什么是片上系统（SoC）?关于智能手机芯片组 你需要知道的一切
科技狂热者总喜欢谈论个人电脑、游戏机以及最新款智能手机的处理能力和芯片。我们在网站上做了大量的工作，深入报道了ARM、华为、高通、三星、联发科技以及其他公司最新的处理器。对于外行来说，这些话题充斥着行话以及抽象的观点，这些就像是一堵墙，甚至让他们无法理解诸如“什么是SoC？”之类的基本问题。
你可能需要花费数年的时间来研究芯片设计的细节，但如果你只是想了解下你可能要购买的产品，那这样做就不太理智了。今天，我们给初学者带来了福音，我们会用尽可能少的“科技术语”来讲解现代智能手机芯片的来龙去脉。
到底什么是SoC?
Snapdragon SoC的组成模块如上图所示。
SoC就像智能手机的大脑
将多个组件集成于一个芯片上可以节省空间、降低成本和功耗。本质上讲，SoC就像是智能手机的大脑，它可以处理诸如Android操作系统运行以及检测你按下关机键等等这些操作。SoC也可以连接到其他组件，比如摄像头、显示器、RAM、闪存等等。下面列举了你可能会在智能手机片上系统（SoC）中见到的常见组件。我们将在后文中介绍其中的一些重要内容。
•中央处理器(CPU) —— SoC的“大脑”。运行Android操作系统以及大多数应用程序中的大部分代码。
•图形处理单元(GPU)——处理与图形相关的任务，例如应用程序用户界面的可视化以及运行2D/3D游戏。
•图像处理单元(ISP)——将手机摄像头的数据转换成图像和视频文件。
•数字信号处理器(DSP) ——处理比CPU运算中更难的数学运算。包括解压音乐文件和分析陀螺仪传感器的数据等。
•神经处理单元(NPU)——用于高端智能手机，以加快机器学习（AI）进程。其中包括语音识别和图像处理。
•视频编码/解码器——实现视频文件和格式的节能转换。
•调制解调器——将无线信号转换成你手机可以处理的数据。其组件包括4G LTE、5G、WiFi和蓝牙调制解调器。
最后，当我们谈论SoC的时候往往会提及其制造过程。其加工工艺一般是用纳米（nm）来衡量的。通常，加工时纳米尺寸越小，SoC内部线路就会越精密，这对提高芯片的功效以及缩小芯片面积是很有帮助的。不过不同的制造方法直接比较起来会比较困难。在本文撰写时，5nm已经是加工智能手机片上系统可使用的最小制造工艺了。
片上系统（SoC）举例
上文我们简要地了解了什么是SoC，下面，简单聊聊 SoC 的具体生产厂家以及产品类别。在智能手机领域，高通、三星半导体、华为的海思科技和联发科技是该行业的四大巨头。你的智能手机里很可能就装配了其中一家公司生产的芯片。
高通是最大的智能手机片上系统（SoC）供应商，其为大多数旗舰机、中端机甚至低端智能手机提供芯片。高通片上系统（SoC）的品牌名为骁龙。该公司宣称其最先进技术被用于骁龙 800系列的生产，比如最新款骁龙 888。而中端、超中端SoC则分别以骁龙600系列和700系列命名，比如支持5G连接的骁龙 765。而低端产品则以400以下的系列命名。
三星的Exynos SoC也有类似的高端、中端和低端的分级。这些在之前被分别列为Exynos 9900、9800和9600系列，其中Exynos 7000系列产品是最低端的。然而，目前三星最新款高端芯片是Exynos 2100，而Exynos 1080则是5G中端芯片。
之前三星的Exynos系列的命名方式与华为非常相似，但现在却不同了。麒麟9000是华为最新的旗舰芯片，有4G和5G两种版本。而麒麟600系列很像骁龙600系列，是为便宜的智能手机提供的中端产品。最后，联发科技的Helio系列产品则涵盖了从价格实惠的P系列到专注游戏的G系列等产品。其最新的旗舰系列是Dimensity 1200，紧随其后的是Dimensity 1100。
一切始于CPU
您可能会对“处理器”这个术语很熟悉，因为在此类话题中，人们经常将其称为CPU。CPU是最常用的处理器类型。它十分灵活，可以处理各种任务。因此，CPU负责运行着Android操作系统和应用程序，甚至还负责同步部分SoC内部处理器之间的数据。
简要介绍一下，CPU通过预测单元、寄存器和执行单元来实现其运作，这就是所谓的CPU架构。寄存器通常以64位数据的格式储存数据或者读取内存。执行单元使用一个或多个寄存器执行某些操作，例如读写内存或执行数学运算等。CPU可以同时使用多个执行单元，每个执行单元需要一两个时钟周期来完成其功能。
CPU非常灵活，可以处理各种各样的任务。我们可以通过改变周期间隔(以GHz为单位)、内核数量，或者改变底层架构使其在每个循环周期内执行更多操作来改变其性能。后一点通常被称为构建“更宽”或“更大”的CPU，这就是苹果手机芯片能如此强大的原因。然而，这些构建也需要在功率和效率之间进行权衡。
智能手机片上系统（SoC）中的CPU有多种类型，但都是基于ARM的CPU架构来制造的。ARM最新的CPU核心是big Cortex-A78和Cortex-X1，以及little Cortex-A55。智能手机的CPU通常采用8核配置，强大的内核可用于高配置要求的应用，而具较小功率的内核则有较长的电池寿命。
