别出心裁 NVIDIA新构架Tegra3详解

或许是电脑平台上的战斗让NVIDIA习惯了快节奏的生活，当高通、TI等传统移动处理器巨头都还处在半遮半掩的时候，抢先推出了代号为Kal-El的四核心移动处理器Tegra 3，将手机和平板电脑的处理性能带到了『四核』这一全新的高度。与移动设备的元件供应商所不同的是，NVIDIA更加喜欢凡事高声宣扬，从去年下半年开始就宣扬他们的这个『氪星超人』。拥有四核心的ARM Cortex-A9处理器，采用了台积电40纳米制程工艺（很快将更新为28纳米），拥有12个单元的GeForce ULP图形处理器，配备了LPDDR2 1066MHz内存，完整支持Neon指令集，从参数上看，似乎看不出有些什么特别之处？

如果我说Tegra 3是一个五核处理器，大家的第一反应就是耗电吧：原本以为四核处理器已经够吓人了，没想到NVIDIA还故意骗人，五核处理器那得多吓人啊，搭配这种处理器的手机是不是和以前的笔记本电脑一样用两小时就没电了？事实上多出来的这颗核心是vSMP（Variable Symmetric Multi Processing）可变对称式多重处理器，vSMP能够实现Tegra 3处理器在低功耗与高性能之间的平衡，进一步延长电池续航力，这也是为什么NVIDIA会宣称Tegra 3四核处理器会上一代Tegra 2更加省电。

通俗的讲，vSMP技术对于处理器的分类处理就像是一个公司里的员工与清洁工，两种处理器分别是采用了低功耗制程技术与快速制程技术的处理器：前者拥有更低的漏电功耗，但在高性能下会消耗更多功耗；后者则在待机时拥有较高的漏电功耗。就像是一个普通员工比较好学上手较快，但是身体薄弱不能持续干体力活，而清洁工则拥有不错的体力，虽然培训比较花时间，但上手之后就能比普通员工擦更多窗，搬更多桶水，洗更多的地。

NVIDIA于是就将这两种员工融合到了一起，员工在上班时间自然做更为重要的工作，打扫公司这种事自然就交给清洁工来做啦。公司自然能够节省开支（节省功耗）。

从3.0蜂巢(Honeycomb)系统开始，谷歌就开始将多重处理技术作为常规支援功能内置Android系统中，以便系统能够同时利用多个处理器核心的性能。但问题在于该系统会假定所有可用的处理器核心均能够实现相同的性能，并根据这一假设来为可用的核心调度任务。因此，Tegra 3针对的4个主要运算核心与协同运算的Companion“伴芯”采用了软硬两套不同管理办法。

硬件上，专业的处理器管理逻辑单元会不断监控处理器的性能负载，以便动态地随时启用和禁用处理器协同伴芯和主核心。是否开关伴芯和主核心的决定完全取决于当前的处理器协同运算负载以及处理器频率控制子系统所得出的处理器工作频率推荐值，该子系统则用软件的形式嵌入在操作系统内核之中，用户在使用时并不需要对应用程序或者操作系统进行任何更动，这也有点类似之前笔记本电脑上的智能显卡切换技术NVIDIA OPTIMUS。

1、高速缓存一致性： 因为vSMP技术不允许协同伴芯与主核心同时启用，所以在这些以不同频率运行的核心之间不涉及高速缓存同步的补偿问题。协同伴芯与主核心共用同一个L2快高速缓存，NVIDIA通过对该高速缓存进行编程设计，使其以相同的几十亿万分之一秒速度为协同伴芯与主核心返回资料。

2、改善操作系统效率：Android操作系统默认会假定所有可用的处理器核心均相同，能够实现相近的性能，作业系统按照这一假定的情形来为这些核心调度协同运算。 当多个处理器 核心中的每一个都以不同的非同步频率运行时，就会导致这些核心实现不同的性能，这样会造成操作系统在任务调度上效率不高。与之相比，vSMP技术则始终让所有活动的核心均保持相近的同步工作频率，从而实现优化的操作系统任务调度。 即便当vSMP从协同伴芯切换至另一个或多个主核心时，处理器管理逻辑单元也会确保无缝的过渡，最终用户完全觉察不到这种过渡，而且这种过渡也不会造成操作系统的调度补偿。

3、功耗最佳化：在基于非同步时序的处理器架构中，每个核心一般均处于不同的电源层(亦称电压轨或电压层)上，以便根据工作频率来调整每个核心的电压。 这会导致整个电压层的信号线以及电源线杂讯增大，从而对性能造成负面影响。 因为每个电压层均可能需要自己的稳压器，所以这些架构并不像增加处理器核心数量那样易于扩展。增加稳压器会提高处理器的成本以及功耗。 如果所有核心均使用同一个电压轨，那麽每个核心将以最快核心所需的电压运行，如此一来，便失去可降低功耗的“电压平方”效应优势。

四款高清游戏 完全改变手机游戏旧观

首先我们来看看NVIDIA自家产品间的较量，同样采用了台积电40nm工艺的Tegra 2与Tegra 3作为对比。在睡眠状态（LPO）下Tegra 3要节约28%的能耗；如果关闭屏幕同时播放音乐，Tegra 3也要节省14%左右，而同时播放高清视频时差距更大，Tegra 3相比上一代竟然节省了61%；游戏时的对比也非常明显，Tegra 3也要比上代处理器节省1/3左右的功耗。

