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5G手機(jī)為什么這么快?

2020/03/04
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5G 時(shí)代,“快”仿佛成了最嘹亮的主打歌。

不論是系統(tǒng)設(shè)備商(賣(mài)基站),運(yùn)營(yíng)商(賣(mài)流量),還是手機(jī)廠商(賣(mài)手機(jī)),同為 5G 這一條產(chǎn)業(yè)鏈上的兄弟,正在合唱出 5G 時(shí)代的最強(qiáng)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(yuǎn),但是手機(jī)離我們很近。要感受 5G 的速度,換一個(gè)最新的旗艦機(jī),足矣!

手機(jī),可以簡(jiǎn)單理解為微縮版的電腦。電腦上的核心三大件:處理器,內(nèi)存和硬盤(pán)在手機(jī)上都能對(duì)應(yīng)到相似功能的器件,只是名稱(chēng)不同罷了。

而 5G,就相當(dāng)于連接電腦和網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)線,只是相比之前的 2G,3G 和 4G 速度快了很多。然而電腦的運(yùn)行是否流暢,僅僅數(shù)據(jù)收發(fā)快是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還必須考慮到處理器性能是否跟得上,以及內(nèi)存和硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度等等。

手機(jī)也不例外。從近期發(fā)布的各大旗艦機(jī)來(lái)看,除了 5G 這個(gè)炙手可熱的焦點(diǎn)之外,還有一些莫名其妙的縮寫(xiě)作為賣(mài)點(diǎn),如驍龍 865,NSA/SA,LPDDR5,UFS3.1,WiFi6 等等,不一而足。

手機(jī)廣告再酷再炫,對(duì)這些專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)總是語(yǔ)焉不詳。把手機(jī)想搞個(gè)明明白白咋就這么難?其手機(jī)要用著“爽快”,無(wú)非就是數(shù)據(jù)收發(fā)快,數(shù)據(jù)處理快,數(shù)據(jù)讀寫(xiě)快這“三快”而已。

下面,蜉蝣君將逐個(gè)簡(jiǎn)要介紹下這些縮寫(xiě)背后的技術(shù)內(nèi)涵。

一、

驍龍 865(數(shù)據(jù)收發(fā)快,處理快)
這是高通最新發(fā)布的移動(dòng)平臺(tái),號(hào)稱(chēng)當(dāng)前功能最為強(qiáng)悍的手機(jī)芯片,集成了 CPU 和 GPU,可以實(shí)現(xiàn)視頻處理,音頻處理,相機(jī),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(jī) 80%以上功能的統(tǒng)一平臺(tái),業(yè)界叫做片上系統(tǒng),英文為 System on Chip,簡(jiǎn)稱(chēng) SoC。

SoC 的高集成度讓其更容易放入手機(jī)這個(gè)狹小的空間中,各模塊間的協(xié)作也能有效降低功耗,因此成為了手機(jī)應(yīng)用芯片的主流設(shè)計(jì)。

△ 高通驍龍 865 芯片內(nèi)部模塊

驍龍 865 這款 SoC 芯片到底有多強(qiáng)呢?
它采用臺(tái)積電的 7 納米工藝制造,CPU 支持 8 核,GPU 可提供“PC 級(jí)”渲染能力和游戲 HDR 顯示優(yōu)化功能,可支持 QHD+分辨率下 144Hz 最大刷新率。

△ 不同分辨率的含義

如上圖所示,QHD+就是俗稱(chēng)的 2K 分辨率,比傳統(tǒng)的全高清 1080P 還要高上一個(gè)級(jí)別。而刷新率是畫(huà)面顯示在每一秒更新的次數(shù),數(shù)值越高畫(huà)面越細(xì)膩流暢。

并且,驍龍 865 的影像功能也極大增強(qiáng):擁有 10 億像素級(jí)別性能,可以每秒處理 20 億像素,并可在 4K HDR 錄制的同時(shí)進(jìn)行 6400 萬(wàn)像素拍攝。

△ 高通驍龍 865 芯片功能強(qiáng)大

由上圖可見(jiàn),除了前面提到的幾點(diǎn)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(jī)的通信能力怎么樣,是否支持 5G,取決于一個(gè)叫做“基帶”的模塊。

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

手機(jī)支持是否能支持 2G,3G,4G,5G 等不同制式,實(shí)現(xiàn)什么高級(jí)的通信功能,能達(dá)到多大的下載速率,都是由基帶芯片決定的??梢哉f(shuō),基帶芯片就是手機(jī)通信功能的靈魂。

