你一定很厌烦Android 平台上无穷无尽的硬件大战，但我们很遗憾的告诉你：在谷歌对Android 发展方向作出战略性调整之前，硬件规格是评价Android 设备好坏的重要标准，甚至是唯一标准。看看那些历代些热销的 Android 手机 型号： Droid 2 、Galaxy II 、One X、Galaxy S III ，它们无不具备同时代手机中领先的硬件规格。即便是 iPhone 和 iPad，为了实现一流的体验，也配备了地球上最庞大的嵌入式GPU。可以这么说：一台硬件规格强悍的手机不一定是好的Android 手机，但一台好的Android 手机，必然是一台硬件规格强悍的手机。如今时间已经过去整整一年，面对市面上那些眼花缭乱的新品，我们再次拿出了一份新的评析，帮助大家擦亮双眼，更好的识别Android 手机硬件。由于德州仪器没有参与今年的旗舰SoC 之争，因此这一轮的竞争对手只有骁龙S4、Tegra3、Exynos4 Quad三款，不过它们之间的理念和技术差异却大大超过以往，体现了厂家之间鲜明而迥异的风格和特点。按照惯例，我们依然先单独介绍每一个SoC 处理器，接着结合性能测试进行技术横评，最后展望未来发展。如果你对自己的技术水平没有信心，也不要紧，看个热闹就行，你来我往的手机处理器军备竞赛还是挺有乐趣的。Part.1 三款处理器的今生前世四核 先锋 nVIDIA Tegra3 nVIDIA的策略一向是以快制胜。早在去年年底， Tegra3 就已经走入了实际产品，今年第一批搭配四核处理器的手机也采用了这颗芯片。Tegra3的架构与 Tegra2相比改动并不大， 只是将 CPU 子系统从双核Cortex A9增加到了四核Cortex A9 ，集成的 GPU 也依是较老的GeForce ULP 系列，不过像素处理、光栅化等组件进行了增强。内存方面，Tegra3并没有做出改动，依然只支持单通道LPDDR2 ，虽然引入了DDR3 支持，但对于手机而言这样的支持实际意义并不大。作为台积电最大的合作伙伴之一，nVIDIA 很清楚台积电在28nm 工艺上的进度，因此选择了使用较为保守的 40nm 工艺。为了抵消这个的影响，nVIDIA引入了一个非常有意思的设计，那就是我们所知道的“4+1架构 ” 。这方面之前已有介绍，这里就不再重复了，没有看过的同学可以点这里。Tegra2由于存在缺少NEON 协处理器这个明显的缺点而在双核时代竞争力大减，Tegra3 没有再犯同样的错误。但这并不意味着Tegra3没有缺点。由于主核和伴核共享同一片1MB 的二级缓存，而两者的频率之间最多可以差到3 倍，因此 Tegra3 的二级缓存被设计为按照一个固定的时间返回核心所请求的数据 对于主核而言，二级缓存的等待周期会多一些，而对于伴核而言则少一些。这样的设计可以简化硬件复杂度，但不可避免的会让二级缓存工作在一个比较“ 慢” 的状态（尤其是对主核心而言），进而影响整体性能。而实际上由于伴核的工作条件比较受限，并不是随时随地都可以切换，因此很多时候Tegra3 也不得不以高功耗的主核心去应付低负载，也许会对功耗产生负面影响，这些问题在后面的测试中我们会尝试去观察解析。架构为王 高通骁龙 S4 MSM8960 虽然有所规划， 但高通首先拿出的却不是四核产品，而是双核的MSM8960 。不过千万不要觉得这一代高通又跪了，实际上MSM8960 可能是这一代中最为先进的产品。除去28nm 工艺之外，它还采用了新的Krait核心。与上一代 Scorpion 类似，Krait 同样也是高通在ARM v7-A指令集上自行发展的核心设计，就像 ARM官方以 Cortex A 命名的核心设计一样。值得一提的是， 在很多场合下， 很多人都觉得Krait 是和 Cortex A15同级的产品，这个说法是不准确的，这在后面我们会单独拿出来详细解释。言归正传，自行设计处理器的好处就是灵活，不需要跟着ARM 的脚步走。