由于vSMP技术靠着协同伴芯来最大限度降低待机状态下的漏电功耗，同时利用四个主核心最大限度降低峰值工作频率下的动态功耗，从而可大幅降低整体功耗。 根据使用场合的不同，vSMP技术能够动态地启用和关闭处理器核心，从而在尽可能低的功耗下实现想要的性能。

和自家处理器比完之后，我们看看Tegra 3与其他处理器的差异，NVIDIA官方分别采用高低频的两款Tegra 3处理器与高通、TI两家巨头的双核处理器运行Coremark基准测试软件进行对比。首先需要说明的是两款处理器都是采用45nm工艺的Cortex-A9构架，与Tegra 3属于相同构架工艺稍弱。但对比情况却完全可以忽略掉两者的小小差异：低频率的Tegra 3四核处理器得到的成绩与两款双核处理器相当，测得的功耗却要低了2-3倍；满频率运行的Tegra 3在成绩上翻了一倍，运行功耗却反而不如两款双核处理器，甚至还要低上15%左右。

除了Tegra 3搭载的vSMP技术之外，还有一点也很重要：在功耗管理上核心数量多要胜过核心数量少。例如，四核处理器在所有性能水准上均比双核处理器的功耗低。之所以会出现这种结果是因为，四个核心能够以更低的频率运行，因此与双核处理器相比，在处理同样的任务量时，四核的电压更低。 因为功耗与电压的平方成比例，所以处理器整体功耗可实现大幅下降，却依然能够完成相同的任务量。即便在全部四个处理器核心均以1 GHz频率运行时，Tegra 3也比双核处理器竞争产品的功耗更低。

因为Tegra 3中的高性能处理器核心采用了高速制程技术，所以这四个核心在工作电压比竞争处理器更低的情况下，依然能够以更高的频率工作。因为动态功耗与工作电压的平方成比例，所以Tegra 3即便在以更高的频率工作时，也能够大幅节省电力。

四款高清游戏 完全改变手机游戏旧观念

看官或许要说了，Tegra 3无非就是一款拥有更高的性能与更低功耗的处理器，之前看过英特尔的发展历程之后，NVIDIA此举不还是军备竞赛？我不知道大家喜不喜欢玩游戏，反正对我来说，一款拥有出色画面同时又好玩有趣的游戏是迫使我更换电脑的最好办法。纵观我这10年的电脑使用史，即使电脑发生了故障我依然会懒得更换，随便修一下就应付了事。但当游戏市场上推出了更加好玩的游戏时：10年前的《暗黑破坏神2》、7年前的《GTA圣安得列斯》，5年前的《孤岛危机》，这些游戏都让我义无反顾的更换新电脑，买上新显卡来美滋滋的体验一番效果全开的顺畅画面，大家是不是也是如此？

所以我还要说明一点，Tegra 3并不只是一颗双核处理器，NVIDIA还在它上面配置了一颗全新构GeForce ULP图形处理器，在这方面NVIDIA可以说是熟门熟路，Tegra 3的GeForce ULP处理单元从上一代的8个提升到了这一代的12个，同时性能提升了100%以上。更为关键的是Tegra 3开始支持诸如PhysX、CUDA等原本是电脑平台上才有的高级功能，实时光照、纹理生成等传统效果更不在话下。

我知道大家并不想看枯燥的跑分对比图，因为跑分对于手机来说又有什么用处？手机游戏画面也就如此，再高的跑分又有何用？如果你带着这种观念来看到手机游戏，那我建议你看看下面四款NVIDIA在MWC2012上针对Tegra 3处理器推出的游戏视频，看完之后你将明白全新的四核处理器到底意味着什么。

索尼克4: Episode II

人人都爱超音速小子，现在他回来了。在世嘉总部，搭载了Tegra 3处理器的设备在运行这款全新的索尼克4时引起了轰动，因为这是他们所见过的最流畅最出色的画面，甚至好过家用主机！

暗黑王国 THD

《暗黑王国 THD》使用了NVIDIA PhysX物理引擎来提供逼真的物理和粒子效果。这是一个质量非常高的ARPG游戏，拥有450个风格各异效果出众的技能来让玩家体验，游戏情节与武器装备同样一点不差。

还绿伊甸园 THD

在这款免费的增值游戏里，外来的机械军团想要摧毁伊甸园星球，你所需要的就是带领植物们打败他们夺回行星，听起来是不是有点像植物大战机械？不过这是一个风格完全不同的塔防游戏，默认拥有20个高分辨率地图，同时将有更多的的地图进行在线购买。

汉密尔顿的大冒险

在这款游戏上你将看到部分DirectX 11引擎才有的特效画面，带着你的搭档萨沙解决一系列的难题和挑战吧，Tegra 3出色的性能使得你能够从这个游戏上看到移动设备从未有过的宽广场景与丰富细节。

刚才大家所看到的4款游戏，就是今年的MWC2012通信展上NVIDIA通过刚刚发布的Tegra 3智能手机或平板电脑向大家所展示的效果，在高通,TI与三星还在为全新的Cortax-A15构架处理器苦苦折腾之时，NVIDIA又一次站到了移动领域的前沿。可曾记得去年也是相同的时间，NVIDIA带领一众厂商发布了Tegra 2处理器的设备？历史总是惊人的相似，当时间过去一年，Tegra 3又带着厂商们的新设备杀将回来，这次带给大家的是更高的性能，更低的能耗以及强悍的游戏能力。