自 Google 正式發(fā)布Pixel 6 和 Pixel 6 Pro 形式的最新旗艦設(shè)備以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去了大約兩周時(shí)間。這兩款新 Pixel 手機(jī)無(wú)疑是自 Pixel 系列推出以來(lái)，谷歌最大的一次轉(zhuǎn)變，它們基本上展示了設(shè)備各個(gè)方面的重大變化。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，其實(shí)除了 Pixel 名稱之外，谷歌的新旗艦與它們的前輩幾乎沒(méi)有什么共同之處。

　　這些手機(jī)采用全新的顯示屏、攝像頭系統(tǒng)、機(jī)身設(shè)計(jì)和內(nèi)部硬件，價(jià)格看似極具競(jìng)爭(zhēng)力，這讓該系列手機(jī)有了一個(gè)非常好的新開(kāi)端。

　　其中，最大的變化之一，也是我們的讀者最感興趣的變化之一，那就是 Pixel 6 和 Pixel 6 Pro 由谷歌自己的“Tensor”SoC 賦能。人們對(duì)tensor究竟是一個(gè)怎樣的存在也有相當(dāng)多的困惑。谷歌解釋說(shuō)，Tensor 是谷歌尋求支持新型工作負(fù)載的旅程的開(kāi)始，用公司的話來(lái)說(shuō)，這是“標(biāo)準(zhǔn)”商用芯片解決方案根本不可能或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的?；诠狙芯慷嗄甑臋C(jī)器學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，谷歌打造了一款專注于 ML ，并以其為其主要差異化功能的芯片，據(jù)說(shuō)它允許 Pixel 6 手機(jī)擁有許多獨(dú)有的新獨(dú)特功能。

　　今天，我們將仔細(xì)研究 TensorSoC。這包括嘗試記錄它的確切組成，展示市場(chǎng)上其他 SoC 之間的差異或相似之處，以及更好地了解Google 已將哪些類型的 IP 集成到芯片中以使其獨(dú)一無(wú)二并保證將其稱為 Google SoC。

　　芯片出處

　　根據(jù)谷歌自己的材料，Tensor 是由谷歌公司自主設(shè)計(jì)的一款 SoC。雖然這一切的真相會(huì)因您對(duì)“設(shè)計(jì)”的定義而不同，但我們可以看到，該芯片遵循 Google 和三星 LSI 之間看似密切的合作，在此過(guò)程中也模糊了傳統(tǒng)定制設(shè)計(jì)和半定制設(shè)計(jì)之間的界限。

　　從最高級(jí)別開(kāi)始，我們有 SoC 的實(shí)際名稱?！肮雀鑄ensor”比較抽象，目前官方?jīng)]有給這款芯片貼上具體的型號(hào)。因此，下一代是否會(huì)推出“Tensor 2”或其他產(chǎn)品還有待觀察。在內(nèi)部，Google 稱該芯片為“GS101”，雖然我在這里不完全確定 GS 代表什么，但很可能是 Google SoC 或 Google Silicon。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，我們還聽(tīng)到了“Whitechapel”的報(bào)道，但我們不能確認(rèn)。

　　在硅片方面，該芯片有另一個(gè)型號(hào)，SoC的融合芯片標(biāo)識(shí)遵循三星的 Exynos命名方案。在這里，我們發(fā)現(xiàn)芯片的 ID為“0x09845000”，它對(duì)應(yīng)于 S5E9845（編輯：它實(shí)際上是 S5P9845）。三星最新的 LSI SoC 是 Exynos 2100，標(biāo)識(shí)為 S5E9840。

　　為什么 Google SoC 會(huì)遵循 Exynos 內(nèi)部命名方案？這就是我們可以開(kāi)始看到設(shè)計(jì)的一些出處的地方。一段時(shí)間以來(lái)，廣泛報(bào)道稱，幾年前，三星向半定制硅設(shè)計(jì)產(chǎn)品敞開(kāi)了大門。2020年八月，ETNews也詳細(xì)地描述三星的業(yè)務(wù)計(jì)劃，以及它如何涉及到谷歌的芯片（以及描述思科的design win）：

