全志:从需求出发打造最佳能效比处理器

【引言】

随着国内几家主流主控处理器厂商相继推出各自的四核芯片，今年的平板电脑市场全面迎来了四核时代。在已有的几款四核产品中，全志的A31可谓有些特立独行。

【正文】

去年12月，单核时代的黑马全志直接跳过双核平台推出了四核芯片A31。与其他方案普遍采用ARM Cortex-A9内核不同的是，该芯片并没有采用性能更高的Cortex-A9，而是采用了具有功耗优势的Cortex-A7内核；除CPU与众不同外，A31的图形处理单元也并没有像前一代的A10和A20一样采用ARM Mali 400系列GPU，而是配备Imagination的PowerVR SGX544MP2 GPU。

为什么A31采用的是Cortex-A7而不是别人都采用的Cortex-A9呢？答案是低功耗设计考虑。对于移动产品来说，低功耗设计是永恒不变的主题，在有高性能的同时，一定要保持更低的功耗。Cortex-A7正是遵循了这样的设计思想，它能在保证性能的基础上提供出色的低功耗表现，迎合移动计算时代的需求。ARM自己对Cortex-A7的评价是“ARM史上能效比最高的处理器”。除了具有高能效比外，Cortex-A7是ARM最新一代的多核核心，具有比Cortex-A9更为先进的架构，比如加强了浮动运算能力，具有最新的指令集，可支持1MB内嵌式L2 Cache，支持多个操作系统同时运行，支持1TB内存等，这些都是Cortex-A9所不具备的。另外Cortex-A7还可以无缝兼容Cortex-A15，满足未来CPU Cortex-A15+A7大小核架构的发展趋势。全志平板电脑产品经理王康表示，随着移动设备上游戏、音视频、拍照等多媒体应用的爆发，GPU承担着越来越多的计算工作，重要性日益凸显；而对于多媒体应用的处理CPU参与得越来越少。“从主控系统和架构上来看，设备对GPU要求越来越高，而对CPU的性能升级追求在不断减弱。所以CPU的性能够用就行，没有必要去拼主频的高低，更重要的是和GPU等其他内核一起配合实现更好的体验。四核A7的性能对于目前的应用来说已经完全够用了，所以我们把更多的优化放在了GPU上。”他说道。

正如王康所言，从目前的技术角度来看，CPU的处理能力已经十分强悍，未来一段时间内可提升的空间不会太大，后续提升整体性能的责任自然就落在了GPU上，这也是未来移动处理器发展的一个重要方向。考虑到GPU的重要性，全志A31集成了更为强大的Imagination PowerVR SGX544MP2双核图形处理器。Imagination的PowerVR系列GPU IP是业内主流的图形处理器架构，包括苹果、三星、德州仪器、英特尔都有在用。据王康介绍，虽然SGX544MP2只是双核架构，但是其性能比四核ARM Mali 400 MP4还好，基本原因是SGX544MP2采用的是与PC GPU一样的统一渲染架构，与非统一渲染架构相比，统一渲染架构在级别上高了一代，性能也有全面的提升。“简单来说，其实GPU基本用来干两件事：画线和涂颜色。在GPU内部完成这些工作的单元称之为渲染器(Shader)，SGX544MP2虽然只是双核，但是其中有八个统一渲染引擎(Universal Shader Engine)，它们既可以完成画线也可以用来干涂颜色的工作，同时还能根据应用需求来动态调整。而Mali 400 MP4只有一个用来画顶点即画线的Shader和4个画像素即涂颜色的Shader。这5个Shader的工作是固定的，画线的只能画线，涂颜色的只能用来涂颜色，不能动态调整，效率比SGX544MP2的低很多。虽然Mali 400 MP4核数与频率都高于SGX544MP2，但是由于架构效率较低，所以性能并不见优。”王康解释道。

来自全志的数据表明，SGX544MP2像素填充率高达3,000M/S，三角形渲染也同样高达100M/S。集成了该GPU的A31与采用Mali 400 MP4的三星处理器Exynos4412相比，像素填充率高出1.16倍，三角形填充率高出了6倍，整体图形性能高出2倍。对于CPU和GPU等处理器来说，功耗与主频是成线性关系的，SGX544MP2最高主频300MHz，大大低于Mali 400 MP4的533MHz主频，这样在保证性能的基础上让功耗也得以降低。

为了加强多媒体处理能力，除了使用性能强劲的GPU外，A31还加入一颗被称之为VPU的核。VPU在全志的上一代产品A10中就有使用，它其实是一个独立的视频编解码器。在很多其他平板主控方案中，视频编解码工作主要是通过软件的方式来完成的，这就需要CPU具有很强的性能。而A31的编解码都是通过VPU这个独立的硬件处理单元来完成的，这样做不仅可以释放CPU和GPU的计算压力，还可以保证低功耗和高性能。A31可支持4K2K超高清编解码、蓝光3D播放、全格式音视频，完美兼容各种网络流媒体，特别是支持4K2K的编解码能力在移动处理器甚至是PC处理器中都是甚为少见的。

“全志从成立一开始就把多媒体编解码能力作为立命之本，CPU和GPU这些东西有钱都可以买到，如果大家的方案都是基于同样的CPU和GPU配置，那还有什么方法来保证差异化呢？”王康说道，“我们的定位就是在多媒体处理能力实现突破，包括视频编解码、拍照、摄像等方面。其实A31除了VPU之外还有一个有特色的模块，那就是图像信号处理器(ISP)单元。集成了这个模块的A31可以支持1,200万摄像头和1080p@60fps高清录像，以及零延时拍照、1秒10连拍等功能。目前拍照的图片处理等功能基本由ISP完成，它也是硬件上的模块，带来的好处就是速度快、效果好、功耗低。”

除了具备强大的通用计算能力、图形计算能力和多媒体处理能力，A31系统带宽也同步翻了一番。该芯片支持双通道64bit DDR3/LPDDR2，具有更高带宽，可以满足视网膜显示带宽需求；支持双通道NAND Flash，系统内存的读写速度提升到读30M/s、写20M/s，与A10相比提升了100%。王康指出，现在许多平板电脑都配备了视网膜显示屏，但是要做到真正的流畅显示不光需要CPU和GPU的性能强，还需要总线效率和存储带宽与之匹配。所以64bit的带宽是必须的，否则很难达到流畅的效果。因为一般在Android系统上视网膜屏流畅显示(60fps)的带宽需要超过3GB/s，而64bit DDR3理论带宽可达到5GB/s@312MHz，可以流畅支持65英寸的大尺寸屏和分辨率为2048×1536的超高分辨率屏。

A31还拥有完善的功耗管理系统。该芯片配备了一颗专门为四核处理器量身打造的智能电源管理芯片AXP221，可实现智能、高效、精准电源管理，保证超长续航能力。AXP221在单芯片上集成了供电管理、充电管理和检测系统电流、电压、温度等全面电源管理功能，其技术规格在业内来说是非常领先的。在该电源管理芯片的配合下，A31能支持30天待机、100小时音乐播放、10小时视频播出、8小时网页浏览。除此之外，AXP221能提供高达2.2A的充电电流，与其他只能1.xA充电电流的方案相比，可提高一倍以上的充电速度，使移动设备充电时间大大减少。