双核先锋Nvidia的崛起——手机处理器系列 三

在智能手机快速普及的今天，手机处理器芯片的性能逐渐开始引起人们的关注，成为用户和终端厂商无法回避的核心话题。为了让网友们更深入的了解处理器在智能手机中的核心作用，我们网易手机将对手机处理器芯片这一核心部件进行深入的探讨，并详细解读几家主流手机处理器芯片厂商的相关产品。

以图形处理器闻名的NVIDIA。

首先我要介绍一个手机处理器芯片的新品牌——NVIDIA，这几年发展很快。说到NVIDIA这个全球知名的图形处理器研发厂商，相信很多人都不陌生。在PC平台广受好评的Geforce系列显卡来自英伟达。从2008年开始，英伟达洞察到移动智能终端平台的发展潜力，进而开始涉足移动终端芯片的研发和制造领域。

为了让网友们更多的了解英伟达手机处理器芯片在产品研发上的优势以及一些网友关心的相关问题，我们也采访了英伟达中国区市场经理石先生。

施，英伟达中国区技术市场经理。

不合时宜的Tegra一代处理器

早在NVIDIA推出其移动处理器品牌Tegra之前，2008年2月11日，它就发布了用于智能手机和PDA平台的APX2500处理器，该处理器集成了一个主频为750MHz的ARM 11处理器和一个显示核心。该处理器采用65纳米工艺，拥有256KB二级高速缓存。集成显示核心基于Geforce 6核心架构，支持OpenGL ES 2.0和Direct3D移动标准。其低功耗架构设计使智能手机等移动设备能够长时间播放音乐和文章。

第一代NVIDIA Tegra处理器芯片

Tegra第一代处理器核心架构图

APX2500实际上是英伟达和微软联合开发的，其次是APX2600(加强对NAND闪存的支持)。目的是结合英伟达在图形处理方面的技术优势，提高当时Windows Mobile平台产品的多媒体处理能力。凭借超低功耗的GeForce内核和出色的多媒体性能，这款处理器在当时是非常强大的，包括微软使用Tegra芯片的Zune HD。

Tegra第一代系列产品对比

不久之后，2008年6月1日，NVIDIA正式推出移动处理器品牌Tegra，并发布了Tegra 600和Tegra 650两款处理器。之前出现的APX 2500也改名为Tegra APX2500。Tegra 600/650也采用了主频为750MHz的ARM 11核心处理器，还集成了包括图形处理单元和内存在内的外围设备，其中Tegra 650提供了对1080P文章播放的支持。

NVIDIA希望利用之前发布的Tegra600/650和APX2500来扩大产品的应用范围，抢占智能手机和当时相当有前景的新兴移动互联网设备(MID)市场。但从后续发展来看，Tegra系列产品的市场表现无疑是惨淡的。为什么一款性能足够强的处理器芯片没有被当时的主流市场认可和接受？

性能强但受当时环境限制。

在这个问题上，英伟达中国区技术营销经理石有他独特的看法。在他看来，一方面，当时国内智能手机整体生态环境并不成熟，Android系统平台刚刚诞生。不仅可供用户选择的应用少，内容质量也不够丰富，而且程序本身也没有注重效率等图形计算技术的整合。另一方面，当时高速3G网络的不普及成为另一大制约因素。

Tegra产品可应用于各种移动智能终端。

但笔者认为，除了以上两个原因，当时如日中天的Symbian平台无形中限制了Tegra第一代产品的销量，如诺基亚E71等畅销机型(网购价格最低为810.0元)，更注重通讯等核心体验，而当时主流的低分辨率小屏手机也不足以体现Tegra强大的多媒体性能。

在MID领域，由于Tegra系列处理器是基于ARM内核架构开发的，无法运行WindowsXP系统。第三方软件资源的极度匮乏，大大降低了那个时期MID设备的适用性和实用性，市场表现远不如预期乐观，不被大多数用户群体所接受。

微软Zune高清播放器搭载Tegra芯片。

不可否认，凭借英伟达在图形计算方面的技术优势，Tegra第一代处理器在多媒体方面确实有着惊人的表现。但由于当时智能手机平台有限，加上NVIDIA本身市场经验不足，Tegra一代产品的市场表现并不理想，也让人感叹Tegra一代处理器有点落伍。

