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标题: 转：tegra2设计以及功耗分析 [打印本页]

作者: 66666 时间: 2010-6-5 09:10
标题: 转：tegra2设计以及功耗分析
如果大家看過前兩篇ARM應用處理器的概述，應該會對ARM核心的基本架構與應用有了相當程度的認知。而本系列文章也將前進到另外一個階段，從本週開始，筆者將從實際產品著手，介紹在手機產品中著名的應用處理器架構，當然，如果大家有興趣知道其他應用架構，或有其它問題，歡迎留言指教，筆者會在之後的專欄中為各位解答。

講到NVIDIA，大家對其最印象深刻的就是顯示晶片了，這十年來，NVIDIA的顯示晶片以超越摩爾定律的速度持續進化著，應用範圍也超越3D顯示，不僅挑戰傳統CPU的領域，如今，NVIDIA的招牌也開始出現在手機等各種嵌入式應用產品裡，也就是Tegra產品線。

本篇將會詳細介紹Tegra的基本結構，讓大家瞭解這款應用處理器究竟包含什麼特異功能、以及NVIDIA獨家的特色。

Tegra家族

目前Tegra包含了兩大產品線，也就是大家熟知的APX2500/2600與CSX600/650，APX是針對手機市場設計，至於CSX則是針對高階車用娛樂與導航、MID、netbook等較大型的設備而來。除了時脈與支援周邊的數量不同，其他都大同小異，1080p解碼已經是必備能力，高階3D繪圖效能更是NVIDIA引以為傲的特色。

一般來說，高效能其實等同於高功耗，這個情況過去在半導體產業屢見不鮮，系統商往往在省電和效能之間難以抉擇，即便是NVIDIA的顯示卡也避免不了。Tegra的解決方式很聰明，就是把各個功能處理單元的功耗設計完全切割開來，當需要個別處理能力時（比如說音訊處理、視訊解碼），就把其他用不到的部分關掉。不過它的細節並不簡單，我們稍後再述。

Tegra就像一般應用處理器一般，包含了CPU、繪圖、多媒體、IO、儲存控制等必備的基本能力。1代Tegra具有7個核心，2代則是因為導入雙核Cortex-A9，所以多了1個變成8個。當然，這樣的核心區分與定義，有時是為了宣傳方便（NV：你們看，我們家的Tegra隨隨便便也有7、8個核心，Intel的4核心算什麼？Atom的HyperThreading閃邊喘啦！），然而事實上，所有應用處理器的處理單元設計都大同小異，只是要看整合能力的多寡來取捨而已。我們以Tegra 一、二代為主線進行解說。

CPU核心：
這是一款應用處理器核心部分，Tegra一代是採用ARM11核心，二代則是改採雙核Cortex-A9，除了AMR11跟Cortex-A9以外，另外整合了1個ARM7，這個ARM7的功用非常特殊，與高通的MSM 7xxx中的次要ARM9核心有著完全不同的功能取向。

顯示核心：
這顆核心是NVIDIA最自豪的特色之一，Tegra一代架構上基於Geforce 6，具有兩個pixel shader units、兩個vertex shader units 以及兩個texture mapping units (TMUs)，最高咦鲿r脈為130MHz，每秒可以產生高達4000萬以上的多邊形與6億個pixel。當然，這是顆特別打造的GeForce 6，跟以前的市售產品差很多，整體速度大約是GeForce 6100（一個vertex shader、三個pixel shader，時脈425MHz）的一半。即便如此，也已經是Snapdragon繪圖核心速度的兩倍有餘了，也相當於Imagination前陣子所推出的PowerVR SGX545（時脈200MHz）。

Tegra二代中的繪圖核心與一代同樣是基於GeForce 6，不過速度比一代提高了兩到三倍以上，基本上這是透過時脈與記憶體頻寬增加而得來的，架構並沒有改變。即便如此，也已經可以在FWVGA解析度上流暢的執行Unreal 3（Tegra一代為Quake 3）遊戲。不過，對於高階遊戲玩家，Tegra一/二代都可以另外附加包含GeForce 9功能以及部分CUDA能力的次晶片（sub die），達成更恐怖的計算能力。

