智能网络数码时代:极低功耗的硬件技术与特点
赵宇为 于 2010.07.05 07:40:59 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:08.93/125

如果大家对数码产品足够感兴趣,一定会发现近两三年来身边的设备正在以超出我们预想的速度发展,我们赞叹3年来iPhone给传统手机带来的冲击,并引领了新一代智能手机趋势;我们感慨,4-5年前,为了跑一段并不清晰的高清视频我们需要配备几乎顶级的CPU或显卡,而现在一台不到400元的MP4就可以流畅完成50M码率的全高清视频;虽然我们并不喜欢上网本,但它的销量也以相对2008年近乎10倍的速度增加;2-3年前的山寨机似乎只能模仿外形,而现在我们可以在1000元以下轻易买到流畅运行Windows Mobile的“山寨机”。这些改变逐步构成了智能网络数码时代,它的形成比之前数码产品更加依赖于技术的支持。我们买手机像10多年前攒电脑一样,要看CPU、看内存、还要挑一个高分辨率的好屏幕……

的确,智能网络数码时代的设备和我们熟悉的电脑系统一样,需要一个电脑的芯——CPU,中央处理器,在这些移动和嵌入式设备上一样重要。这里要提到的是ARM与它授权的公司们,以及Intel公司。接下来,我们简单介绍这些处理器的技术,并与大家一起探讨因为这些技术给我们带来的变化。

ARM架构的处理器

  • 来自英国的ARM(Advanced RISC Machines)公司是一家知名的微处理器设计公司,它的知名度恐怕从来没有今天这么高过,其前身Acorn公司也只不过是1985年诞生,相对半导体届的几个品牌来说应该算相当年轻。ARM公司是1990年由Arcon、Apple和VLSI合作成立,Acron需要为他们的Archimedus电脑准备一块处理器,而Apple也正在寻找一块RISC架构的MAC处理器取代摩托罗拉的68K CISC,VLSI则计划设计一块RISC架构的处理器用在集成系统中,由此完成第一款产品。

  • 从公司诞生之初,ARM不但对产品定位特别,同时公司的经营模式也很独特。ARM从上世纪90年代以来,擅长于RISC处理器在嵌入式系统的应用,其低功耗低成本以及相对不错的性能在嵌入式产品中一直拥有明显的优势。而ARM公司只设计处理器,而不进行生产,而是将设计方案授权给其他公司。目前,ARM公司授权的公司几乎涵盖了所有著名的半导体公司,Intel、IBM、三星、索尼、飞利浦、高通、德州仪器、NVIDIA等等。

    • 在这里先简单解释一下我们认为有些过时的一个名词“嵌入式系统”:在IEEE规范里,嵌入式系统被定义为用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。由于这个概念难于被普通人理解,后来解释为:嵌入式系统是指以应用为中心,计算机技术为基础的专一系统。也许是嵌入式系统的发展与之前设定名词时差别太大,现在业界对于以上两种说法都不完全认可。Intel负责嵌入式部门的副总裁曾经向我们风趣介绍,“嵌入式就是看上去不是电脑的电脑”。其实这个解释相当不错,在特定应用下的一套电脑系统,例如PS3游戏机、车载GPS、机场火车站的电子信息牌、超市饭店的POS机,甚至手机、平板电脑都可以算广义的嵌入式系统,只不过后者势力足够强大,可以单独被看做一套系统。

    目前,ARM公司设计的处理器和周边系统已经足够强大,自从Cortex系列诞生以来,配合周边的图形、音视频等系统,已经足够近两年内移动互联网设备与嵌入式系统的应用。ARM7、ARM9处理器主要应用于较老的智能手机上,Cortex-A8、A9被定位于多媒体移动互联网设备,同时相应架构的Cortex-R系列应用于嵌入式系统,Cortex-M应用于精密的深度嵌入式系统。值得一提的是,ARM的强大还在于其拥有庞大的开发者人群,在书店里看到对于嵌入式系统开发的资料是如此丰富便能说明一些问题

  • 虽然我们还是将ARM称之为处理器,但当我们看到采用ARM架构处理器的产品大多已经是SoC(System on Chip)“片上系统”,即单芯片系统。一般单芯片系统包括了中央处理器单元、内存子系统、对周边的IO控制功能、以及特殊功能加速芯片如高清视频加速、音频处理单元、3D图形单元等等。我们下面以几个较为常见的ARM处理器SoC芯片。

    高通Qualcomm公司的Snapdragon平台

    高通Qualcomm公司因为在CDMA技术上的地位,近年来一直是智能手机芯片的重要供应商,这不仅仅是说他们的CDMA通讯芯片,还包括依靠自己通讯独特的资源优势设计的采用ARM架构的Snapdragon芯片组,这套芯片组包括以ARM为核心的SoC芯片以及通讯模组。值得一提的是,在2006年AMD和ATI合并至2009年AMD公司重新拆分,AMD几乎卖掉了ATI许多分支和图形技术,而大家如果有印象的话,正是高通公司在2009年AMD再次拆分之前的抛售中以6500万美元得到了原属于ATI的移动图形业务(不是ATI显卡的移动版,而是面向手机业务的技术)。