　　具體而言，三星不是簡(jiǎn)單地作為一個(gè)純粹的合同制造商，而是作為一個(gè)完全參與硅設(shè)計(jì)的一方。這在很大程度上可以與 ASIC 設(shè)計(jì)服務(wù)相提并論，除了三星也是商業(yè) SoC 供應(yīng)商和芯片制造商之外，這在行業(yè)中是非常獨(dú)特的，因此屬于特殊情況。

　　現(xiàn)在有了芯片，并且對(duì)它的特性有了開(kāi)源洞察，我們可以開(kāi)始分解 Google Tensor 到底是什么：

　　類似的設(shè)計(jì)？

　　在 SoC 的基本構(gòu)建中，Google Tensor 緊跟三星的Exynos SoC 系列。除了人們傾向于在 SoC 中談?wù)摰某Ｒ?jiàn)高級(jí)模塊（例如 CPU、GPU、NPU 和其他主要特性）之外，還有芯片的基礎(chǔ)模塊：這些是結(jié)構(gòu)模塊和 IP，時(shí)鐘管理架構(gòu)、電源管理架構(gòu)，以及將這些部分實(shí)現(xiàn)到實(shí)際芯片中的設(shè)計(jì)方法。在紙面上，三星 Exynos、聯(lián)發(fā)科天璣或海思麒麟，甚至高通驍龍（在 CPU 方面）可能在規(guī)格方面具有相似的設(shè)計(jì)——具有相同的高級(jí) IP，例如 Cortex CPU 或 Mali GPU來(lái)自 Arm——由于底層 SoC 架構(gòu)非常不同，這些芯片最終仍會(huì)表現(xiàn)不同。

　　Tensor則將其設(shè)計(jì)建立在三星在其 Exynos SoC 上使用的 IP 基礎(chǔ)上，利用相同的時(shí)鐘管理和電源管理架構(gòu)。在 IP 層次結(jié)構(gòu)中，我們發(fā)現(xiàn)高級(jí) IP 模塊之間的其他相似之處，例如內(nèi)存控制器、結(jié)構(gòu) IP、用于各種面向外部的接口的 PHYIP，甚至更大的 IP 功能塊，例如 ISP 或媒體解碼器/編碼器。有趣的是，這些東西現(xiàn)在可以公開(kāi)審查，并且可以在結(jié)構(gòu)方面與其他 Exynos SoC 進(jìn)行 1:1 的比較。

　　這使得我們對(duì) Google 聲稱 Tensor 是他們自己的設(shè)計(jì)這一說(shuō)法表示懷疑你——這在一定程度上是正確的，但根據(jù)您對(duì)“設(shè)計(jì)”的定義以及您想要進(jìn)行的深入程度，其真實(shí)性可能會(huì)有所不同。盡管 Tensor/GS101 建立在 Exynos 基礎(chǔ)模塊和 IP 之上——甚至可能被三星集成和流片——但 SoC的定義是在谷歌的控制之下完成，因?yàn)檫@是他們的產(chǎn)品。雖然在 Tensor 的基礎(chǔ)和最低層塊方面與 Exynos2100 非常相似，但在結(jié)構(gòu)和內(nèi)部互連方面，谷歌的設(shè)計(jì)卻有所不同。這意味著各種 IP 塊如何相互交互的蜘蛛網(wǎng)（spiderweb）與三星自己的 SoC 不同。

　　這方面的一個(gè)實(shí)際示例是如何將 CPU 內(nèi)核集成到 SoC 中。雖然在 Exynos 2100 上，CPU 集群似乎非常明顯地位于更小、更明確的三星相干互連中，但 Tensor SoC 將 CPU 集群集成在更大的 CCI 中，這似乎是一種非常不同的互連設(shè)置配置，或者是一個(gè)完全不同的IP。與此同時(shí)，仍有一些相似之處，例如將一條主要的內(nèi)存流量總線連接到內(nèi)存控制器，并將另一條流量較低的“內(nèi)部”總線連接到其他 IP，這就是 Exynos SoC 傾向于分離事物的方式。應(yīng)該可以對(duì) SoC 進(jìn)行更詳細(xì)的逆向工程和映射，但這是一件非常耗時(shí)的事情，超出了本文的范圍。

