曾經(jīng)以為諸如手機(jī)這樣的移動(dòng)設(shè)備，單核處理器已經(jīng)足夠搞定它們了，哪怕不夠提高一點(diǎn)頻率肯定是沒問題的，曾經(jīng)以為雙核只是PC上的神器，手機(jī)無論如何也很難與其沾邊；然而，很多我們?cè)?jīng)以為的東西在一轉(zhuǎn)眼間之間都變成了現(xiàn)實(shí)，單核處理器不再完全滿足手機(jī)需要，出現(xiàn)在PC上的雙核處理器也同樣出現(xiàn)在了手機(jī)上，并且大有加速趕超的意思。
年初Tegra 2處理器率先揭開了雙核手機(jī)大幕，于是在今年一年的時(shí)間里我們看到了大批雙核手機(jī)登場(chǎng)，可以說2011年定義為雙核手機(jī)元年一點(diǎn)也不過分；現(xiàn)如今，作為雙核手機(jī)元年的2011尚還有一段時(shí)間才正式結(jié)束，但是我們已經(jīng)能嗅到四核手機(jī)的味道了，來自于NVIDIA的Tegra 3處理器已經(jīng)蓄勢(shì)待發(fā)。
尋求性能與功耗的平衡
Tegra 3處理器最明顯的特征是它擁有比Tegra 2更多的核心，也是目前首個(gè)基于移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的四核處理器，或者更準(zhǔn)確的說應(yīng)該是4+1核處理器，因此它在四顆主核心的基礎(chǔ)上加入了一顆協(xié)處理器，以達(dá)到降低功耗和保持續(xù)航的目的。4+1處理器?聽起來似乎有些噱頭，這樣的設(shè)計(jì)理念和思路是什么？它和Tegra 2處理器相比能帶來哪些改變和提升？它能保持性能和功耗的平衡點(diǎn)嗎？帶著這一連串的疑問，我們不妨來深入了解一下全球首款四核移動(dòng)處理器Tegra 3。
4顆主核心+1顆協(xié)核心尋求性能功耗平衡點(diǎn)
待機(jī)、續(xù)航時(shí)間短一直是智能手機(jī)用戶比較發(fā)愁的一件事，特別是在大屏橫行的當(dāng)下更是如此，在雙核處理器面世之初就有不少人擔(dān)心它的功耗和續(xù)航問題，如今Tegra 3的處理核心更多了，功耗和續(xù)航問題再次成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，Tegra 3如何保持性能功耗平衡點(diǎn)，下面我們來了解一下Tegra 3的架構(gòu)圖以及設(shè)計(jì)思路和方案。
Tegra 3處理器核心圖
Tegra 3處理器采用“Kal-El”作為核心代號(hào)，從上面的核心圖中可以看到Tegra 3一共有五顆處理核心，單獨(dú)位于最上端的處理器就是4+1處理器中的1，也就是前面提到的協(xié)處理器，而就是NVIDIA專門為保持功耗和性能的平衡所采用的可變對(duì)稱多重處理（vSMP）技術(shù)。
4+1核心設(shè)計(jì)
可變對(duì)稱多重處理（vSMP）技術(shù)是指第五顆協(xié)核心利用專門的低功耗硅工藝制造而成，能夠以低頻率運(yùn)行活動(dòng)待機(jī)模式下的任務(wù)、音樂播放乃至視頻播放；四顆主要芯片以標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝制造而成，可以達(dá)到更高的頻率，同時(shí)在運(yùn)行諸多任務(wù)時(shí)比雙核解決方案功耗更低。這五顆CPU核心均采用ARM Cortex A9架構(gòu)，它們可以根據(jù)工作負(fù)荷而單獨(dú)地啟動(dòng)和關(guān)閉。協(xié)核心對(duì)于操作系統(tǒng)是透明的，這與當(dāng)前的異步SMP架構(gòu)不同，這意味著操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序均不知道這個(gè)核心的存在，然而卻能夠自動(dòng)利用。
根據(jù)負(fù)載打開不同的處理器
情況一，當(dāng)機(jī)器處于待機(jī)、音頻播放、視頻播放等簡(jiǎn)單應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)將只調(diào)用協(xié)處理器，主頻從0到500Mhz；
