Android代名词 Tegra 2处理器全解析2010-12-28 11:36:06 来源: 小熊在线(北京) 跟贴 0 条 手机看新闻Android系统的代名词：什么是Tegra 2
Android一词的本义指“机器人”，同时也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称，该平台由 操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，号称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件。今天Android是目前最火爆的手机操作系统，而 NVIDIA的Tegra 2芯片目前似乎已经成为了高端Android系统的代名词。 NVIDIA Tegra是由NVIDIA开发的系统单芯片系列产品，替代之前的GoForce系列。主要用于手持式装置，如智能手机（SmartPhone）、移动上网装置（MID）等。 每个 Tegra 内建ARM架构的处理器核心、基于GeForce的图形处理器、音效处理器、北桥芯片、南桥芯片和内存控制器置入一个单一的软件包。由于不支持x86，所 以不能运行Windows操作系统，但ARM架构的耗电率则较低，可选择运行Windows Mobile操作系统，或者Android操作系统。nVIDIA将此芯片定位用于移动上网装置或者智能手机。 在第一代Tegra产品发布的时候，由于NVIDIA的经验不足，只能够专注于一种操作系统。所以，NVIDIA选择与微软合作。例如Zune HD就利用了Tegra芯片。之后NVIDIA不再专注于一种平台。所以，第二代的Tegra已经可以支持Android。一般认为Google可以借助 NVIDIA Tegra芯片的性能，来提高Android产品的质素，使之可与苹果的产品相竞争。现时，Tegra的主要对手是高通和德州仪器的产品。浏览器方面，nVIDIA与Opera合作，可以加快网页的加载速度，更提供动画效果。究竟Tegra 2有着怎样的强大性能？小编认为：每一个热衷Android系统的爱好者，都应该认真阅读这篇文章。
Tegra 2诞生的半导体行业背景 对于NVIDIA来说近年来的发展非常坎坷，无论是显示芯片还是主机板芯片组都受到来自竞争对手的极力打压。AMD收购了ATi，使得NVIDIA 无法再为AMD开发高效能的芯片组。Intel又利用新一代Nehalem架构，彻底封死了NVIDIA的主板芯片组业务。而在显卡方面昔日的老战友 AMD也俨然成为了最有威胁的劲敌。感觉NVIDIA在全球半导体业界的生存环境可以用探索的那个节目《荒野求生》来形容。NVIDIA有过造x86处理 器的念头，可无奈主流的x86处理器专利都在AMD和Intel手中。由此NVIDIA最终选择了ARM微处理架构。 ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的 特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个 厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。 2010年1月7日，NVIDIA正式发布了Tegra 2方案。新一代处理器采用台积电40nm制造工艺技术，其功耗管理相当到位，它要比Intel Atom处理器低许多。通过HDMI可以支持全高清视频输出。支持许多移动设备操作系统，包括：Windows CE，Windows Mobile，Android，Chrome OS等等。为何NVIDIA选择了ARM，选了推出这样一款嵌入式的处理器呢？
这是NVIDIA对于Tegra SoC芯片的未来市场行情分析图表。仅仅在2010年，NVIDIA估计整个市场就会有40亿美元的巨大空间，到了2011年将会增长到60亿美元。而到 了2013年，整个基于SoC系统级芯片的市场将突破100亿美元。比起个人电脑市场来说，这个蛋糕显然更加具有诱惑力。