所以高通的策略就是隔代升级，每一次设计一个比ARM 官方这一代强一点、比下一代弱一点的核心，然后 ARM 升级两次， 自己升级一次 Krait 核心面对 Cortex A9 核心就如同当年Scorpion 核心面对 Cortex A8 一样，是具备一定优势的，而面对 Cortex A15 核心则处于劣势。 作为私有核心IP 的设计者，高通不愿意也不需要研发那么多种核心实现，因此这样的思路是合适、也可以节约很多成本。MSM8960 的 GPU 比较令人失望，因为它只是将上一代S3的 GPU 简单超频 50%而来，除此以外并没有任何改变。当然这里并不是说超频这种方法不好 后面可以看到另外一家厂商也采用了同样的策略，主要是因为 S3 的 3D 性能本身就不是很强，因此仅仅简单超频的结果就是S4 的 3D 性能依然比较弱。 当然高通也知道这点，因此计划推出搭载了全新架构Adreno300 的 S4 Pro，只是这个产品将何时用于手机还是未知数。其它方面， MSM8960 都是中规中矩，双通道LPDDR2 内存、 1MB 二级缓存， 1080p 多媒体支持，外加高通高集成度解决方案 （这其中自然也包括备受争议的高通音频Codec） ，尤其是作为现阶段唯一的LTE 实现方案，因此很容易理解为什么众多厂家选择在中高端产品上纷纷应用这颗处理器。稳扎稳打 三星 Exynos4 Quad 最后登场的 Exynos4 Quad 和之前的两位比起来就显得朴素多了：除去额外的两个核心、增加的一个图像信号处理器（据说性能和功能都很烂）、HDMI 接口提升至1.4 版以及视频硬件解码上的些许改善以外，和上一代双核 “ 猎户座 ”Exynos 4 Dual 45nm可以说是毫无差别。 但是即便如此， 三星依然可以对这款产品底气十足，原因之一是上一代Exynos 4 Dual 45nm 在规格和性能上已经足够优秀，而更重要的是，Exynos4 Quad的杀手锏是先进的工艺。相对于高通对于自家产品工艺宣传方面的高调，三星在这方面相对要低调一些，很多人知道高通S4 芯片组是采用 28nm 工艺制造，但实际上三星采用的工艺更加先进 32nm HKMG 。可能很多人会觉得费解，为什么 32nm 要比 28nm 工艺先进？这里我们暂时卖个关子，后面的文章中会详细介绍这方面的细节。之前我们提到了，除了高通以外，还有厂家在新产品上采用了超频大法，那就是三星。Exynos4 Quad 集成的 GPU 依然是 Mali400 MP4，虽然并不是传言中的Mali T604，但由于新工艺的引入，三星将它的工作频率直接提升了到原来的两倍，在性能也几乎翻倍的同时基本维持了功耗的不变。至于其它方面的特性，因为实在是乏善可陈，这里就不重复了。OK，到此为之新一代旗舰平台的三位成员就介绍完毕了。可以看出这三个厂家的产品的确具备了完全不同的风格和倾向，那么到底谁是这个时代的最强者呢？Part.2 庖丁解牛 三款处理器技术浅析第一回合：半导体工艺制程在高集成度的半导体微处理器行业中，半导体工艺制程可能是除去设计以外最重要的因素。高通、三星、NV 三家公司分别选择了三种不同的工艺：Tegra3 采用了台积电 “40nm Fast G ” ，MSM8960 采用了台积电“28nm LP”，Exynos 4 Quad 则采用了三星自家的“32nm LP HKMG ” 。这些工艺的代号可能会让你眼花缭乱，但实际上它们才是理解工艺细节的关键。我先来好好了解一下半导体工艺的相关基础细节。线宽可能是半导体工艺中最直观的一个参数，例如28nm、45nm，但这也可能是最具欺骗性的参数。大家都可能认为数字越小越先进，但实际情况远没有这么简单。目前的半导体行业中存在两种类型的企业，一种是以Intel、三星为代表的拥有自主制造能力的企业，另一种则是以nVIDIA 、高通为代表的Fabless，即设计代工型企业。