休眠的Tegra 2双核处理器

尽管Tegra的第一代产品市场表现不佳，但经过近两年的深入研发，NVIDIA在2010年1月7日的CES上发布了其第二代手机处理器芯片，也就是后来人们所熟知的Tegra 2系列。作为全球首款双核处理器芯片，在业界引起了不小的轰动。

英伟达率先发布全球首款双核处理器芯片Tegra 2。

英伟达率先发布全球首款双核处理器芯片Tegra 2。

Tegra 2系列处理器的核心架构是基于ARMv7指令集的Cortex-Ax架构，但Tegra 2直接跳过Cortex-A8架构，采用了当时最先进的Cortex-A9架构，具有完全乱序的执行能力。主频设置为1GHz-1.2GHz，二级缓存1MB，内存最多1GB。

双核处理器比以前的单核处理器更省电。

与上一代采用65nm工艺的Tegra产品相比，新一代Tegra 2采用了更先进的40nm工艺。新的制程技术可以进一步缩小芯片的尺寸，同样尺寸的芯片可以容纳两倍数量的晶体管，不仅提高了主频，还大大降低了芯片的整体功耗。

Tegra 2双核处理器芯片核心架构演示

从Tegra 2的核心架构图中我们可以看到，除了两个ARM Cortex-A9核心处理器之外，还有一个ARM7处理器、一个音频处理器、一个图像处理器、一个高清电影解码处理器、一个高清电影编码处理器和一个2D/3D图形处理器，这使得Tegra 2在上网、播放音文章、图像处理和3D游戏的Flash加速方面都得心应手。

双核Tegra 2在Javascript项目测试中优势明显。

在文章编解码方面，相比上一代只支持720P高清电影，Tegra 2系列可以支持1080P分辨率的H.264格式电影的编解码，解码时产生的功耗可以小于400mW，这是当时其他芯片不具备的优势。音频解码方面，英伟达在2007年以3.5亿美元收购了PortalPlayer公司，在PortalPlayer公司强大的技术支持下，英伟达也为Tegra 2提供了更好的音频解码器。

双核Tegra 2在游戏体验上也表现不错。

图形芯片方面，Tegra2搭载8核GeForce GPU，采用高度优化的超低功耗架构设计，显示核心时钟300-400MHz。虽然GPU架构和Tegra一代没什么区别，但是Tegra 2支持LPDDR2，内存带宽和时钟频率更高，会让GPU性能提升两到三倍。三角形输出速率90M/s，像素填充速率1200M/s，是苹果A4处理器上Power VR SGX535 GPU的2.5倍。

双核Tegra 2与其他同期产品的Javascript测试对比

应该说Tegra 2处理器整体性能还是挺不错的，但是也有一些缺陷，比如内存通道控制器位宽太小。一般双核处理器的位宽都在64位以上，而Tegra 2的带宽只有32位。虽然处理器性能很强，但也玩不好。

此外，由于Tegra 2芯片不支持Neon指令集，Neon技术是ARM Cortex-A系列处理器128位单指令多数据架构的扩展，可以有效处理数据，最大限度地减少对内存的访问，从而提高数据吞吐量。在阉割了Neon加速模块后，Tegra 2上GPU的性能优势无法发挥到极致，比如高配的1080P H264文章无法流畅播放。

Tegra 2量产后的市场表现抢眼

得益于Android平台和整个生态环境的成熟，Tegra 2芯片凭借双核的优势和图形处理的出色表现，在量产之初就带来了大量订单，包括LG和摩托罗拉都及时推出了相关手机产品。

首款搭载Tegra 2双核处理器的智能手机——LG Optimus 2X

在MID领域，由于谷歌强行将Tegra 2作为Android3.0的开发参考设计平台，Tegra 2在Android平板电脑中占据了绝大多数的市场份额，赢得了华硕、宏碁、东芝等PC厂商的订单。总的来说，Tegra 2凭借其强大的性能和在游戏等方面出色的图形处理能力，在前期取得了非常令人满意的市场表现。

首款搭载Tegra 2双核处理器的平板电脑——摩托罗拉XOOM

为此，英伟达的史经理还给我们做了一个相关的统计。截至2011年，使用Tegra 2芯片的手机终端产品有近67款，而平板电脑产品有34款。但是这些产品很多都没有在国内上市，这也导致很多国内用户产生了Tegra 2市场表现不佳的错觉。事实上，英伟达在Tegra 2的营销推广上也是不遗余力，尤其是与国内很多厂商合作，也有搭载Tegra 2芯片的相关终端产品。