Tegra 1代芯片 NVIDIA Tegra2核心初窥 要想在这个市场中竞争，你就需要有一颗性能强大的芯片。近日NVIDIA发布了Tegra的第二代芯片。这是一颗功能非常强大的芯片，从下面的芯片结构图中我们可以一窥端倪。
Tegra2核心架构图 从图中，我们可以看到这颗小小的SoC芯片中，有8个独立的处理核心单元，我们可以比较，以前的一代Tegra仅有7个处理核心单元。也许你已经猜 到了，多出来的是一个ARM Cortex A9处理核心。ARM Cortex A9的工作速度高达1GHz。我可以告诉你iphone 3GS手机中使用的是速度超快的ARM Cortex A8处理器，它给iphone手机带来了前所未有的性能体验。由此你可以想象，ARM Cortex A9将会有怎样惊人的性能表现。 曾经的Tegra使用的是ARM 11核心，它是一款具备多核心处理能力的芯片。现在为了能让Tegra芯片的处理性能更为强大，NVIDIA彻底的革新了整个计算架构。可以说ARM Cortex A8是一个相当省电的处理器，不过在同样的功耗下，ARM Cortex A9的性能表现将更加出色。 以前的Tegra采用的是65nm制造工艺技术，由台积电进行生产。而现在的Tegra2采用的是台积电40nm制程。新的制造工艺技术，使得芯片 的体积可以进一步收缩，同样尺寸的芯片可以填充2倍多的晶体管数量。Tegra2是一个非常复杂的芯片，它具备2.6亿个晶体管。芯片核心面积为49平方 毫米。事实上，音频部分占据了很大一部分面积，而上文提到的2个A9处理单元仅仅占用了10%的核心面积。最初的Tegra2芯片将采用的是一个标准的 8.8mm的BGA封装，它可以安装在普通的PCB板上。而未来的智能手机版本将会使用更小尺寸的封装技术，这样可以更加节省空间。 Tegra2：霸道的图形处理能力
Tegra 2拥有每秒7100万三角形的生成能力。其峰值填充率与Z缓冲过滤可以达到1200万像素每秒。同时还具备高级可编程的像素着色引擎。此外Tegra 2还具备可编程的顶点和光照引擎，同时支持CSAA覆盖采样抗锯齿能力。
GPU的纹理分辨率支持4K*4K和2K*2K像素。具备高级2D和矢量引擎。最高可以实现1680 x1050分辨率的输出，具备24bit真彩色位。同时它也支持并行TTL显示器和最大120MHz像素时钟智能显示。 它支持HDMI 1.3规范，支持1080P输出，支持数字音频支持VGA或者LVDS，以及各种包括1080P在内的高清格式。 Tegra2是苹果A4性能的：2.5X 在苹果的iPad、iPhone4和最近发布的itouch 4中使用了自家研发的A4处理器。其主频达到了1GHz。它是一颗基于Cortex A8架构的处理器。而NVIDA的Tegra 2，则采用的1GB的双核心处理器设计。Tegra 2的每秒7100万三角形生成能力究竟有多强呢？举例来说，苹果A4处理器使用的是显示核心是Power VR SGX 535，这颗芯片的三级凹形生成能力仅有2800万。三星的，Galaxy S i9000和Google Nexus S都使用的是Power VR SGX 535显示核心。
由此可见Tegra 2的三角形生成性能，是苹果A4的2.5倍。同样的手机如果换用了Tegra 2芯片的话，起码在图形方面性能会提高2.5倍之多。这对于广大的手机厂商来说，确实是个福音。最初采用Tegra 2方案的手机是LG的Optiums 2X。在网络中已经有人发布了LG Optiums 2X对决Google Nexus S的视频。你会发现他们之间确实有2X的差距。 Tegra2：强大的音频处理能力 下面介绍的一个处理单元是音频解码核心。NVIDIA在2007年的时候，用3.5亿美元收购了 PortalPlayer公司。要知道苹果顶顶大名的ipod前五代的整个音频子系统都用的是PortalPlayer的芯片。有了 PortalPlayer公司强大的技术支持，它为NVIDIA贡献了许多良策，NVIDIA可以更好的构建SoC芯片，提供更优秀的音频解码器。由此显 然Tegra 2有了一个非常强大的音频解码核心，NV声称在播放MP3时，整个系统的功耗将低于10毫瓦。做到这个地步是非常不容易的。微软的Zune HD播放器可以实现33小时的高品质MP3播放，而苹果的ipod可以实现30小时。无论怎样这些超长的工作时间都离不开NVIDIA的Tegra芯片。 由此我们相信Tegra 2可以作的更好。