搞不懂為何要另外增加這個晶片？想像一下，整合Tegra 2的NDS HD遊戲機，隨身攜帶時，可以只啟動內建的GeForce 6核心，在FWVGA解析度下遊戲時間可以長達2、30個小時，如果接上基座（內建光儲存媒體的dock station），連接到電視螢幕上，就可以啟動GeForce 9晶片，加上CUDA的平行計算能力，變身成為Wii HD，享受超越PS3的3D效果。當然，這只是合理推論，不準不要罵我…:P

圖形處理核心：
這個部分是負責執行2D圖形顯示以及照相機的功能，連接外部顯示器時，可以提供超過SXGA的解析度，照相機功能最高可支援達1200萬畫素。

HD影像編碼核心：
一代Tegra中，給手機使用的APX 2500/2600並沒有包含這個核心，而是在高階的CSX650才有，在Tegra二代產品線目前還不明瞭。不過目前看來，應該是全線都會支援這個編碼核心。一代中CSX650僅支援到720p影像的即時編碼，Tegra 2的HD影像編碼核心則是提供了1080p H.264的即時編碼能力，不過不清楚可以支援到什麼profile。

HD影像解碼核心：
這個核心在所有的Tegra產品線上都有，不過能力不一，比如說APX2500/2600、CSX600就被限制在720p，CSX650和Tegra二代都能夠達到1080p的解碼能力。值得一提的是，NVIDIA結合了部分硬體線路設計，而不是像高通採用DSP來解碼，因此不僅效率高，佔用晶片面積小，而且更為省電！硬體線路是執行解碼時負擔最重的部分，並且只內建最熱門的幾種編解碼標準（比如說可被H.264、MPEG-4共用的解碼邏輯，WMV及VC1可共用的解碼邏輯），讓CPU負擔減到最輕。當然，碰到他不支援的編解碼標準，還是只能用CPU硬上了。

音效解碼核心：
NVIDIA在2007年的時候，用3.5億美元收購了PortalPlayer公司。要知道，蘋果鼎鼎大名的iPod一到五代，整個音效子系統用的都是PortalPlayer的晶片，基本上，這個音效解碼核心，是把過去PortalPlayer的音效處理晶片，剝離ARM的部分獨立而成。跟影像編解碼部分情況類似，大多數工作也是透過硬體線路處理。由於音效編解碼的處理負載小，且各種編解碼模式相當類似，因此即便支援主流音效格式，核心依然能夠維持的非常精緻，且效率非常高。加入預設的幾個預先定義的後處理（post-process）特效與EQ之後，就構成了完整的音效處理核心。

深入研究省電設計

前面提到，ARM7在Tegra之中扮演著非常特殊的角色，它主要負責網路通訊的負載、基本系統工作以及隨時監控系統正在執行什麼應用，並且根據目前載入的應用類型動態關閉用不到的核心。基本上，如果ARM11/Coretx-A9是大腦，那這個ARM7就相當於小腦，而且必要時還能接任大腦的工作。

比如說聽MP3時，ARM7就會接手負責音樂播放列表控制、部分內部儲存IO控制，從小腦變成大腦，並關閉除了音效解碼核心、音效IO（IO部分其實也可定義成為一個子系統，也可根據系統需求，動態開啟或關閉特定的IO回路，但是NVIDIA並沒有特別強調，因為沒人會關心IO在做什麼）以外的其他核心，此時的工作狀態，就有如完全沒有螢幕的iPod shuffle，加上預計有一、兩千mAh容量的電池助陣，想達到上百小時的音樂播放，可以說輕鬆之至！

依此類推，播放影片時，ARM7會則視影片複雜度決定自己上或由主CPU核心（ARM11或Cortex-A9）接手，同時開啟HD影像處理核心、音效核心、影像、音效輸出IO，在這樣的狀態下可以達到十幾個小時的連續播放時間。

最後，玩3D遊戲時，不需要的編解碼核心就可以全部關掉，由於處理器負載高，因此開啟最大咚阈?埽瑏K且開啟顯示核心與音效核心，ARM7則是在背景定時偵測咚銧顟B，如果遊戲咚阌锌障叮?热缯f遊戲暫停，就立刻忙裡偷閒，關閉目前空閒的部分，藉此延長開機時間。

