心丸。性能方面并不好说但和公版相比应该差不了多少，但可以肯定的是能耗方面一定比骁龙810好上不少。性能突出，如果能耗也能稳定，还有adreno530的加持，相信高通会强势回归的。但三星14nm工艺产线明年应该产能很紧张，自家Exynos 8890肯定会优先照顾，苹果的大订单也不会轻易丢掉，就不知道会不会影响到骁龙820的产量了。

七. 尾巴

好了，每天晚上写一点，不知不觉谢了这么多，希望大家能够有所收获。本人还是手机行业的初学者，以上内容可能有不正确的结论或言论，欢迎大家指正。后面有时间还会和大家聊一聊手机屏幕那些事，期待我们下一次的搞机之约。