情況二，當(dāng)機(jī)器處于簡(jiǎn)單網(wǎng)頁瀏覽、簡(jiǎn)單2D游戲時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用一顆標(biāo)準(zhǔn)核心，其他核心休眠；主頻從0到1.4GHz；
情況三，當(dāng)機(jī)器處于Flash網(wǎng)頁瀏覽以及多任務(wù)處理以及視頻聊天等，系統(tǒng)將調(diào)用兩顆標(biāo)準(zhǔn)核心，其他核心休眠，主頻從0到1.3GHz；
情況四，當(dāng)機(jī)器處于全負(fù)荷的情況下，四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)核心全部啟動(dòng)，主頻從0到1.3GHz。
●低功耗協(xié)核心
協(xié)核心是利用低功耗工藝技術(shù)設(shè)計(jì)而成的，卻擁有和Cortex A9 CPU相同的內(nèi)部架構(gòu)，因?yàn)樗玫凸墓に嚰夹g(shù)制造，以低頻率模式運(yùn)行，所以功耗低于采用高速工藝技術(shù)制造的主CPU核心，協(xié)核心在500MHz以下工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)高于主核心的每瓦特性能，因此協(xié)核心的最高工作頻率不高于500MHz。
移動(dòng)CPU功耗——性能曲線圖
協(xié)核心主要用于移動(dòng)設(shè)備處于活動(dòng)待機(jī)狀態(tài)及執(zhí)行后臺(tái)任務(wù)，同時(shí)它還用于不需要強(qiáng)勁CPU處理能力的應(yīng)用程序；與協(xié)核心不同，CPU主核心需要極高頻以保證高性能，因此它采用高工藝技術(shù)制造而成，這種技術(shù)讓主核心能夠在較低的工作電壓下將頻率提升至比較高的水平，因此主核心能夠在不大幅增加動(dòng)態(tài)功耗的情況先實(shí)現(xiàn)高性能。
●操作系統(tǒng)透明化
Android 3.x (Honeycomb) 操作系統(tǒng)內(nèi)置了針對(duì)多重處理的支持，而且能夠利用多個(gè)CPU核心的性能。 然而，該操作系統(tǒng)會(huì)假定所有可用的CPU核心均能夠?qū)崿F(xiàn)相同的性能，并且根據(jù)這一假設(shè)來為可用的核心調(diào)度任務(wù)。 因此，為了讓操作系統(tǒng)隨時(shí)掌握協(xié)核心和主核心的管理過程，Kal-El 處理器針對(duì)協(xié)核心和主要的四個(gè)CPU核心既采用了基于硬件的管理，又采用了基于低級(jí)軟件的管理。
功耗曲線
專利的硬件與軟件CPU管理邏輯單元不斷監(jiān)控CPU的工作負(fù)荷，以便自動(dòng)而動(dòng)態(tài)地啟用和禁用CPU協(xié)核心和主核心。 打開和關(guān)閉協(xié)核心以及主核心的決定完全取決于當(dāng)前的CPU工作負(fù)荷水平以及CPU頻率控制子系統(tǒng)所得出的CPU工作頻率推薦值。該子系統(tǒng)嵌入在操作系統(tǒng)內(nèi)核之中。 該項(xiàng)技術(shù)不需要對(duì)應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)進(jìn)行任何改動(dòng)。
Tegra 3帶來更好的用戶使用體驗(yàn)
前面介紹了Tegra 3處理器在架構(gòu)上的優(yōu)化改進(jìn)及優(yōu)勢(shì)，這些對(duì)于我們普通消費(fèi)者來說可能并不直觀，下面我們就通過數(shù)據(jù)對(duì)比的方式來給大家展示四核Tegra 3得應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
更快地網(wǎng)頁載入速度
目前不少瀏覽器采用了多線程技術(shù)，能夠產(chǎn)生多個(gè)并發(fā)進(jìn)程，這樣瀏覽器中的每個(gè)標(biāo)簽頁均為一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程又管理著各自的多個(gè)線程，因此標(biāo)簽式瀏覽器會(huì)占用比較大的CPU資源，下面我們通過幾組數(shù)據(jù)來了解在網(wǎng)絡(luò)瀏覽時(shí)CPU的使用情況，以及四核對(duì)比雙核處理器的優(yōu)勢(shì)所在。
