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5G手機為什么這么快?

2020-03-04
來源:與非網
關鍵詞: 5G 高通驍龍 SoC芯片

  5G時代,“快”仿佛成了最嘹亮的主打歌。

  不論是系統設備商(賣基站),運營商(賣流量),還是手機廠商(賣手機),同為 5G 這一條產業鏈上的兄弟,正在合唱出 5G 時代的最強音。

  那么,作為吃瓜群眾,怎樣直觀地感受到 5G 的速度?基站離我們太遠,但是手機離我們很近。要感受 5G 的速度,換一個最新的旗艦機,足矣!

  手機,可以簡單理解為微縮版的電腦。電腦上的核心三大件:處理器,內存和硬盤在手機上都能對應到相似功能的器件,只是名稱不同罷了。

  而 5G,就相當于連接電腦和網絡之間的網線,只是相比之前的 2G,3G 和 4G 速度快了很多。然而電腦的運行是否流暢,僅僅數據收發快是遠遠不夠的,還必須考慮到處理器性能是否跟得上,以及內存和硬盤的讀寫速度等等。

  手機也不例外。從近期發布的各大旗艦機來看,除了 5G 這個炙手可熱的焦點之外,還有一些莫名其妙的縮寫作為賣點,如驍龍 865,NSA/SA,LPDDR5,UFS3.1,WiFi6 等等,不一而足。

  手機廣告再酷再炫,對這些專業名稱總是語焉不詳。把手機想搞個明明白白咋就這么難?其手機要用著“爽快”,無非就是數據收發快,數據處理快,數據讀寫快這“三快”而已。

  下面,蜉蝣君將逐個簡要介紹下這些縮寫背后的技術內涵。

  一、

  驍龍 865(數據收發快,處理快)

  這是高通最新發布的移動平臺,號稱當前功能最為強悍的手機芯片,集成了 CPU 和 GPU,可以實現視頻處理,音頻處理,相機,安全,定位,顯示等諸多功能。

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  △ 高通驍龍 865 芯片

  這種集成了手機 80%以上功能的統一平臺,業界叫做片上系統,英文為 System on Chip,簡稱 SoC。

  SoC 的高集成度讓其更容易放入手機這個狹小的空間中,各模塊間的協作也能有效降低功耗,因此成為了手機應用芯片的主流設計。

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  △ 高通驍龍 865 芯片內部模塊

  驍龍 865 這款 SoC 芯片到底有多強呢?

  它采用臺積電的 7 納米工藝制造,CPU 支持 8 核,GPU 可提供“PC 級”渲染能力和游戲 HDR 顯示優化功能,可支持 QHD+分辨率下 144Hz 最大刷新率。

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  △ 不同分辨率的含義

  如上圖所示,QHD+就是俗稱的 2K 分辨率,比傳統的全高清 1080P 還要高上一個級別。而刷新率是畫面顯示在每一秒更新的次數,數值越高畫面越細膩流暢。

  并且,驍龍 865 的影像功能也極大增強:擁有 10 億像素級別性能,可以每秒處理 20 億像素,并可在 4K HDR 錄制的同時進行 6400 萬像素拍攝。

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  △ 高通驍龍 865 芯片功能強大

  由上圖可見,除了前面提到的幾點之外,這款芯片在游戲和人工智能等性能上都信心滿滿。

  手機的通信能力怎么樣,是否支持 5G,取決于一個叫做“基帶”的模塊。

  基帶(Baseband)的意思就是最原始的低頻信號,也叫基帶信號,隨之,把處理基帶信號的電路和芯片,也就簡稱為基帶了。簡單理解,基帶就是指的基帶芯片。

  手機支持是否能支持 2G,3G,4G,5G 等不同制式,實現什么高級的通信功能,能達到多大的下載速率,都是由基帶芯片決定的。可以說,基帶芯片就是手機通信功能的靈魂。

  如前所述,手機要正常工作,必須具備兩套芯片:處理 5G 信號的基帶芯片,和前面提到的處理其他功能的主芯片(應用芯片)。

  基帶芯片和應用芯片這兩個部分咋樣組合呢?有兩個方案。

  方案 1:兩個芯片作為獨立的單元協同工作,叫做基帶芯片外掛。這個方案的優點是兩個芯片可以靈活組合,但會讓電路設計更加復雜,功耗和成本有所上升。

  方案 2:兩個芯片融為一體,成為一個統一的 SoC 平臺,集成度高,功耗可以進一步低,信號的穩定性也更高。

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  △ 應用芯片和基帶芯片

  我們本文講到的高通驍龍 865 采用的是方案 1:基帶芯片外掛。

  其外掛的 X55 基帶芯片,可支持 5G 獨立(SA)和非獨立(NSA)組網,Sub6G,毫米波等多個頻段,以及載波聚合,DSS 等多種 5G 黑科技,可以達到 7.5Gbps 的峰值速率。

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  △ 高通 X55 基帶

  總而言之,高通的驍龍 865 平臺加上 X55 基帶強強聯合,能支持 5G 幾乎所有部署模式和頻段,網速快,處理速度也快!