整个数字音频产品是源自1995年，因此到了2010年，实现音频的解码并不是一件难事。接下来我们要介绍的两个处理单元是视频的编码与解码。NVIDIA声称在编码端可以加速1080P H.264编码。而一代的Tegra仅仅可以支持720P的分辨率。
视频编码与电源功耗管理 视频编码方面，NVIDIA一直认为是他们的重要优势之一。Tegra的视频编码处理单元可以实现高达每秒10帧的1080P H.264加速能力。尽管三星电子声称他们提供的Cortex A8 SoC芯片可以支持1080P分辨率。但事实上3GS版本的iphone，其解码芯片只能提供480P分辨率的H.264解码。NVIDIA坚信，在 1080P解码方面还没有任何一家公司的解决方案能达到他们的功耗效率比。Tegra在1080P解码时，其功耗低于100毫瓦。NV声称其他1080P 解码方案的功耗至少要开到1W，因为许多运算还要依赖于CPU运算才能完成。对于整个系统来说会支出许多额外的附加运算。从另一个方面讲NVIDIA的方 案也是最经济的，它有着难以想象的轻处理器资源占用率。处理器的资源占用率比PowerVR SGX的硬解码方案还低，而Tegra方案整体的功耗表现还要更低。
上文中我们介绍了两个ARM Cortex A9处理单元，音频处理单元，视频编码和解码单元。下面我们来介绍第五个重要的处理单元——图像信号处理单元。换句话说，这个处理单元是负责手机的静态、 动态拍摄功能。看到他支持的规格，你也许会吓一跳，它支持高达1200万像素的图像传感器。可以支持自动白平衡，自动对焦，和一般视频处理。无论是静态图 像还是动态图像，它都可以支持。并且可以将这些信息输出到下一个重要的处理单元——Tegra 2的GeForce图形处理芯片。 NVIDIA并没有过多的提及Tegra的图形处理核心，因为这是他们自己设计的。NVIDIA证实，在Tegra 2中，只有两个ARM处理核心来自第三方，其他都是他们自己设计的。如果你想知道Tegra2的3D图形效能究竟有多强，我要告诉你，在它上面可以运行虚 幻3引擎。
Tegra运行大型3D游戏 LPDDR2：双倍内存带宽 在Tegra2的GPU架构与Tegra1相类似，同样都支持OpenGL ES 2.0。只是性能有更多提高。NVIDIA预计，Tegra2将有2至3倍的性能提升，有更高的内存带宽和更高的时钟频率。以前的Tegra仅仅支持 LPDDR1，而现在的Tegra2支持LPDDR2。在微软的Zune HD中的Tegra SoC芯片中，支持一个32bit 333MHz的LPDDR1内存总线。因此它的带宽为1.33GB/s。而在Tegra2中的内存带宽是Tegra1的两倍。
Tegra一代使用LPDDR1内存 NVIDIA认为，Tegra2是一颗有着更高的内存带宽的SoC，它可以提供更好的游戏性能，可以为软件的运行提供更快的装载速度。NVIDIA 在图形业界是王中的王者，因此我们有理由相信，他们在移动图形领域也会称王称霸。在手机上运行QuakeIII时，Tegra1能够顺畅的实现720P分 辨率，帧率超过40帧。相信现在还没有一款手机能达到如此高的性能表现。 像是Tegra1一样，Tegra2也有一个ARM 7处理器，它是一颗管理控制芯片。负责管理数据流，电源管理，和其他类似的任务。