CPU網(wǎng)絡(luò)瀏覽時(shí)四核CPU系統(tǒng)中的 CPU 使用情況
從圖中可以看到，瀏覽器使用了四核CPU的全部四個(gè)核心，而這種并行處理的效果是，與采用雙核CPU的移動(dòng)設(shè)備相比，網(wǎng)絡(luò)瀏覽體驗(yàn)快多了。 對(duì)于這些支持標(biāo)簽式瀏覽的瀏覽器，四核CPU還能夠發(fā)揮出更高的性能。
標(biāo)簽式網(wǎng)絡(luò)瀏覽期間四核CPU的使用情況
Moonbat JavaScript 基準(zhǔn)測(cè)試程序上的四核性能優(yōu)勢(shì)
圖中顯示了當(dāng)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器打開多個(gè)標(biāo)簽頁時(shí)，四個(gè)CPU核心的使用情況。 事實(shí)上，標(biāo)簽式瀏覽形式會(huì)占用相當(dāng)大的CPU處理能力，而且如圖所示，這種瀏覽可能會(huì)占用四核CPU的全部四個(gè)核心。
更好地滿足高性能應(yīng)用需求
多核處理器的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是能夠?yàn)楦咭髴?yīng)用以及使用場(chǎng)合提供更強(qiáng)的性能，例如照片編輯、視頻轉(zhuǎn)碼、網(wǎng)絡(luò)瀏覽以及多線程游戲。下面通過兩組數(shù)據(jù)來了解一下四核Tegra 3在這方面的優(yōu)勢(shì)。
Coremark多核 CPU基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果
Coremark 是一款流行的移動(dòng)CPU基準(zhǔn)測(cè)試程序，該程序的測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了運(yùn)行多媒體應(yīng)用時(shí)的性能情況，Coremark 顯示，四核CPU的性能幾乎是雙核CPU移動(dòng)處理器的 2 倍、幾乎是單核CPU的4倍。
Photaf 3D Panorama照片處理應(yīng)用程序上的性能提升
Photaf 3D Panorama是一款評(píng)價(jià)很高的Android應(yīng)用程序，該程序讓用戶能夠自動(dòng)拍攝3D全景照片并將捕捉到的圖像拼接起來以備即時(shí)查看。在檢測(cè)邊緣以及拼接圖像的過程中會(huì)涉及大量圖像處理，從性能測(cè)試結(jié)果顯示，該處理器在處理和顯示所捕捉的全景圖像方面幾乎比雙核CPU移動(dòng)設(shè)備快2倍。
多線程 Linpack CPU基準(zhǔn)測(cè)試程序上的性能提升
Linpack是一款使用比較廣泛的CPU基準(zhǔn)測(cè)試程序，當(dāng)處理器運(yùn)行媒體處理等極耗CPU資源的任務(wù)時(shí)，該程序可以很好地測(cè)量處理器性能。多線程Linpack基準(zhǔn)測(cè)試程序的測(cè)試結(jié)果顯示，四核處理器的性能幾乎比同等雙核處理器高出60%，而專為四核處理器而優(yōu)化的實(shí)際應(yīng)用程序在四核處理器上能夠?qū)崿F(xiàn)更大的性能提升。
更強(qiáng)大的多任務(wù)處理能力
移動(dòng)設(shè)備用戶一般會(huì)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序，在這種任務(wù)量繁重的多任務(wù)處理情況下，單核CPU不僅被多個(gè)任務(wù)耗盡了處理能力，而且還必須以峰值頻率工作才能應(yīng)付繁重的工作負(fù)荷，而在基于四核CPU的移動(dòng)設(shè)備上，操作系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的CPU負(fù)荷以及任務(wù)/活動(dòng)的優(yōu)先級(jí)，將工作負(fù)荷動(dòng)態(tài)分配給合適的CPU核心。當(dāng)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)時(shí)，如果有多個(gè)核心能夠用來執(zhí)行這些任務(wù)中排隊(duì)的請(qǐng)求，那么便可以更快地完成這些請(qǐng)求的執(zhí)行。