  二、

  WiFi6(數據收發快)

  在流量費用高昂的 3G 和 4G 初期,WiFi 曾經是智能手機暢快上網的必須,速度快還不要錢,號稱繼水和電之外的第三大基礎需求。

  曾經,很多人的進門之后說的第一句話就是:“WiFi 密碼是多少?”。但有可用 WiFi 的地方畢竟有限,于是連蹭網都成了剛需。

  自從 WiFi 標準被 IEEE(電氣和電子工程師協會)在提出以來,經過了 20 年的蓬勃發展,一步一個腳印,出了一個又一個協議版本,從 802.11n 開始,下載速率有了質的飛越。

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  △ 歷代 WiFi 協議

  然而隨著 4G 的全面覆蓋和提速降費的不斷推進,流量的價格已經足夠便宜,大家對 WiFi 的依賴逐漸降低,對流量的使用也不再像以前那樣精打細算,隨時隨地刷視頻也毫不心疼了。

  5G 來了,流量將更加便宜,WiFi 又將何去何從?很顯然 WiFi 并不甘于被邊緣化的命運,推出了最新的標準 WiFi6,欲和 5G 相抗衡。

  顧名思義,WiFi6 就是第六代 WiFi 技術,雖然它的技術標準名稱是 IEEE 802.11ax,但是在宣傳上毅然摒棄了這一串反人類的字符,直接就叫 WiFi 6,簡潔明了。

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  △ WiFi6 的 LOGO

  WiFi6 采用了 OFDMA 來支持多用戶接入,還有更高階的調制、更大的帶寬、更多流同時傳輸的 MIMO,使其理論峰值速率達到了 9.6Gbps,實際使用起來已經跟 5G 的速率相當了。

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  △ 幾代 WiFi 技術的系統參數

  這些技術似乎聽起來如此耳熟?其實它們也是 5G 的關鍵技術。各種標準之間相互借鑒,好東西大家一起用也是共贏的選擇。

  無論如何,WiFi6 和 5G 將互為補充,在今后的旗艦機上擁有一席之地,共同為了“網速快”這一歷代通訊技術孜孜以求的目標而在手機這一方寸之地縱橫馳騁。

  LPDDR5 和 UFS3.1(數據處理快,讀寫快)

  三、

  3.1 手機內存和閃存

  說到手機的內存,可能很多人會問:我的手機內存是 128G,這應該夠大了吧?

  其實,此“內存”非彼內存。一直以來人們對于手機存儲方面的叫法就非常混亂,有內存,運存,存儲空間,閃存,RAM,ROM 等等,不同的叫法混淆不清,把人繞得云里霧里。

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  △ 手機內部機構

  基于這些存儲器在手機內部的用途,可以把這些存儲分為兩類:

  1、內部臨時存儲 APP 運行時的動態數據,用戶沒有權限使用的存儲空間,可叫做“內存”,“運存”,“RAM”。

  RAM 全稱為 Random Access Memory,翻譯為隨機存取存儲器,其最大的特點是內部存儲的數據不能持久保存,程序退出,或者斷電關機時里面的數據都會被清除。本文講的 LPDDR5 就屬于這一類的存儲。

  2、存儲 APP 程序,個人照片,音樂,文檔,個人能夠感受到的被這些資料逐漸占滿的存儲空間,可叫做“存儲空間”,“閃存”,“ROM”。

  ROM 即是 Read Only Memory 的簡寫,翻譯過來就是只讀存儲器的意思。聽起來有些不可思議,既然 ROM 存儲的內容是只讀的,那么用戶還咋在手機上存音樂照片視頻(寫內容)?

  其實,不需要糾結 ROM 這個歷史名稱的本意,現在的 ROM 早已演化到了 EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory,電可擦除可編程只讀存儲器),也別這那一長串單詞蒙蔽了雙眼,只需知道 ROM 其實就是手機上那一塊存儲用戶數據的器件即可。

  因此,在手機市場上,ROM 就直接被認為是手機的存儲容量。蘋果手機的 64G,128G 等各種版本,就是指的這一類存儲空間的不同。

  當前的安卓手機配置中存儲組合一般會有 2GB+16GB、3GB+32GB、4GB+64GB 等等,這些加號前面的 2GB、3GB、4GB 就指的是 RAM;加號后面的 16GB、32GB 和 64GB 等數值就指的是 ROM 的容量。

  上述第 1 類存儲(RAM)決定了手機系統及 APP 運行的速度,第 2 類存儲(ROM)決定了手機上能存儲多少文件以及這些文件存取的速度。這兩種類型的存儲都是非常重要的。

  這兩類存儲在電腦上的區分是非常明確的,第 1 類(RAM)就是內存條,第 2 類(ROM)就是硬盤。大家都很清楚硬盤是用來存儲個數數據的,永遠不會有人說自己的個人照片存在電腦內存里。

  而到了手機上,隨著使用人群的擴大,并且手機并不存在硬盤,“內存”這個詞很容易被望文生義為“內部存儲空間”的意思,混淆由此發生。

  一般安卓手機在宣傳時,都會以 xGB RAM(或者內存)+ xGB ROM(或者閃存)的方式來進行。這樣雖然簡化但還是不夠明晰,但也只能如此了。

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  △ RAM + ROM

  3.2  啥是“LPDDR5”?