結論

藉由高靈活度的核心設計與功耗調度控制，Tegra1/2達到了空前的效能與功耗表現，包括TI、高通在內的傳統DSP架構沒有人是對手。目前也成功導入包括MP3、汽車導航等多種嵌入式應用！NVIDIA在繪圖架構上還有許多發揮空間，比如說未來一定會把CUDA計算能力整合到Tegra中，進一步提高應用處理器的應用能力。不過，沒有整合3G模組，使得Tegra平台的成本與BOM cost在手機產品上沒辦法與高通競爭（高通：我…我的整合性還是最高啦！效能再高也沒用！能賣贏我再說吧！）不過在高階嵌入式應用市場，Tegra的應用延展性就明顯勝過高通了。

作者: 66666 时间: 2010-6-5 09:16
此文能看出几点

1. NV在功耗优先领域还是使用DX9性能晶体管效率最高的GF6构架

2. 与桌面显卡注重通用计算不同，tegra完全是专用模块化结构，每一个模块都对应一个应用，没有像高通德仪那样使用多用途DSP。

3. 除了GPU之外每个独立模块都可以独立运行只需要ARM7核心配合，其他模块在运行时可以关闭。

从这些可以看出NV为了低功耗采用的设计真的很独特

作者: gz_easy 时间: 2010-6-5 09:24
本帖最后由 gz_easy 于 2010-6-5 09:28 编辑

基于Tegra2+Android和Tegra2+WinCE6.0的平板都值得期待。

作者: foxroz2003 时间: 2010-6-5 11:26

此文能看出几点

1. NV在功耗优先领域还是使用DX9性能晶体管效率最高的GF6构架

2. 与桌面显卡注重通用 ...
66666 发表于 2010-6-5 09:16

DX9性能晶体管效率最高的应该是GF7架构，不过对手持设备上来说，GF6已经满足其性能要求，而且要重新设计图形核心花费的时间比较长，因此NVIDIA还是继续用GF6核心再稍稍提升频率。

作者: goodayoo 时间: 2010-6-5 11:39
它的前途决定于ipad 2代会不会使用它。

作者: 66666 时间: 2010-6-5 11:50

它的前途决定于ipad 2代会不会使用它。
goodayoo 发表于 2010-6-5 11:39

苹果以后主机只会是自己设计的芯片，所有第三方的东西都不可能用

平板机这市场很大，苹果料想也没办法一口吞下

作者: spinup 时间: 2010-6-5 11:52
这叫分析？一点数据都没有。

手机大佬们玩的arm都是以毫瓦计功耗的。几Wh的电池要维持几天的待机。tegra是多少？
其实tegra就是借用nv的gpu功力提升显示性能而已。手机大佬们是不舍得往芯片里塞高性能高功耗的gpu。只是现在遇到了平板机时代，显示屏的功耗大大增加，tegra增加的功耗不再起眼......恰逢其时尔。

作者: tomsmith123 时间: 2010-6-5 11:54
回复 7# spinup
还是很要命的，平板电脑，也要12小时的待机比较好，否则不如sub-note了。

作者: 66666 时间: 2010-6-5 12:02

这叫分析？一点数据都没有。

手机大佬们玩的arm都是以毫瓦计功耗的。几Wh的电池要维持几天的待机。tegra ...
spinup 发表于 2010-6-5 11:52

手机待机功耗更看基带芯片好不好，tegra功耗如果达不到手机要求微软还用来做手机？，要知道微软系统移植到TI和高通上可一点难度都没有

文中对于tegra在手机上为什么几乎没什么人用的最主要原因已经说很清楚，没有手机基带芯片专利的intel也会遇到同样的问题

高通和TI舍不得在里面加上高性能GPU跟他们能不能设计出高性能GPU是两码事，靠PowerVR？

作者: elisha 时间: 2010-6-5 12:05
作者很无知，楼主也一样

作者: spinup 时间: 2010-6-5 12:10

手机待机功耗更看基带芯片好不好，tegra功耗如果达不到手机要求微软还用来做手机？，要知道微软 ...
66666 发表于 2010-6-5 12:02

微软能用谁的芯片做自己的手机？

问手机大佬们“给我你们最好的芯片，我也要做手机来揍你们了"?

