手机SOC入门扫盲

想必大家经常听到高通联发科推出一代又一代手机SOC新品，然而里面无数专业术语听的人一脸懵圈，即使身为硬件工程师，但也经常看了个寂寞，不明所以。因此小潮最近整理出一篇浅薄的入门科普文，供大家扫盲。

手机SOC俗称主芯片，一般集成CPU、GPU、XPU、Memory、ISP、Modem以及各种接口。

CPU是中央处理器，一般采用ARM架构，包括了寄存器组、指令集、总线、存储器映射规则、中断逻辑和调试组件等，分A系列、R系列、M系列。其中M系列主要用作微控制，主频较低，在500MHz以下，因此主要针对低成本和低功耗的应用，如MCU。R系列主要用作实时操作，主频在500MHz~1GHz，因此主要针对实时制动传动和通信，如Cat x物联网模块。A系列主要用作应用处理器，算力较强，主频在500MHz~3GHz，因此可以运行操作系统及提供丰富的媒体和图形体验，如手机平板CPU。

衡量CPU一般需要综合评估计算核（Axx架构）、主频（多少GHz）、缓存（多少K Cache）以及工艺制程（几nm）。用的什么架构决定了单核一次处理信息的能力，按ARM的命名规则，数越大处理能力越强，但A5X系列升级到X1超大核，A7X系列升级到X2超大核，也能明显看出后者更强。主频表示计算核一秒计算的次数，频率越高计算性能越强。缓存里存储的是被CPU访问最频繁的数据和指令，CPU调用时首先在L1 Cache里找，没命中再去L2 Cache里找，还没命中再去L3 Cache里找，最后才去内存里调用。缓存越大命中率越高，CPU计算效率也越高。工艺制程决定了晶体管的尺寸，一般制程节点越先进CPU性能越好，功耗越低，同等制程节点下，台积电制造的性能最好。

CPU遵循冯诺依曼架构（存储程序，顺序执行），因此需要大量的空间去放置存储单元和控制单元，相比之下计算单元只占据了很小的一部分，所以它在大规模并行计算能力上极受限制，而更擅长于逻辑控制。为了解决CPU在大规模并行运算中遇到的困难，GPU应运而生。

GPU是图像处理器，采用大量的计算单元和超长的计算流程，非常擅长处理大量类似的计算。因为图像上的每一个像素点都需要被处理，而且每个像素点处理的过程和方式都十分相似，所以处理这种大量的类型统一的数据时，就调用GPU进行并行计算。但GPU无法单独工作，必须由CPU进行控制调用才能工作。除了高通采用独家祖传的Adreno架构，其余海思联发科展锐三星等通常采用ARM的Mali架构。

自从人工智能概念被炒热后，各种XPU层出不穷，大有不把26个英文字母用完不罢休的架势。如:
APU – Accelerated/AI Processing Unit;
BPU – Brain Processing Unit;
DPU – Deep/Display learning Processing Unit;
FPU – Floating Processing Unit;
HPU – Holographics Processing Unit;
IPU – Intelligence Processing Unit;
NPU – Neural Network Processing Unit;
RPU – Radio Processing Unit;
TPU – Tensor Processing Unit;
VPU – Vector/Video Processing Unit;
WPU – Wearable Processing Unit;
ZPU – Zylin Processing Unit.

由于CPU冯诺依曼架构的存储程序顺序执行，Memory绝对是不可忽视的一环。因为CPU需要频繁调用数据和指令，所以常采用容量小交换速度的SRAM来做Cache。Cache又分为D- Cache（数据缓存）和I-Cache（指令缓存) ，二者分别用来存放数据和执行这些数据的指令，而且两者可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高了处理器效能。因为SRAM成本高昂，L1/L2 Cache通常为KB量级。DRAM则被拿来做内存，现在比较常见的是LPDDR5，如手机里的8GB内存。NAND Flash成本低，容量可以做的很大，主要拿来做硬盘存数据，如128GB存储。至于NOR Flash，读取速度不如DRAM，写入速度和容量不如NAND Flash，手机里一般不用，但是它可以存程序直接启动，在穿戴、物联网，工业等领域应用广泛。另外大家还经常会看到UFS，通用闪存存储，它有两个意思，一是指手机存储接口协议，类似SATA，PCIe/NVMe；二是使用该协议的存储设备（NAND）。全双工+异步命令处理工作模式可以极大提高数据传输速度和命令处理效率，

ISP是图像信号处理单元，用来对前端图像传感器（CIS）输出信号进行处理，以匹配不同厂商的图象传感器。其功能主要包括3A、坏点校正、去噪、强光抑制、背光补偿、色彩增强、镜头阴影校正等，一般也会集成在AP里。现在手机厂为了宣传找差异化，如OPPO提出自研ISP，在平台处理完的基础上再处理美化一次，迎合年轻女性自拍美颜的需求。

Modem主要做通信的调制解调，随3GPP标准升级，基本不随AP演进。跟CPU一年一代相比，Modem的演进相对要慢很多，但是会前向支持，最新的5G Modem仍然需要支持2G GSM。衡量Modem一般需要看它支持3GPP Release几，或者支持Cat几，数越大越先进。低速时代（几十Mbps）可以用DSP处理信号，5G高速时代（几Gbps）需要用ARM A系列核来处理。

最后总结一下，衡量一颗手机SOC一般要评估其CPU、GPU、XPU、Memory、ISP、Modem以及各种接口，所采用的工艺制程也非常重要。

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