  • 我们对于手机产品谈不上专业,但大家印象深刻的是Snapdragon首个将手机使用的处理器频率带到了1GHz,当然这也是ARM Cortex-A8的功劳。目前Snapdragon QSD8250和8650两款芯片组分别针对GSM和CDMA2000 3G标准,在芯片性能上早已支持720p高清播放,内建3G模块、3D渲染速度也达到了每秒133M个像素,支持极其完整的音频格式解码,以及视频流技术。同时高通的Snapdragon也是微软Windows Phone7首个硬件支持平台。在2010年底,QSD 8672采用双核心1.5GHz频率的新芯片也将上市。目前高端HTC手机大多使用高通公司的Snapdragon平台,例如Google Nexus One、HTC EVO 4G,还有联想乐Phone等等。

    由于我们没有找到Snapdragon的更多资料,接下来我们介绍一个它的冤家NVIDIA Tegra为例,来看一下具有丰富功能的ARM SoC的大致模样。

    英伟达NVIDIA公司的Tegra SoC

    既然ARM公司将处理器技术授权于各个公司,每个公司的以ARM为核心的处理器或SoC就要有一定的特色。而像高通这样的通信公司其特色在于提供给手机完整的平台方案,当然还有可能是类似Intel垄断丑闻一样的非正当交易。这让一些新兴的生产制作ARM芯片的公司颇为不爽——NVIDIA就是其中一个,虽然Tegra性能优势明显,但传统渠道限制Tegra几乎要有3年以上时间了……当然这是题外话。

  • 在NVIDIA推出Tegra第一代处理器和Tegra第二代处理器时的内部对比中,我们都能看到Snapdragon的身影。由于NVIDIA在图形处理、视频处理乃至音频处理上的优势,以及设计GPU的一些技术和生产资源,NVIDIA的Tegra的确要比Snapdragon更加省电、3D性能更好。

    从上面的结构图中我们可以看到NVIDIA的Tegra2的架构,其实很多ARM处理器的SoC基本都采用类似的架构,这里正好以Tegra2为例向大家简单说明。Tegra2相对第一代Tegra来说,使用了两个Cortex-A9内核(Tegra是一个),另外配合了一颗ARM7处理器,也就是说这个SoC里有三个ARM公司设计的处理器。ARM7是一颗较老的芯片,性能并不高,但NVIDIA使用这颗芯片让它在系统负荷较低时取代ARM的Cortex,基本在进行音频处理,如听音乐和FM收音时会用到ARM7。

    在Tegra2 SoC的周围,有负责各种功能加速的DSP。例如高清解码、高清编码、音频解码、2D图形加速、3D图形加速等等。它们的数据都要经过Cortex-A9进行统筹,但各自单元均有专向加速能力。例如,较为BT的是Tegra2支持1080p的高清编码,据说是打算用于网络视频通话。NVIDIA的GeForce图形单元还可以让Quake3在1024X600的分辨率下跑到60fps的速度,同时在渲染Flash时功耗仅有150mW,播放1080P时功耗为400mW。抱怨Flash功耗高的同学应该发现,其实降低功耗并不是没有机会?

  • 这里值得一提的是,ARM处理器的功耗控制极为精细,休眠深度极深,被唤醒速度又极快,所以随应用调节能效是非常精确的,几乎可以等效认为是无极调节。所以ARM的低功耗目前仍是无敌的,而保受Intel非议的低性能在Cortex诞生以及周边处理器配合后,Intel也可以闭嘴了。

    苹果Apple公司的A4 SoC

  • 如果没有iPhone智能手机的发展也许不会有这么快,而苹果的iPhone和iPod Touch也使用的是ARM公司的设计。在iPhone 3GS和最新iPhone 4G和iPad上,苹果的处理器一直使用Cortex-A8和PowerVR SGX图形处理器配合的方式。在最新的iPhone 4G和iPad上,Cortex-A8的主频达到了1GHz。

    由于苹果公司对产品工业设计的精益求精,它们甚至在最简单的iPod Shuffle上也使用SoC方案,并且将存储功能也做到了一颗芯片上,可以说是一颗极为完整的SoC芯片。当然,A4也是一颗SoC芯片,在iPad上的表现令人十分满意,在待机时间和发热量有了相对前一带iPhone 3GS上芯片明显改善。