现有Tegra系列产品计划

竞争对手强势来袭。

然而，包括高通、德州仪器(TI)和三星在内的竞争对手都推出了自己的双核处理器产品，如高通的MSM8x60系列、TI的OMAP 4430/4460和三星的Exynos 4210等这些产品由于开发周期相对较长，整体性能并不逊于英伟达的Tegra 2处理器。同时在功耗控制和系统兼容性上也优于Tegra 2。效率不稳定，功耗相对较高，成为后期制约Tegra 2销量的关键因素。

近期市场表现突出的天语W806也搭载了Tegra 2双核处理器。

对此，英伟达中国区技术营销经理石也坦言，半导体行业是一个不断跟进的过程。由于其他竞争对手的产品研发周期相对较长，他们后续的双核芯片可以很大程度上弥补Tegra 2的一些不足，这也使得一些方面的表现优于Tegra 2。而Tegra 2凭借低价优质的优势，国内出货量不错。而且英伟达也加强了与国内终端厂商的合作。比如最近流行的天语大黄蜂W806，搭载的就是Tegra 2芯片。

此外，英伟达也充分意识到后期与竞争对手发布的产品相比确实有很大的提升空间，这也推动了英伟达后续产品的研发进程，进而率先推出了接下来我们会详细告诉大家的四核Tegra 3处理器芯片。

Tegra 3四核处理器再次出击

继双核Tegra 2系列之后，NVIDIA继续保持业界领先的更新速度，并开始专注于代号为KAL-EL的四核处理器芯片的研发。2011年11月9日，率先推出基于ARM核心架构的新一代处理器Tegra 3，这也是全球首款面向移动终端平台的四核处理器芯片。

全球首款四核手机处理器芯片——英伟达Tegra 3

与Tegra 2一样，Tegra 3仍然采用TSMC的40nm工艺，四核最高主频为1.4GHz，单核最高主频为1.5GHz，据英伟达官方介绍，Tegra 3的CPU性能最高可达Tegra 2的5倍，集成的12核GeForce GPU性能是Tegra 2的3倍，支持3D立体显示，而理论功耗低于双核Tegra 2。下面就带大家详细了解一下这款处理器。

性能比Tegra 2高5倍。

独特的4-1多核架构管理模式

为了有效解决多核计算带来的功耗问题，NVIDIA首创了vSMP(可变对称多处理)多核架构管理模式，并申请了专利技术。Tegra 3虽然被称为四核处理器，但实际上包含了五个处理器核心，内部结构完全相同，都是Cortex-A9架构。除了四个采用高性能制造工艺的主核(每个主核可以根据工作负载自动开启或关闭)，还有一个专门为低功耗省电设计的核，其主频设置为最高500MHz，也称为伴侣核。

vSMP多核管理模式详解

VSMP技术允许Tegra 3针对不同的使用情况采用不同的处理器核心解决方案。比如手机待机、接打电话、收发邮件时，四个主核会保持关闭状态，只使用低频的伴核。

VSMP技术可以提高整体性能并降低功耗。

但在玩普通游戏、浏览网页、加载Flash内容等时使用单核或双核。只有在运行大型3D游戏、高清文章播放等操作时，四核才会满负荷运行。这种灵活的多核转移机制可以大大降低芯片的整体功耗，从而使手机获得更长的续航时间。

需要注意的是，伴随核心不能与四个主核心同时工作。为了保证Tegra 3的高效率和伴随核与主核的高速切换，Tegra 3在缓存和Android系统优化方面也有特别之处。缓存方面，主核和伴核共用一个1MB的二级缓存，缓存之间返回数据的速度在纳秒级别，而多核高速切换的时间间隔可以小于2毫秒。

同伴核心的最大频率被设置为500MHz。

在Android系统下，虽然系统可以允许多个内核以不同的频率运行，但是系统假设每个内核的计算能力是完全一致的，它会依次分配计划好的任务。显然，此时多核工作效率不够。NVIDIA表示，vSMP会一直保持激活的核心工作在同步系统频率，从而优化Android系统，实现更高的效率。