  LPDDR 是手機內存的標準,全稱為 Low Power Double Data Rate SDRAM,是美國 JEDEC 固態技術協會(JEDEC Solid State Technology Association)面向低功耗內存而制定的通信標準,以低功耗和小體積著稱,專門用于移動式電子產品。

  2019 年 2 月 20 日,JEDEC 固態技術協會發布了最新的標準 LPDDR5,至此標準已發展到第五代(跟 5G 有異曲同工之妙)。有了標準,再經過一年的產品化,確實到了商用的時候。

  那么,RAM 是怎樣演化到了 LPDDR5 的呢?

  RAM 技術不斷向前發展,出現了 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動態 RAM),之后又在 SDRAM 的基礎上出現了 DDR SDRAM(Dual Data Rate SDRAM,雙倍數據速率 SDRAM),簡稱作 DDR。

  SDRAM 在一個時鐘周期內只傳輸一次數據,它只在時鐘上升沿進行數據傳輸;而有了 DDR 技術之后,則可以一個時鐘周期內可傳輸兩次數據,也就是在時鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數據。因此數據傳輸速率可以達到 SDRAM 的兩倍。

  DDR 的主要特點是高帶寬,低延時,所以更適合于 CPU 這種數據隨機讀取的場合。熟悉電腦配件的朋友應該對 DDR3,DDR4 等內存是非常熟悉的。

  為了滿足顯示的應用需求,在 DDR 的基礎上誕生了 GDDR(Graphics Double Data Rate,圖像 DDR),其特點是高帶寬、高延時,適合顯示圖像這種需要大數據量傳輸而對時延不太敏感的場合。

  與此同時,為了支持手機等低功耗,小體積內存等移動式電子產品的需求,同樣在 DDR 的基礎之上定義了 LPDDR(Low Power DDR,低功率 DDR),又稱為 mDDR(Mobile DDR),專門用于手機。

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  △ DDR,LPDDR,GDDR 的關系

  由上圖可以看出,用于手機內存的 LPDDR 已發展到第五代,也就是最新的 LPDDR5。從下圖看出,相比于上一代標準,LPDDR5 的性能提升是非常顯著的。

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  △ 歷代 LPDDR 的性能提升

  除了出盡風頭的主芯片平臺之外,作為幕后英雄內存架構同樣也是制約系統性能的關鍵因素。如果用城市來比喻 CPU 的話,內存就相當于是城市間的交通系統。內存架構的升級相當于動車到高鐵的升級,帶來的效率提升不言而喻。

  3.3  啥是“UFS3.1”?

  UFS3.1 是手機 ROM(前面講到過,也叫閃存)的最新技術,跟前面的 LPDDR5 一樣,也是美國 JEDEC 固態技術協會制定的標準,在 2020 年 1 月剛剛發布了最新版本。

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  △ UFS:Universal Flash Storage

  UFS 的全稱是 Universal Flash Storage,翻譯過來就是通用閃存存儲的意思。UFS 后面帶的 3.1 自然就是該標準的版本號了,數字越大能力越強。

  跟它的上一代標準 UFS3.0 相比,UFS3.1 引入了一些新技術,重點突出一個“快”字。怎么個快法?可以細分為寫入速度和讀取速度這兩個方面。

  首先寫入速度,由于 UFS3.1 引入了寫入增強(Write Booster)功能,其文件順序寫入速度可從 UFS3.0 的 500MB/s 提升至 728MB/s。

  再說文件的讀取。手機在使用過程中會越用越卡,其中非常重要的原因之一是越讀越慢。由于文件在存儲時是分成很多個小塊存儲到閃存中的,因此在讀取時必須通過查一張映射表找到各個小塊存儲的地方。

  UFS3.1 新引入的主機性能增強(HPB:Host Performance Booster)功能,可以把這張映射表緩存在內存中,用來提升讀性能,尤其是長時間使用后的讀取能力。

  總結

  在今年的旗艦機里面,這幾種技術必須是標配了。天下手機,唯快不破。

  首先,2020 年作為 5G 元年,新發手機支持 5G 是必須的,而 5G 芯片,又以高通驍龍 865 為翹楚。

  其次,作為旗艦,必須在 5G 之外有足夠的賣點,因此引入 WiFi6,LPDDR5 和 UFS3.1 等性能增強技術也就成了不二選擇。

  除此之外,屏幕,相機,快速充電,乃至可極大增加附加值工業設計,也是旗艦機差異化競爭的重要方向。

  好了,本期的介紹就到這里,希望對大家有所幫助。

  非常感謝能堅持看到最后。


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