4+1核心架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在
高速緩存一致性： 因?yàn)?vSMP 技術(shù)不允許協(xié)核心與主核心同時(shí)啟用，所以在這些以不同頻率運(yùn)行的核心之間不涉及高速緩存同步的補(bǔ)償問題。 協(xié)核心與主核心共享同一個(gè)二級(jí)高速緩存，我們通過對(duì)該高速緩存進(jìn)行編程，使其以相同的速度為協(xié)核心和主核心返回?cái)?shù)據(jù)。
操作系統(tǒng)效率：Android 操作系統(tǒng)假定所有可用的CPU核心均相同，能夠?qū)崿F(xiàn)相近的性能，操作系統(tǒng)按照這一假定的情形來為這些核心調(diào)度工作負(fù)荷。 當(dāng)多個(gè)CPU核心中的每一個(gè)都以不同的異步頻率運(yùn)行時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致這些核心能夠?qū)崿F(xiàn)不同的性能。 這樣會(huì)造成操作系統(tǒng)在任務(wù)調(diào)度上效率不高。 與之相比，vSMP 技術(shù)則始終讓所有活動(dòng)的核心均保持相近的同步工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。 即便當(dāng) vSMP 從協(xié)核心切換至另一個(gè)或多個(gè)主核心時(shí)，CPU管理邏輯單元也會(huì)確保無縫的過渡，最終用戶完全覺察不到這種過渡，而且這種過渡也不會(huì)造成操作系統(tǒng)的調(diào)度補(bǔ)償。
功耗優(yōu)化：在基于異步時(shí)鐘的CPU架構(gòu)中，每個(gè)核心一般均處于不同的電源層上，以便根據(jù)工作頻率來調(diào)整每個(gè)核心的電壓。 這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電壓層的信號(hào)線以及電源線噪聲增大，會(huì)對(duì)性能造成負(fù)面影響。 因?yàn)槊總€(gè)電壓層均可能需要自己的穩(wěn)壓器，所以這些架構(gòu)并不像增加CPU核心數(shù)量那樣易于擴(kuò)展。 增加穩(wěn)壓器會(huì)提高材料單 (BOM) 成本以及功耗。 如果所有核心均使用同一個(gè)電壓軌，那么每個(gè)核心將以最快核心所需的電壓運(yùn)行，如此一來，便失去了可降低功耗的“電壓平方”效應(yīng)優(yōu)勢(shì)
比雙核更低的功耗、更高的功耗性能比
在我們的印象中多核處理器因?yàn)楹诵臄?shù)量的增加，相應(yīng)地在功耗上也要比單核處理器更大，不過對(duì)功耗管理來說，核心數(shù)量多勝過核心數(shù)量少。 例如，四核 CPU 在所有性能水平上均比雙核 CPU 的功耗低。之所以會(huì)出現(xiàn)這種結(jié)果是因?yàn)?，四個(gè)核心能夠以更低的頻率運(yùn)行，因此與雙核 CPU 相比，在處理同樣的任務(wù)量時(shí)，四核的電壓更低。 因?yàn)楣呐c電壓的平方成比例，所以 CPU 整體功耗可實(shí)現(xiàn)大幅下降，然而卻依然能夠完成相同的任務(wù)量。
即便在全部四個(gè) CPU 核心均以1GHz 頻率運(yùn)行時(shí)，Kal-El 處理器也比雙核處理器競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的功耗更低。因?yàn)?Kal-El 中的高性能 CPU 核心采用高速工藝技術(shù)，所以這四個(gè)核心在工作電壓比競(jìng)爭(zhēng)處理器更低的情況下，依然能夠以更高的頻率工作。因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗與工作電壓的平方成比例，所以Kal-El處理器即便在以更高的頻率工作時(shí)，也能夠大幅節(jié)省電力。
游戲性能更出色:GPU核心8顆提升至12顆
圖形處理可謂是NVIDIA的老本行了，因此GPU對(duì)于NVIDIA來說可謂是駕輕就熟，Tegra 2內(nèi)置的GPU具備8個(gè)處理核心，這次Tegra 3內(nèi)置的GPU處理核心由之前的8顆升級(jí)到了12顆，由此帶來了圖形性能的成倍增長(zhǎng)，并且NVIDIA將很多在桌面顯卡上的技術(shù)應(yīng)用到了這里。