你也许会注意到一件事情，NVIDIA的Tegra2中没有调制解调器。确实如此，NVIDIA就没打算在Tegra2中集成它。NVIDIA的理 念非常简单，他们要专注于具备计算功能的SoC芯片研发，不需要入网许可证或者FCC测试。OEM厂商如果真的有需要，Tegra2可以支持第三方调制解 调器，或者根据需要集成该功能。这样做可以赢得更快的上市时间。另一方面，因为世界上有许多不同的无线网络，他们使用了大大小小许多种通讯协议。如果针对 所有网络设计出调制解调单元是不现实的。因此我觉得NVIDIA的这种做法还是相当有意义的。并不是每一个采用Tegra2方案的设备都是智能手机，也许 还会有许多其他移动设备。如果加入额外的调制解调单元，就会使产品整体成本上升。无论是厂商还是消费者，都不愿意看到这样的事情发生。 Tegra2处理核心：ARM Cortex A9架构解析（上） 虽然NVIDIA对于GPU的架构谈的不多，但是他们更喜欢谈论ARM Cortex A9。首先我们先来看看这些微处理器核心管线之间的差异。ARM11核心在2003年推出，它采用的是单条8阶层管线，可以进行浮点运算。而ARM Cortex A8在2005年发布，管线阶层翻了一番。A8具备两条执行流水线，每一条具备13个阶层。更深层的处理管线，可以增加芯片的频率空间。而两条执行管线设 计可以增加每个时钟周期的效率。
现在的ARM Cortex A9，执行管线的级数回落到8层。它仍然是双执行管线设计，也可以乱序执行指令。而在频率方面，ARM Cortex A9也有较大进展，德州仪器发布的A9处理器频率从750MHz到1GHz之间。这也就意味着NVIDIA的Tegra2将运行在1GHz的频率上。根据 ARM的透露，ARM Cortex A9处理器在台积电的40nm制程下，可以达到2GHz的运行速度。不过真正消费级的2GHz芯片，可能要等到28nm制程才能量产。 ARM Cortex A9会比A8有着巨大的飞跃。这有两个方面的原因。第一，A9比A8具备更浅的管线阶层，这就意味着每个时钟周期可以作更多的任务。它有着一个设计更为先 进的执行引擎，这使得它每个时钟周期可以执行更多任务。在相同的时钟频率下A9可以完胜A8。根据ARM公司透露的数据，主频为1GHz的A8可以提供 2000 DMIP的处理能力，相当于每个MHz提供2 DMIP。而A9可以达到2500 DMIP，即每个MHz可以提供2.5 DMIP。
上面提到的仅仅是单一A9核心的性能增幅。但是NVIDIA采用了40nm制造工艺技术之后，一颗SoC芯片多出来的晶体管空间足够放下2个A9处 理核心。这就是NVIDIA最先做的事情。两个A9处理单元可以多线程的执行代码，你可以试想一下他会比iphone 3GS的处理性能高出多少？ Tegra2处理核心：ARM Cortex A9架构解析（下） 同时，较浅的管线阶层数量，也有助于降低功耗。这对于移动设备来说是格外重要的一件事情。超低的功耗表现和更优秀的电源管理会对未来的移动计算设备带来深远的影响。
每一颗ARM Cortex A9处理核心都有自己私有的L1高速缓存，他们可以存储指令和数据。像A8一样，带有64KB的L1高速缓存，指令和数据各有32KB。所有核心可以共享 芯片上的L2高速缓存。共享L2是非常有必要的，尤其是这种双核心的设计。这个架构的L2容量最高可以扩展到8MB。这听起来有些夸张，我预期的容量是 256KB到512KB之间比较合理。而L2也可以以处理器的时脉速度全速运行。 这里我们会看到Tegra平台的进化历程，这似乎和台式机处理器的发展历程有些类似。只是目前它的规模要小的多。就像是奔腾和赛扬一样，ARM公司从A8到A9的发展历程中，也渐渐将处理器市场划分的更细致，处理器的品种越来越丰富。 不同于以前的Pentium Pro，今天的世界发生了许多变革。多线程的代码更为普遍。因此我们也看到了ARM开始推出更强的具备多核心处理能力的处理器。从技术上讲ARM11也可 以用户多核心环境，只是现在还没有看到这样的应用方案。技术NVIDIA要在Tegra中集成多个ARM11处理单元，但它最终也会发被封装在一颗SoC 芯片中。但是ARM Cortex A9将改变这一切，NVIDIA是第一个实现了双核心设计的芯片方案。在智能手机应用高速发展的今天，它确保我们能够通过小小的手机屏幕同时执行更多任 务。为了智能手机能更好的处理多任务应用，你需要一个多核心的处理器。