　　CPU 設(shè)置：2x X1 + 2x A76 + 4x A55

　　雖然我們可以繼續(xù)討論 SoC 架構(gòu)，但讓我們暫時(shí)停止討論。我們從 CPU 集群開(kāi)始，深入探討 Tenor SoC 更明顯和更實(shí)際的差異。

　　Google 的 CPU 設(shè)置與其他 SoC 不同，因?yàn)樗哂?2+2+4 配置。雖然這并不是真正的例外——因?yàn)槿菍?duì) Exynos 9820 和 Exynos 990 也采用了同樣的設(shè)置——但 Tensor 上的 X1+A76+A55 配置目前在市場(chǎng)上是獨(dú)一無(wú)二的。大多數(shù)其他供應(yīng)商和實(shí)現(xiàn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到 1+3+4 的大 + 中 + 小 CPU 配置。

　　在 Cortex-X1 方面，谷歌使用一對(duì)核心意味著，理論上，具有兩個(gè)重線程的芯片的性能應(yīng)該高于任何其他只有一個(gè)大性能核心的 Android SoC。X1 對(duì)的頻率為 2.8GHz，略低于 Snapdragon 888 的 2.86GHz 和 Exynos 2100 X1 內(nèi)核的 2.91GHz。谷歌為內(nèi)核配備了完整的 1MB 二級(jí)緩存，類似于 S888，這個(gè)參數(shù)是 E2100 配置的兩倍。

　　至于中間核心，谷歌采用了Cortex-A76核心，這一直是一個(gè)熱門話題。乍一看，考慮到 Cortex-A77 和 A78 都提供更高的性能和更高的能效，這似乎有點(diǎn)不合理。內(nèi)核的時(shí)鐘頻率為 2.25GHz，并帶有 256KB 的 L2。我們還沒(méi)有從谷歌那里得到關(guān)于他們?yōu)槭裁词褂?A76 的明確解釋，但我認(rèn)為很可能在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，三星沒(méi)有準(zhǔn)備好集成更新的 IP。該芯片已經(jīng)醞釀了一段時(shí)間，雖然它確實(shí)具有 X1 內(nèi)核，但也許在這個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)移到更新的中間內(nèi)核為時(shí)已晚。我不認(rèn)為使用 A76 內(nèi)核而不是 A78 是有目的的選擇，因?yàn)檎缥覀儗⒃谖覀兊男阅芑鶞?zhǔn)測(cè)試中看到的那樣，舊的設(shè)計(jì)表現(xiàn)不佳。

　　在小核心上，有 4 個(gè) 1.8GHz 的 A55 核心。與三星自家的 Exynos 芯片相比，谷歌決定為內(nèi)核配備 128KB 的 L2 緩存，而不僅僅是 64KB，因此它們更符合驍龍 888 的配置。谷歌的一個(gè)奇怪選擇是集群的 L3 緩存與 A55 內(nèi)核在同一時(shí)鐘平面上，這會(huì)影響延遲和功耗。這也與我們?cè)?Exynos 2100 上看到的專用 L3 時(shí)鐘平面不一致。

　　另一個(gè) Fat MaliGPU：高時(shí)鐘的G78MP20

　　早些時(shí)候關(guān)于 SoC 的傳言表明它將配備 Mali-G78 GPU，但我們不知道該設(shè)計(jì)的確切核心數(shù)或時(shí)鐘。谷歌此后確認(rèn)了其 MP20 配置，這是第二大的Mali GPU 配置，僅次于麒麟 9000 及其龐大的 24 核單元。我最初的理論是，Google 可能會(huì)以低頻率運(yùn)行 GPU 以優(yōu)化能效，但最終我震驚地發(fā)現(xiàn)他們?nèi)栽谝?848MHz 的峰值時(shí)鐘速度運(yùn)行 GPU，用于著色器內(nèi)核，和 996MHz 為 tiler 和 L2。如果我沒(méi)記錯(cuò)的話，GoogleTensor 似乎是第一個(gè)確認(rèn)的 G78 實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上利用了 Arm 對(duì) G78 的分離時(shí)鐘平面設(shè)計(jì)，