集成显卡
除了CPU之外，图形处理单元(GPU)是集成在手机SoC中的另一块传统数字处理硬件。GPU远没有CPU那么通用，因此其设计也不尽相同。它们可以循环往复地进行函数运算，这比普通的CPU要快得多。要知道，你的1080p屏幕上有数百万像素需要填充，当你运行一个应用程序或你最喜欢的游戏时，每一个像素都需要进行计算。
大多数图像操作都是反复重复的，以填充你屏幕上的所有像素点。因此，图形处理器（GPU）被设计为可以一次性在大量数据上进行大量数学运算的硬件。
与CPU每个周期执行一到两个操作不同，GPU在每个周期会执行数十个、数百个甚至数千个并行操作。这取决于GPU的大小和设计性能。
Android SoC领域的两大GPU品牌是ARM公司的Mali和高通公司（Qualcomm）的Adreno。两家公司都提供了更大和更小版本的GPU技术，并将旗舰芯片配备在了其最强大的3D游戏硬件中。高通公司没有过多地介绍Adreno的内部构造，但我们对Mali却了如指掌。你可以在这里了解到最新Mali GPU的构架。苹果公司也有属于它们自己的用于iPhone SoC的图形处理单元(GPU), AMD也很快将与三星的Exynos片上系统合作，并进军GPU行业。
好的相机离不开好的处理器
人们越来越看重智能手机的拍照能力。虽然高端的传感器以及镜头是必不可少的，但强大的图像处理能力也同样尤为重要。来看看谷歌Pixel 4中简单的相机硬件配置就知道了。
虽然图像编辑和调整通常是在CPU和GPU上完成的，但在将图像保存到手机之前，相机传感器内的数据是需要进行大量运算处理的。图像信号处理单元（ISP）是专门的数字信号处理（DSP）单元，它处理常见的成像任务，如拜耳转换、聚焦、去马赛克、锐化和降噪等。换句话说，它可以将相机传感器中的数字信息转码成漂亮的图片。
后两者在智能手机中尤为重要，因为有些价格便宜的手机往往会因为过度渲染图像而导致其细节模糊。而在高端领域，华为麒麟990是首款具有单反级块匹配（DSLR-grade block-matching）和3D滤波(BM3D)降噪的片上系统（SoC）。这给华为Mate 30 Pro和华为P40系列带来了很好的效果。高通公司还在新一代旗舰芯片中推出了它们自己的计算摄影功能，可使智能手机能够在4K视频中实时应用bokeh blur软件。
但最重要的是，精美的图片需要强大的图像处理器支持。
下一代人工智能（AI）处理器
诸如神经处理单元、人工智能处理器或机器学习核心此类的术语通常是可以互换的，它们在现代智能手机片上系统（SoC）中的含义都是一样的：指专门用于对神经网络常用数学算法进行优化的处理器。
就像GPU是用于图形数学优化的处理器，ISP是用于图像任务优化的处理器一样，网络处理器（NPU）是专门为运行神经网络和机器学习而设计的处理器，它比CPU更快、更高效。NPU也有自己的本地储存单元，而不必使用较慢的RAM，，以提高执行速度。
神经网络通常对多个输入数据进行运算，而输出单个数据。这种多重累加运算特别流行，常用于大小为16位、8位甚至4位的各种数据。其处理的数据类型以及所使用的方法与CPU大相径庭，尽管其有些操作可以在灵活的GPU上加速。
NPU是最新的一款可以集成到SoC中的专用处理器。虽然现在这种技术大多只用于旗舰芯片中，但它已迅速向着更廉价的芯片组和手机发展。
4G和5G调制解调器可实现更快的数据传输
现代智能手机片上系统（SoC）的最后一个组件就是数据调制解调器，它使你可以从运营商那里访问数据网络。不同的调制解调器决定了你数据连接的速度和质量。现如今最强大的调制解调器下载速度超过1Gbps。也有用于Wi-Fi和蓝牙数据的调制解调器，但目前我们更关心的是4G和5G调制解调器。
作为基本要求，最近所有的智能手机都称其SoC内部集成了4G调制解调器。这意味着4G调制解调器是位于SoC内部的。而第一批用于智能手机的5G调制解调器却是外接的，这意味着它们必须与主片上系统进行连接才能使用。这种方式虽然能效较低，但更容易使手机达到高性能，并在5G网络向更多消费者推出的同时，为制造商们提供更多的灵活性。
集成5G调制解调器及其性能现在都已经有了。高通、三星和华为的旗舰处理器都配备了集成调制解调器，可同时支持sub-6GHz和5G毫米波5G。2021年的旗舰5G手机都将配备集成调制解调器，以提高数据速度峰值时的能效。
更多关于智能手机SoC的信息
手机爱好者们总喜欢比较CPU和GPU的规格，但随着其性能的成熟以及新功能的需要，这一点变得越来越不重要了。智能手机片上系统（SoC）越来越不仅仅关注某单一功能，而是集中更多精力在实现运算处理功能的异构算法上。也就是说，选用最高效的处理器去处理当前任务。
如今手机要处理的数据量比以往任何时候都要多。因此，芯片内的专用处理器数量也在不断增加。从几年前配备最基本CPU和GPU组件，到如今集成了DSP、ISP和NPU各大组件。随着手机安全性的提升、机器学习和5G技术的进步，这些之前很少被提及的部件只会变得越来越重要。
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