    除了ARM的Cortex-A8、A9多用于高端智能手机和上网本、平板电脑外,我们在国内很多产品上也可以见到ARM的身影。例如高清播放机、高清MP4、GPS等等。

    综上所述,ARM处理器被授权后经过二次设计开发出的芯片非常之多,它们保持了ARM处理器低功耗、高级功耗管理的特点,同时它们基本全部用于移动的终端设备,所以基本全部采用SoC的方式,一颗芯片基本解决了系统9成以上的需求,并给出通用接口便于扩展。ARM在近两年的应用进步神速,例如,具有高清解码方案的ARM芯片让高清播放机和高清MP4性能突飞猛进成本大降,数字化有线电视机顶盒甚至高清机顶盒走入每家每户,具有GPS模块的ARM芯片让GPS价格更加合理,虽然它们还谈不上智能。但毫无疑问,这对于移动互联网、智能家电、嵌入式系统来说,都将是今后发展趋势。

    Intel的X86 CPU——凌动Atom

    Intel的CPU大家自然不会陌生,他们在2008年发布Atom凌动品牌的处理器,便随后推出“上网本”产品,迎合2009年金融危机,大打低价牌,在当时看来几乎要颠覆轻薄便携笔记本市场。但后来由于,Atom项目的利润率远比其他传统CPU低得多,上网本的旺销并不令公司满意,从而进一步推出ULV超低电压乃至单核心ULV产品,重新定义轻薄笔记本市场。

  • 其实,在2008年Intel计划发布Atom时并没有如此看重“上网本”应用,其长远方向肯定还是低功耗以及MID产品,在Atom 2008年计划中原本就有Z5xx系列的产品,它的功耗在2W左右,比我们现在常见的上网本使用的Atom功耗要低5倍以上,而整个系统功耗更是要低10多倍。但即便使用Z5xx系列,仍然无法与ARM的产品相比,一方面芯片组老旧,功能差功耗高;另一方面,不是SoC,芯片组+内存+主板+CPU……体积相对ARM的SoC来说过于庞大。

    也许是Intel公司过于庞大导致有些臃肿,他对消费类市场产品的跟进非常不积极,Intel基本没有缺过技术尤其是生产工艺,但在Atom产品上实在让人伤透脑筋。例如,Atom 230产品搭配945GC芯片组,芯片组功耗就高达15W……;例如Intel在2010年,仍给最新的D系列Atom使用45nm工艺和连高清解码都不支持的老旧芯片组。这种以清库存卖旧货的态度,导致Intel原有的MID(Mobile Internet Device)基本流产或走样。对移动互联网倡导最不遗余力的Intel,却没有推出一款像样的产品,MID更是无从谈起。

    不过Intel一直在强调随着制造工艺提高后Atom强大的性能,可能要到2011年才能真正看到32nm的Atom Z系列上市了。Atom在上网本上表现出来的无奈也不能全怪罪于Atom本身,毕竟没有一款适合的操作系统来配合这个奇怪的Atom处理器也是极为重要的原因之一。所以,才有了Intel和Linux组织的紧密合作,以及Mobiln操作系统和与Nokia合作的Meego系统。

  • 当然,Intel更愿意大举的IA(Intel Architecture,X86)架构大旗,同时的确也有不小的杀伤力,从X86平台角度来说这将允许从以后的移动设备的SoC到服务器端统一硬件架构平台,应用程序可平滑迁移。在前不久,Intel和Nokia合作推出Meego平台,同时在中国也与中国移动达成合作协议,在数据中心端将使用Intel产品。关于这款产品我们在之后系列文章中再谈。

    Intel面向消费电子的CE X100处理器

    除了Atom凌动处理器外,Intel还有一个有趣的系列处理器很少被人提到,这就是CE系列。2007年,Intel发布CE2100处理器,采用了Intel自己已经放弃多年的ARM架构的Xscale处理器,工作频率达到了1GHz,采用SoC设计,支持主流高清解码,定位于视频机顶盒。但即便是在2007年,山寨高清播放机还要卖几千元时,也没有人愿意使用这颗Intel CE2100,因为它对高清视频支持是当时ARM芯片中最差的。随后,Intel在2009年发布Intel CE3100,并再度放弃了ARM架构的Xscale,这并不是Intel不会做ARM的产品,而是Intel想高举IA即X86的大旗。

  • Intel CE3100同样是SoC设计,同样定位于高清视频机顶盒,处理器部分竟然使用了800MHz的Pentium-M,也许是还来不及将Atom做成SoC放在CE3100里面?在SoC中的图形芯片使用了Intel GMA500(基于PowerVR SGX535,和苹果A4处理器的一样),并几乎完整的支持了蓝光视频的解码和高清音频输出规格。另外,Intel计划将于2010年四季度推出CE4100,终于将Atom作为中央处理器整合。