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

基帶芯片和應(yīng)用芯片這兩個(gè)部分咋樣組合呢?有兩個(gè)方案。

方案 1:兩個(gè)芯片作為獨(dú)立的單元協(xié)同工作,叫做基帶芯片外掛。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)芯片可以靈活組合,但會(huì)讓電路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,功耗和成本有所上升。

方案 2:兩個(gè)芯片融為一體,成為一個(gè)統(tǒng)一的 SoC 平臺(tái),集成度高,功耗可以進(jìn)一步低,信號(hào)的穩(wěn)定性也更高。

△ 應(yīng)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(dú)立(SA)和非獨(dú)立(NSA)組網(wǎng),Sub6G,毫米波等多個(gè)頻段,以及載波聚合,DSS 等多種 5G 黑科技,可以達(dá)到 7.5Gbps 的峰值速率。

△ 高通 X55 基帶

總而言之,高通的驍龍 865 平臺(tái)加上 X55 基帶強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,能支持 5G 幾乎所有部署模式和頻段,網(wǎng)速快,處理速度也快!

二、

WiFi6(數(shù)據(jù)收發(fā)快)
在流量費(fèi)用高昂的 3G 和 4G 初期,WiFi 曾經(jīng)是智能手機(jī)暢快上網(wǎng)的必須,速度快還不要錢(qián),號(hào)稱(chēng)繼水和電之外的第三大基礎(chǔ)需求。

曾經(jīng),很多人的進(jìn)門(mén)之后說(shuō)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(wǎng)都成了剛需。

自從 WiFi 標(biāo)準(zhǔn)被 IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))在提出以來(lái),經(jīng)過(guò)了 20 年的蓬勃發(fā)展,一步一個(gè)腳印,出了一個(gè)又一個(gè)協(xié)議版本,從 802.11n 開(kāi)始,下載速率有了質(zhì)的飛越。

△ 歷代 WiFi 協(xié)議

然而隨著 4G 的全面覆蓋和提速降費(fèi)的不斷推進(jìn),流量的價(jià)格已經(jīng)足夠便宜,大家對(duì) WiFi 的依賴逐漸降低,對(duì)流量的使用也不再像以前那樣精打細(xì)算,隨時(shí)隨地刷視頻也毫不心疼了。

5G 來(lái)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(yùn),推出了最新的標(biāo)準(zhǔn) WiFi6,欲和 5G 相抗衡。

顧名思義,WiFi6 就是第六代 WiFi 技術(shù),雖然它的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)是 IEEE 802.11ax,但是在宣傳上毅然摒棄了這一串反人類(lèi)的字符,直接就叫 WiFi 6,簡(jiǎn)潔明了。
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△ WiFi6 的 LOGO

WiFi6 采用了 OFDMA 來(lái)支持多用戶接入,還有更高階的調(diào)制、更大的帶寬、更多流同時(shí)傳輸?shù)?MIMO,使其理論峰值速率達(dá)到了 9.6Gbps,實(shí)際使用起來(lái)已經(jīng)跟 5G 的速率相當(dāng)了。
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△ 幾代 WiFi 技術(shù)的系統(tǒng)參數(shù)

這些技術(shù)似乎聽(tīng)起來(lái)如此耳熟?其實(shí)它們也是 5G 的關(guān)鍵技術(shù)。各種標(biāo)準(zhǔn)之間相互借鑒,好東西大家一起用也是共贏的選擇。
無(wú)論如何,WiFi6 和 5G 將互為補(bǔ)充,在今后的旗艦機(jī)上擁有一席之地,共同為了“網(wǎng)速快”這一歷代通訊技術(shù)孜孜以求的目標(biāo)而在手機(jī)這一方寸之地縱橫馳騁。

LPDDR5 和 UFS3.1(數(shù)據(jù)處理快,讀寫(xiě)快)

三、

3.1 手機(jī)內(nèi)存和閃存

說(shuō)到手機(jī)的內(nèi)存,可能很多人會(huì)問(wèn):我的手機(jī)內(nèi)存是 128G,這應(yīng)該夠大了吧?