对于ARM Cortex A9单核心版处理器来说，也是非常强大的芯片。ARM指出，A9是自ARM11以来最为伟大的一次升级。完全向下兼容现有代码，它具备非常小巧的芯片核 心。大部分ARM11采用的是130到40nm制程，所以单核心的A9就可以作的非常小巧。同时A9将具备更强的性能表现。 NEON：ARMD的多媒体扩展指令集
在发布ARM Cortex A8的时候，AMR也发布了自己的向量浮点指令集，它的名字叫做NEON，你可以简单的把它看做是ARM世界的MMX、SSE或是3Dnow!。ARM Cortex A8处理核心中包含了NEON，但是ARM Cortex A9中包含了ARM FPU浮点运算单元或NEON。这个FPU是基于ARM Cortex A9设计的，它看上去就像是单核心的执行能力的ARM11。这个FPU将比NEON单元更加小巧，这就意味着它更加节省成本，更加省电。
苹果iPhone 3GS采用的三星S5PC100处理器正是基于ARM Cortex-A8参考设计方案，最高速度可达833MHz，不过实际运行频率降低到了600MHz.三星这颗新处理器代号“Hummingbird” (蜂鸟)，采用45nm低功耗低漏电工艺制造，由ARM NEON多媒体扩展器、32KB数据和32KB指令一级缓存、可定制大小的二级缓存等模块组成，能在1GHz频率下提供2000MIPS。
NEON就是霓虹灯的意思，这下你知道它有多绚丽了吧 Atom 对决 Cortex A9 Intel在2008年，推出了主打低功耗和移动计算领域的Atom平台。以进军嵌入式市场领域，而ARM也看到Intel来者不善，想要通过 Cortex A9来进一步提高ARM处理器的性能表现。尽管这两个阵营的处理器产品有许多区别，但是Atom和Cortex A9都同样是非常先进的移动处理器。 在Atom执行流水线的前端，有2个解码单元，他们负责将内存读取来的指令都解析成处理器的内部指令再加以处理。这与Cortex A9非常类似，A9的指令列队也有2个解码器。
Intel Atom架构图 这两种结构都有一个统一的指令列队，和4个指令入口。Atom的FPU单元（用来执行SSE或者其他浮点操作）有2个指令入口，AGU、ALU单元有2个指令入口。而Cortex A9中，有2个ALU指令入口，一个FPU/NEON指令入口，和一个AGU指令入口。
ARM Cortex A9架构图 Atom的两个产线程可以共享资源，同时执行指令。而Cortex A9的优势在于具备较浅的管线阶层，具备很高执行效率，另外还具备乱序执行的能力。二者这样独特的设计，都是为了提高处理器的执行效能。但是实现的方式却 非常不同。不过总体看来，如果ARM的时钟频率能达到Atom的等级，那么相信它的性能会更高。 Tegra2：平板电脑的完美解决方案 第一款，Tegra2是ICD在2010年初的CES上推出的。ICD是一家国外消费数码厂商，继 此前推出的磁性笔触摸屏Vega平板本之后，该公司近日又发布了一款更为有趣也更为强悍的Tegra平台平板电脑，这款产品叫作Ultra。外观酷似巨型 苹果itouch。据透露，ICD Ultra是一款7英寸PC，它采用了Nvidia的Tegra T20芯片组，内置了512MB的DDR内存和512MB的NAND闪存，并且配备了4GB不可移除的SD卡，另外它还可以通过额外的MicroSD插槽 进行容量扩展。