    同时,在2010年的北京IDF上,Intel高调明确提出SmartTV概念,在与中国电视企业的一些会议上,Intel也开始明确SmartTV概念,从Intel CE4100开始,很可能将这颗芯片植入我们的电视中,ARM的芯片不仅仅是我们现有看到更多的高清解码系统的处理器,它随着网络以及各种应用加入将变得更加丰富。

  • 在2010年5月21日,Google TV正式发布正是Intel想要的SmartTV的典型,这个项目牵连到的公司阵容极其强大:Sony提供高清电视和蓝光播放器,罗技Logitech提供专用的机顶盒,无线键盘和鼠标等外设,Intel为电视和机顶盒提供定制的处理器;Dish Network作为电视内容提供商,当然还有现有的网络视频如Youtube,也许Youku、ku6等;Best Buy提供销售渠道,Adobe提供Flash;Google提供Android作为操作系统,Chrome作为浏览器,为Google TV专门开发API和全新的网络协议,而且整个Google TV是开源的……

    听起来毫无新意?只是一场商业整合?先不要说它没用,因为有消息称苹果的Apple TV会以没有屏幕的iPhone形式出现,并允许运行和开发专有APP,在电视上使用?创意也许就要从iOS和Android开始。

    总结

    今天谈了很多处理器和硬件系统,说实话因为之前工作的关系对手机系统的处理器并不算了解,但对Intel和NVIDIA这样的PC厂商了解也至少有10年时间。在传统的台式机、笔记本电脑领域,Intel的发展速度仍保持相当快的步伐,但我们更应该发现的是以超低功耗、注重多媒体性能、网络性能的处理器的需求在大幅增长,ARM架构的硬件占有明显优势,在功能和功耗上均无瓶颈。而Intel产品规划在功耗上瓶颈仍较为明显,但IA架构的优势理论上存在,但目前并未有太多体现。

    根据研究数据,在2009年全球网络峰值IP流量为50TB/秒,而到2015年将增加至800TB/秒。也许现在看来冰箱和马桶对数据流量需求还不是这么紧迫,但具有多媒体功能的设备如何连入网络并发挥网络带来的优势是明显趋势。电视、音响、手机、相机、随身移动设备等等。

    在下一期文章中,我们将结合手机、移动互联网设备、机顶盒、流媒体中心、电子书甚至无线音响的操作系统与软件应用平台和大家一起探讨智能网络数码时代的新应用与新产品。随后,还可以看到Soomal创意下的一些典型应用,也希望大家抓紧时间,和我们一起来畅想一番。

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    发表于2010.07.09 08:41:39
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    113.096.***.***
    113.096.***.***
    既然连N和A的流数目之间没有任何关联都不知道就在大放厥词了,还不认自己是N粉,还要来装是公平的一般用户。你认为google出来的那个图,说明你啥观点了?最早说比105慢,现在又装孙子,你还能更搞笑一点么?
    如果你不是NC那就一定是脑有发育缺陷,请及早医治,不然以后亲戚朋友有用非N卡而你持刀砍对方的时候就迟了
    发表于2010.07.07 21:17:43
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    发表于2010.07.07 10:05:33
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    发表于2010.07.06 13:42:09
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    03
    如果哪个公司倒闭破产了,最受害的还是广大消费者。
    发表于2010.07.06 12:01:40
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    怎么变成NA之争了.
    作为普通电脑使用者
    管那边多干啥,
    谁好用那个.
    目前A的5系强于N的4系,这个倒是事实
    发表于2010.07.06 08:42:46
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    03
    妄加判断我就是n粉。你有什么依据没?古所云:“是不目见耳闻而臆断其有无,可乎?”
    直接和你说吧,我是性能和价格比的粉丝,谁家的东西质优价廉我就喜欢谁家的。就是这样。
    发表于2010.07.05 23:56:41
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    03
    内含htm,系统自动隐藏——详细阅读
    发表于2010.07.05 23:51:23
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    03
    老夏出马!同意,就此打住!闭口不说了。
    发表于2010.07.05 21:39:14
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    N的4XX出来之前大家不会高调讨论曲面细分如何如何突破划时代等等,4XX一出(实物)那曲面细分就是划时代了,4XX就是真正的DX11卡了,4XX的效率就无与伦比了(480超5870曲面细分8倍,而且还有Phyx还有......还能组3屏(泡泡小编说的,连个DP接口都没有组个贵呀,现在好像有的4XX卡)。嘿嘿。
    发表于2010.07.05 21:37:32
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    发表于2010.07.05 21:32:13
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    N的马甲营销也比较让人无语滴!
    发表于2010.07.05 21:30:29
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    快变成N饭和A饭交战的帖子了!
    跑题了。
    这个东东吵个3天3夜也不会有结果滴。
    PS:对国内主流IT媒体(很多很多,例如MC等)褒N抑A(显卡方面)表示很不以为然,这个谁也改变不了谁。因为谁都是有点偏见的。
    发表于2010.07.05 21:26:25
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