其實(shí),此“內(nèi)存”非彼內(nèi)存。一直以來(lái)人們對(duì)于手機(jī)存儲(chǔ)方面的叫法就非常混亂,有內(nèi)存,運(yùn)存,存儲(chǔ)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。

△ 手機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)

基于這些存儲(chǔ)器在手機(jī)內(nèi)部的用途,可以把這些存儲(chǔ)分為兩類(lèi):

1、內(nèi)部臨時(shí)存儲(chǔ) APP 運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),用戶沒(méi)有權(quán)限使用的存儲(chǔ)空間,可叫做“內(nèi)存”,“運(yùn)存”,“RAM”。

RAM 全稱(chēng)為 Random Access Memory,翻譯為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,其最大的特點(diǎn)是內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不能持久保存,程序退出,或者斷電關(guān)機(jī)時(shí)里面的數(shù)據(jù)都會(huì)被清除。本文講的 LPDDR5 就屬于這一類(lèi)的存儲(chǔ)。

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

ROM 即是 Read Only Memory 的簡(jiǎn)寫(xiě),翻譯過(guò)來(lái)就是只讀存儲(chǔ)器的意思。聽(tīng)起來(lái)有些不可思議,既然 ROM 存儲(chǔ)的內(nèi)容是只讀的,那么用戶還咋在手機(jī)上存音樂(lè)照片視頻(寫(xiě)內(nèi)容)?

其實(shí),不需要糾結(jié) ROM 這個(gè)歷史名稱(chēng)的本意,現(xiàn)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(chǔ)器),也別這那一長(zhǎng)串單詞蒙蔽了雙眼,只需知道 ROM 其實(shí)就是手機(jī)上那一塊存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的器件即可。

因此,在手機(jī)市場(chǎng)上,ROM 就直接被認(rèn)為是手機(jī)的存儲(chǔ)容量。蘋(píng)果手機(jī)的 64G,128G 等各種版本,就是指的這一類(lèi)存儲(chǔ)空間的不同。

當(dāng)前的安卓手機(jī)配置中存儲(chǔ)組合一般會(huì)有 2GB+16GB、3GB+32GB、4GB+64GB 等等,這些加號(hào)前面的 2GB、3GB、4GB 就指的是 RAM;加號(hào)后面的 16GB、32GB 和 64GB 等數(shù)值就指的是 ROM 的容量。

上述第 1 類(lèi)存儲(chǔ)(RAM)決定了手機(jī)系統(tǒng)及 APP 運(yùn)行的速度,第 2 類(lèi)存儲(chǔ)(ROM)決定了手機(jī)上能存儲(chǔ)多少文件以及這些文件存取的速度。這兩種類(lèi)型的存儲(chǔ)都是非常重要的。

這兩類(lèi)存儲(chǔ)在電腦上的區(qū)分是非常明確的,第 1 類(lèi)(RAM)就是內(nèi)存條,第 2 類(lèi)(ROM)就是硬盤(pán)。大家都很清楚硬盤(pán)是用來(lái)存儲(chǔ)個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)的,永遠(yuǎn)不會(huì)有人說(shuō)自己的個(gè)人照片存在電腦內(nèi)存里。

而到了手機(jī)上,隨著使用人群的擴(kuò)大,并且手機(jī)并不存在硬盤(pán),“內(nèi)存”這個(gè)詞很容易被望文生義為“內(nèi)部存儲(chǔ)空間”的意思,混淆由此發(fā)生。

一般安卓手機(jī)在宣傳時(shí),都會(huì)以 xGB RAM(或者內(nèi)存)+ xGB ROM(或者閃存)的方式來(lái)進(jìn)行。這樣雖然簡(jiǎn)化但還是不夠明晰,但也只能如此了。

△ RAM + ROM

3.2 ?啥是“LPDDR5”?

LPDDR 是手機(jī)內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn),全稱(chēng)為 Low Power Double Data Rate SDRAM,是美國(guó) JEDEC 固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)(JEDEC Solid State Technology Association)面向低功耗內(nèi)存而制定的通信標(biāo)準(zhǔn),以低功耗和小體積著稱(chēng),專(zhuān)門(mén)用于移動(dòng)式電子產(chǎn)品

2019 年 2 月 20 日,JEDEC 固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布了最新的標(biāo)準(zhǔn) LPDDR5,至此標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)展到第五代(跟 5G 有異曲同工之妙)。有了標(biāo)準(zhǔn),再經(jīng)過(guò)一年的產(chǎn)品化,確實(shí)到了商用的時(shí)候。

那么,RAM 是怎樣演化到了 LPDDR5 的呢?