这看上有点像是苹果的iPad 比较有趣的一点在于，ICD Ultra为用户提供了130万象素的网络摄像头，并且它还可以支持FM收音功能，同时它还配备了HDMI高清输出接口和3.5mm耳机孔，最后它还支持 加速计功能。ICD Ultra平板PC的网络通讯功能比较出色，它可以支持3G、802.11b/g以及蓝牙等功能。另外ICD Ultra预装的是Google Android 2.0 Eclair操作系统，其外形尺寸为186mm×158mm×18mm，看上去相当薄。另外IDC将会提供不同屏幕分辨率的Ultra版本，用户可以选配 800×480分辨率或者1024×600分辨率的电容式或者电阻式触摸屏。
万利达Zpad、Galaxy Tab 2、还有东芝的Folio100都采用的是Tegra2方案 在2011年，有不少厂商将会采用Tegra 2 来做Android的产品。宏碁发 表一堆平板时，是用Tegra 2平台。近来LG手机Star也是采用T2，然后Nvidia在几天前也在推销双核Tegra 2。Google将以Tegra 2做为Android Honeycomb，也就是Android 3.0版本的开发参考平台这件事脱不了关系。有了Google的金牌认证，让Tegra 2在业界成了烫手的山芋。现在又传出三星下Tegra 2大量订单，将于明年上半年供货。若这件事为真，自然是用于手机以及平板上。 Tegra2也有强劲的竞争者 目前ARM Cortex-A系列处理器核心的授权用户已经有十几家，预计到2013年可占据移动应用处理器市场的一半左右，独立和嵌入式手机应用处理器市场总价值也将从2008年的20亿美元增至2013年的61亿美元，年复合增长率25％。但是……Tegra2也并非是=Cortex A9双核心一枝独秀…… 2010年8月中旬，德州仪器在海外媒体上宣布，将于今年年底推出一款用于智能手机与平板电脑的双核芯片型号为OMAP4430。目前的单核OMAP4430使用的是45nm技术制造，据介绍新款双核OMAP4430将转为28nm工艺，更好的实现产品低功耗。 这颗芯片是用来替代现有的3630和3430，成为未来高端智能手机芯片。而3630则会引向低端，成为主流智能手机芯片。OMAP 4440最大的特色就是采用双ARM Cortex A9核心，运行频率为1.5GHz。内部采用PowerVR SGX 540显示核心，运行频率为1GHz。两颗9A处理核心共享一个1MB的高速二级缓存。带有2个32bit的LPDDR2内存控制器。其内存总线可以支持 高达400MHz的时脉。这相当于以前3630芯片4倍的带宽，这意味着OMAP 4440将有更好的CPU和GPU表现。 OMAP 4440将可以使Web浏览等应用的性能得到显著提高。至少会比现有的A8处理器性能改善50%以上。而OMAP 4440中使用的是PowerVR SGX 540 GPU源自于三星的蜂鸟SoC芯片。未来德州仪器公司计划转为28nm技术，这将为芯片带来更低的功耗。
ARM大战就在2011年 从你读到这篇文章起，就宣告着ARM11和Cortex A8被ARM叫回家吃饭，新一代Cortex A9处理器即将接任。NVIDIA并不是唯一一个提供Cortex A9解决方案的厂商。德州仪器的OMAP 4也会集成一对A9。这里我们有理由相信NVIDIA的能力，Tegra2的性能绝对不用怀疑。至少它会比iphone 3GS快上许多。在2011年会有许多采用Tegra2的平板电脑或者手机出台，同时你也可以看到姜饼如何大战蜂巢，Tegra2如何与OMAP4440一决高下。 android在中国的前景十分广阔，首先是有成熟的消费者，在国内，android社区十分红火，这些社区为android在中国的普及做了很好的推广作用。国内厂商和运营商也纷纷加入了android阵营，包括中国移动，中国联通，中兴通讯，华为通讯，联想等大企业，同时不仅仅局限于手机，国内厂家也陆续推出了采用android系统的MID产品。搭配高性能的Tegra2更可以让这款开源的操作系统得到有力的硬体支援。由此可见NVIDIA移师SoC的移动处理器市场，显然比显卡和x86 CPU更有前途。
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