与高通和TI以及其他竞争对手的产品相比。

相比之下，Tegra 3在功耗控制方面表现不错。

通过vSMP技术，Tegra 3解决了多核处理器高性能与低功耗的平衡问题。在执行相同功能操作时，Tegra 3在功耗控制上比上一代Tegra 2有明显优势。来自一款《Coremark》的测试软件的结果显示，Tegra 3如果达到目前主流的CPU性能，只需要付出一半的功耗，如果需要更高的性能，Tegra 3可以接近翻倍，但功耗比目前主流的双核产品低20%。

伴核的引入可以大大降低功耗。

12核GPU在图形处理方面优势突出。

图形处理方面，依然集成了超低功耗设计的GeForce GPU。与上一代相比，GPU的核心处理单元数量增加到12个，内存带宽比Tegra 2增加了3倍，图形输出支持HDIM 1.4a规范。除了完全符合1080P高配置40Mbps高清播放的要求，它还支持3D文章播放、输出和2D到3D功能。同时，增强后的GPU也将带来更好的实时光影效果、动态模糊效果和物理引擎运行效果。

Tegra 3芯片优势概述

此外，Tegra 3在成像和显示方面也有很大的提升，最大支持3200像素主摄像头和500万像素副摄像头，以及全新的300m-兆像素/s图形处理单元。我

Windows 8的普及可能会成为新的增长点。

值得一提的是，Tegra 3四核处理器将同时支持Windows 8和Android。对此，英伟达施秋成认为，虽然目前Windows 8平台还没有普及，但它是未来移动终端市场不可忽视的另一个新兴平台。随着Windwos 8的普及，一定程度上会给Tegra3提供一个很好的发展契机。事实上，Tegra 3已经成为Windows 8的ARM版本的推荐设计平台之一。

与同期产品相比，四核Tegra 3整体性能优势明显。

总的来说，有了vSMP等多项独家专利技术，Tegra 3处理器芯片的性能是值得肯定的，这一点从搭载Tegra 3的HTC One X上展示的强大拍照功能就可以看出来(网购最低3160.0元)，NVIDIA也非常看好Tegra 3接下来的市场表现。

全球首款搭载Tegra 3的四核智能手机——HTC One X

但是，英伟达竞争对手的实力也不容小觑。虽然只有三星和华为推出了他们的四核处理器用于手机产品，但高通和TI等竞争对手也将在未来推出相同级别的产品，与英伟达Tegra 3系列直接竞争。

其中，高通已经正式发布了其最新的骁龙S4系列产品，其MSM8960双核处理器不仅基于类似Cortex-A15核心的Krait核心架构，还采用了业界最先进的28nm工艺。

搭载四核Tegra 3的手机续航能力有待验证。

理论上，高通S4移动终端双核处理器在综合性能上会略逊于Tegra 3，但更先进的架构和工艺技术会使其在功耗控制上比Tegra 3更有优势。同时，高通处理器的高集成度特性和LTE专利技术的优势也是NVIDIA的弱项。

不过，英伟达在Tegra 3中已经意识到了这些问题。在确认与瑞萨电子(原NEC半导体部门)和GCT半导体的合作后，英伟达CEO黄仁勋此前曾表示，Tegra 3芯片将在今年内支持LTE，我们也希望改进后的支持LTE的Tegra 3芯片能够尽快量产，这对终端厂商和消费者都将产生积极的影响。

总结

从最初的Tegra一代测试到随后的双核Tegra 2和四核Tegra 3处理器的推出，应该说英伟达在移动芯片领域的R&D努力和成绩是有目共睹的，但也必须承认Tegra系列产品目前面临着高通、TI等竞争对手的不小压力。

NVIDIA Tegra系列产品未来总体规划图

不过，英伟达施秋成也告诉笔者，随着28nm工艺的进一步成熟，英伟达很快就会推出基于该工艺的芯片产品。此外，2012年下半年，ARM将正式推出其最新的Cortex-A15核心架构，NVIDIA继四核Tegra 3之后的后续研发工作也在稳步推进。

从英伟达公布的产品规划图来看，英伟达势必会从工艺、核心架构等方面进行改进和创新，从而推出性能更强、功耗更低的Tegra 3或Tegra 4系列处理器芯片。英伟达能否凭借Tegra 3和即将推出的新产品巩固现有市场，开拓新兴市场，进而在移动终端芯片市场站稳脚跟，我们拭目以待。