RAM 技術(shù)不斷向前發(fā)展,出現(xiàn)了 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動(dòng)態(tài) RAM),之后又在 SDRAM 的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了 DDR SDRAM(Dual Data Rate SDRAM,雙倍數(shù)據(jù)速率 SDRAM),簡(jiǎn)稱(chēng)作 DDR。

SDRAM 在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只傳輸一次數(shù)據(jù),它只在時(shí)鐘上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;而有了 DDR 技術(shù)之后,則可以一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可傳輸兩次數(shù)據(jù),也就是在時(shí)鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù)。因此數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 SDRAM 的兩倍。

DDR 的主要特點(diǎn)是高帶寬,低延時(shí),所以更適合于 CPU 這種數(shù)據(jù)隨機(jī)讀取的場(chǎng)合。熟悉電腦配件的朋友應(yīng)該對(duì) DDR3,DDR4 等內(nèi)存是非常熟悉的。

為了滿足顯示的應(yīng)用需求,在 DDR 的基礎(chǔ)上誕生了 GDDR(Graphics Double Data Rate,圖像 DDR),其特點(diǎn)是高帶寬、高延時(shí),適合顯示圖像這種需要大數(shù)據(jù)量傳輸而對(duì)時(shí)延不太敏感的場(chǎng)合。

與此同時(shí),為了支持手機(jī)等低功耗,小體積內(nèi)存等移動(dòng)式電子產(chǎn)品的需求,同樣在 DDR 的基礎(chǔ)之上定義了 LPDDR(Low Power DDR,低功率 DDR),又稱(chēng)為 mDDR(Mobile DDR),專(zhuān)門(mén)用于手機(jī)。

△ DDR,LPDDR,GDDR 的關(guān)系

由上圖可以看出,用于手機(jī)內(nèi)存的 LPDDR 已發(fā)展到第五代,也就是最新的 LPDDR5。從下圖看出,相比于上一代標(biāo)準(zhǔn),LPDDR5 的性能提升是非常顯著的。

△ 歷代 LPDDR 的性能提升

除了出盡風(fēng)頭的主芯片平臺(tái)之外,作為幕后英雄內(nèi)存架構(gòu)同樣也是制約系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。如果用城市來(lái)比喻 CPU 的話,內(nèi)存就相當(dāng)于是城市間的交通系統(tǒng)。內(nèi)存架構(gòu)的升級(jí)相當(dāng)于動(dòng)車(chē)到高鐵的升級(jí),帶來(lái)的效率提升不言而喻。

3.3 ?啥是“UFS3.1”?

UFS3.1 是手機(jī) ROM(前面講到過(guò),也叫閃存)的最新技術(shù),跟前面的 LPDDR5 一樣,也是美國(guó) JEDEC 固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn),在 2020 年 1 月剛剛發(fā)布了最新版本。

△ UFS:Universal Flash Storage

UFS 的全稱(chēng)是 Universal Flash Storage,翻譯過(guò)來(lái)就是通用閃存存儲(chǔ)的意思。UFS 后面帶的 3.1 自然就是該標(biāo)準(zhǔn)的版本號(hào)了,數(shù)字越大能力越強(qiáng)。

跟它的上一代標(biāo)準(zhǔn) UFS3.0 相比,UFS3.1 引入了一些新技術(shù),重點(diǎn)突出一個(gè)“快”字。怎么個(gè)快法?可以細(xì)分為寫(xiě)入速度和讀取速度這兩個(gè)方面。

首先寫(xiě)入速度,由于 UFS3.1 引入了寫(xiě)入增強(qiáng)(Write Booster)功能,其文件順序?qū)懭胨俣瓤蓮?UFS3.0 的 500MB/s 提升至 728MB/s。
再說(shuō)文件的讀取。手機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)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(chǔ)時(shí)是分成很多個(gè)小塊存儲(chǔ)到閃存中的,因此在讀取時(shí)必須通過(guò)查一張映射表找到各個(gè)小塊存儲(chǔ)的地方。

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

總結(jié)
在今年的旗艦機(jī)里面,這幾種技術(shù)必須是標(biāo)配了。天下手機(jī),唯快不破。

首先,2020 年作為 5G 元年,新發(fā)手機(jī)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(mài)點(diǎn),因此引入 WiFi6,LPDDR5 和 UFS3.1 等性能增強(qiáng)技術(shù)也就成了不二選擇。

除此之外,屏幕,相機(jī),快速充電,乃至可極大增加附加值工業(yè)設(shè)計(jì),也是旗艦機(jī)差異化競(jìng)爭(zhēng)的重要方向。

好了,本期的介紹就到這里,希望對(duì)大家有所幫助。

非常感謝能堅(jiān)持看到最后。

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公眾號(hào)TsinghuaJoking主筆。清華大學(xué)自動(dòng)化系教師,研究興趣范圍包括自動(dòng)控制、智能信息處理、嵌入式電子系統(tǒng)等。全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽秘書(shū)處主任,技術(shù)組組長(zhǎng),網(wǎng)稱(chēng)“卓大大”。