作者: 66666 时间: 2010-6-5 12:17

作者很无知，楼主也一样
elisha 发表于 2010-6-5 12:05

你说的话很符合无知这个词的概念，无知且无聊无料

作者: 66666 时间: 2010-6-5 12:20

微软能用谁的芯片做自己的手机？

问手机大佬们“给我你们最好的芯片，我也要做手机来揍你们了 ...
spinup 发表于 2010-6-5 12:10

。。。。。敢问那么多用WM的手机都是用的什么平台？

微软那款手机也是夏普代工的，tegra功耗达不到要求微软换芯毫无难度

作者: Edison 时间: 2010-6-5 12:40
Tegra 集成的 GPU 和桌面的系列完全不一样，不要瞎猜了。

说到耗电，ipad 只能维持 10 小时的视频播放，而基于 Nvidia Tegra 250 的 Adam 可以做到 16 小时，10.1 英寸屏幕，重量不过 650 克，这还是 WIFI + 3G 的版本（ipad wifi 是 680 克，WIFI +3G 是 730 克）。

http://www.viddler.com/player/5c7ac688/

作者: AFXIF 时间: 2010-6-5 12:44
过去的WM手机不是微软自有品牌，这回的KIN是，影响是不同的。
不过我认为高通德仪又不生产手机，也应该无所谓才对，三星什么的倒是可能不给。
tegra1的典型功耗是500mw，并不算好，里面有专用电路的缘故听MP3什么的还比较耐用就是了。

作者: tomsmith123 时间: 2010-6-5 12:54
回复 15# AFXIF
MS自己品牌的硬件产品，除了X360，恐怕还没有很成功的先例。
MS 自己的品牌也是两头怕，市场太好了，会把客户推向竞争者。

作者: whenever1 时间: 2010-6-5 12:54
我只说一句，这玩意儿现在就是高达，无法正常工作

作者: 梦游的猪 时间: 2010-6-5 13:06
繁体字与其说是分析，不如说是猜测+YY。

作者: Asuka 时间: 2010-6-5 13:20
搞不懂為何要另外增加這個晶片？想像一下，整合Tegra 2的NDS HD遊戲機，隨身攜帶時，可以只啟動內建的GeForce 6核心，在FWVGA解析度下遊戲時間可以長達2、30個小時，如果接上基座（內建光儲存媒體的dock station），連接到電視螢幕上，就可以啟動GeForce 9晶片，加上CUDA的平行計算能力，變身成為Wii HD，享受超越PS3的3D效果。當然，這只是合理推論，不準不要罵我…:P

.........................
这人缺乏基本常识

作者: Asuka 时间: 2010-6-5 13:21

此文能看出几点

1. NV在功耗优先领域还是使用DX9性能晶体管效率最高的GF6构架

2. 与桌面显卡注重通用 ...
66666 发表于 2010-6-5 09:16

作者基本在扯谈，你拿这个当论据是不行的

作者: xdyboa001 时间: 2010-6-5 14:10

作者很无知，楼主也一样
elisha 发表于 2010-6-5 12:05

你说的话很符合无知这个词的概念，无知且无聊无料

作者: Edison 时间: 2010-6-5 14:31
ipad 不支持 flash，大量的网页以及相关的应用根本无法正常显示。

例如 discuz 的批量附件上传是基于 flash 的。

Tegra 2 支持 Flash 的向量图形硬件加速，不仅仅是视频硬件加速，目前所知的其他处理器都不行，不能硬件加速的话意味着耗电增加。

作者: sowo 时间: 2010-6-5 15:34
Tegra 2做平板机应该比较有前途

作者: gz_easy 时间: 2010-6-5 16:37
Apple拒绝Flash等于无视数量巨大的用户需求同时伤透Adobe的心。

作者: hadeszhang 时间: 2010-6-5 17:21
很想找个T2的平板，但是好难

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