对于后者而言，芯片的制造往往交给诸如台积电、 意法半导体等代工厂负责。最近 10 年来， 每一代逻辑芯片工艺的线宽基本上都是以70%的比例不断降低，就Intel 为例，近几年我们熟悉的有90nm、65nm、45nm、32nm 和最新的22nm。由于这些企业的工厂主要为自用，工艺参数往往只是用于辅助宣传，但对于台积电而言，由于它的业务是代工，因此有可能是出于宣传自己工艺的角度，台积电自 130nm 节点开始， 每一代工艺的线宽都要比Intel 小一点 分别是 80nm、65nm、40nm、28nm 和 20nm。这样的确会营造一种更加先进的感觉，但实际上可能只是商业策略居多，就本质而言大家依然是同一代工艺。Tegra3所采用的 40nm 工艺是属于45nm 一代的节点，而Exynos 4 Quad 和 MSM8960 采用的 32/28nm 则是最新一代的节点，后两者之间不存在谁更先进的区别。那么为何nVIDIA要采用上一代工艺呢？原因相信在最近的新闻中大家都能明白 那就是产能。由于 nVIDIA 长期以来和台积电在最先进工艺领域深入合作（NV 的 PC 显卡基本全由台积电代工，这些产品可比手机处理器复杂多了），因此 NV 很清楚台积电28nm 工艺的进度比预期要慢得多。为了保证Tegra3不会被影响， NV 依然选择了上一代的40nm 工艺。这自然会付出功耗和性能的代价，但这也让nVIDIA可以提前对手接近半年推出自己的产品，占得市场先机 华硕 Transformer、谷歌 Nexus 7、HTC One X，LG 擎天4X，第一批上市的四核心Android 设备用的全是Tegra3，为何？答案是：只有Tegra3 一块芯片可用，其它根本还没生产出来。台积电 28nm 工艺原本计划在2011 年 9 月量产，而一直到今天，它还只进入早期量产阶段，产能预计要到年底才能勉强达到供需平衡，高通自然也深受其害。当然，功耗的代价也是nVIDIA必须付出的，否则也不会有 4+1 架构的出现。好了，你已经明白 “ 线宽 ” 这个参数的区别， 让我们接着来看线宽后面的参数，如上图中提到的“Fast”和“Low power” 。大体来说，一代线宽下都会有三个工艺方向：高性能型、通用型、低功耗型。高性能型工艺功耗大、漏电大，但是可以让芯片工作在极高的频率下，获取最大的性能；低功耗型工艺功耗低、漏电小，但芯片的最高工作频率会受到明显限制，通用型则介于两者之间。同样的线宽，不同的工艺方向，差别甚至可以达到数倍之多，因此只谈论线宽是没有意义的。在这一代的旗舰平台中，高通和三星的芯片均采用了低功耗型即 LP 工艺，唯独 nVIDIA 因为设计了LP 工艺制造的伴核， 从而使用通用型即Fast G 工艺制造剩下的部分以追求更低的满负荷功耗。方向之外，一个节点的工艺还有很多其他的技术细节。我们注意到开头的工艺介绍中，Exynos 4 Quad 的工艺介绍中有HKMG 字样，这四个字母就代表着工艺技术细节，它指高介电常数金属栅极，英文为High-K metel Gate，缩写为HKMG 。这是一个非常先进但也非常复杂的技术，这里就不介绍具体细节了，大体而言， HKMG 就是利用高介电常数的金属氧化物（例如氧化铪或者氧化铝）代替二氧化硅作为栅极绝缘层，提高栅极对电子的容纳能力与对沟道的控制力，进而降低漏电，更重要的是降低高频率下的功耗。根据三星提供的数据，HKMG 相对于 SiON/Poly-Si 工艺在同样的延迟（即频率）下漏电最多可以降低到十分之一，而同样的漏电下频率最多可以提升40。 Exynos 4 Quad也正是借助这样的先进工艺，在核心数翻倍的情况下，整体功耗依然降低了20%。而高通在 MSM8960 上的选择就相对保守。虽然台积电也拥有28nm HPL HKMG工艺，但高通选择的却是基于 SiON/Poly-Si 的 28nm LP 工艺。这一方面是因为HKMG 会抬高制造成本，更重要的是台积电的28nm H