GPU中擁有12個(gè)核心
Tegra 3將支持3D技術(shù)
3倍到底是個(gè)什么概念？我們用實(shí)際例子展現(xiàn)新型GPU帶來的變化。如下面兩張圖所示，倘若使用搭載Tegra 3處理器的產(chǎn)品進(jìn)行游戲娛樂，游戲中的水波紋、物理特效、陰影效果都會(huì)更加突出、明顯，用戶會(huì)身處一個(gè)更加逼真的使用環(huán)境中。
游戲效果更加出色
游戲效果更加出色
從另一個(gè)大家熟悉的游戲幀數(shù)方面來對(duì)比，Tegra 3的優(yōu)勢(shì)同樣十分明顯。
高級(jí)游戲從四核移動(dòng)處理器中獲得的性能效益
游戲體驗(yàn)越來越出色，隨之而來需要下載的內(nèi)容肯定也是與日俱增，過大的下載量肯定會(huì)讓很多潛在用戶選擇放棄。為此，Tegra 3提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)紋理生成技術(shù)，該技術(shù)允許游戲開發(fā)者編寫游戲代碼，以使游戲中所需的紋理根據(jù)游戲的情節(jié)和狀態(tài)實(shí)時(shí)創(chuàng)建。由于是即時(shí)生成紋理的，因此不必在購(gòu)買時(shí)提供。通過這項(xiàng)技術(shù)，游戲開發(fā)者可以將游戲文件的大小減小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)紋理生成對(duì)性能要求非常高，要求具備多核CPU的性能，這一點(diǎn)，Tegra 3的四核優(yōu)勢(shì)就不用多說了。
游戲中的場(chǎng)景變化全部動(dòng)態(tài)生成
基于四核CPU移動(dòng)設(shè)備的推出，或許會(huì)成為移動(dòng)游戲的一個(gè)拐點(diǎn)，更加逼真的體驗(yàn)效果將會(huì)樹立移動(dòng)游戲體驗(yàn)的新標(biāo)竿，而這一切新標(biāo)竿都由Tegra 3設(shè)定。
online評(píng)測(cè)室總結(jié)
關(guān)于Tegra 3處理器我想可以總結(jié)為三點(diǎn)：一是更多的處理核心，更優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案；二是更好的功耗控制；三是更好更快的使用體驗(yàn)。對(duì)于移動(dòng)處理器來說，功耗待機(jī)是一個(gè)非常重要的問題，Tegra 3在增加處理器核心的基礎(chǔ)上采用協(xié)處理器這種4+1的設(shè)計(jì)方案，既保持了處理器對(duì)于高性能的需求，同時(shí)協(xié)處理器的出現(xiàn)也平衡了在低負(fù)載時(shí)候手機(jī)的耗電。
Tegra 3的優(yōu)勢(shì)所在
五倍于Tegra 2的性能更低的處理器功耗，三倍的GPU處理器速度，立體3D顯示技術(shù)這些都是Tegra 3所具備的優(yōu)勢(shì)。
更低的功耗更長(zhǎng)的續(xù)航
Tegra 3在整體續(xù)航時(shí)間方面相比Tegra 2都有提升，不過從上面的功耗圖中可以看到在視頻播放方面Tegra 3的續(xù)航要比Tegra 2高出61%，可以連續(xù)播放12個(gè)小時(shí)的視頻。
前面我們?cè)谖恼绿岬絋egra 3的4顆主核心和協(xié)核心是不能同時(shí)打開的，并且主核心只能以單核、雙核和四核得方式打開，看起來非常智能的Tegra 3似乎還可以更加智能一些，如果主核心和協(xié)核心能夠同時(shí)打開，并且根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)任意組合搭配，這樣的設(shè)計(jì)方案是否更節(jié)能呢？當(dāng)然，這只是筆者的想法而已。
多核移動(dòng)處理器還在繼續(xù)
從NVIDIA未來產(chǎn)品規(guī)劃圖中可以看到，NVIDIA對(duì)于未來移動(dòng)處理器已經(jīng)規(guī)劃到了2014年，從目前Tegra 3擁有多達(dá)四顆處理核心來看，未來移動(dòng)設(shè)備處理器似乎大有趕超PC處理器的趨勢(shì)。