　　實(shí)際頻率非常高。Exynos 2100的 G78MP14 已經(jīng)運(yùn)行在 854MHz，我們認(rèn)為這是一款峰值功率非常高的芯片；但在這里，谷歌增加了 42% 的內(nèi)核，并且不會(huì)降低頻率。因此，就 GPU 峰值功率而言，這是非常令人擔(dān)憂的問(wèn)題，我們將在后面的 GPU 評(píng)估部分中看到這些問(wèn)題。

　　LPDDR5，8MB SLC 緩存

　　GoogleTensor 上的內(nèi)存控制器似乎與 Exynos2100 上的相同，在 4x 16 位通道配置中支持LPDDR5，總峰值理論帶寬為 51.2GB/s。

　　Google 還集成了 8MB 的系統(tǒng)緩存，對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是否與三星在 Exynos 2100 上使用的 IP 相同并不清楚。看起來(lái)它們都是 8MB，但我傾向于說(shuō)這是不同的 IP，或者至少是 IP 的不同版本，因?yàn)樗募軜?gòu)方式和行為方式存在一些真正的差異。

　　谷歌在這里非常廣泛地使用 SLC 來(lái)提高 SoC 塊的性能，包括他們自己的自定義塊。SLC 允許對(duì)自身進(jìn)行分區(qū)，并將 SRAM 區(qū)域?qū)Ｓ糜?SoC 上的特定 IP 塊，使它們能夠在不同的用例情況下獨(dú)占訪問(wèn)全部或部分緩存。

　　自定義混合 ISP pipeline

　　通常當(dāng)人們或公司談?wù)?SoC ISP 時(shí)，它們總是被描述為單個(gè)單片 IP 塊。實(shí)際上，我們所說(shuō)的“ISP”是不同專用 IP 塊的組合，每個(gè)塊在我們所說(shuō)的成像pipeline中處理不同的任務(wù)。這里的 Google Tensor 很有趣，因?yàn)樗捎昧巳窃谄?Exynos 芯片上使用的零碎部分，并將定制的 Google 開(kāi)發(fā)的塊集成到pipelline中——這實(shí)際上是 Google 在他們的 SoC 演示中談到的。

　　成像系統(tǒng)使用與 Exynos 成像流水線相對(duì)應(yīng)的 IP 塊，例如像素相位檢測(cè)處理單元、對(duì)比度自動(dòng)對(duì)焦處理單元、圖像縮放器、失真校正處理塊和視圖相關(guān)的遮擋紋理功能處理塊。這里缺少的是缺少其他一些處理塊，我認(rèn)為這與三星使用的更多后處理計(jì)算塊有關(guān)。

　　谷歌在ISP鏈上開(kāi)發(fā)的IP塊似乎是他們自己的3AA IP（Auto-Exposure，Auto-White Balance，Auto-Focus），以及一對(duì)定制的時(shí)間降噪IP塊，能夠?qū)R和合并圖像。這些可能是谷歌在說(shuō)他們開(kāi)發(fā)的塊有助于加速他們用作 Pixel 系列計(jì)算攝影的一部分的圖像處理類型時(shí)所談?wù)摰淖远x塊，并且無(wú)可爭(zhēng)議地代表了圖像處理管道的非常重要的部分。

　　Google 的 edgeTPU ：讓Tensor成為Tensor

　　到目前為止，很明顯，谷歌 Tensor的核心話題一直是它的 TPU——或者說(shuō)它的 Tensor 處理單元。顧名思義，TPU 是谷歌開(kāi)發(fā)的定制 IP 塊，該公司已經(jīng)研究了幾年。到目前為止，谷歌只是將其稱為 Tensor SoC 內(nèi)的 TPU，但在驅(qū)動(dòng)程序級(jí)別，該公司將該塊稱為“edgeTPU”。這很有趣，因?yàn)樵搲K與ASIC“Edge TPU”相關(guān)的信號(hào)谷歌早在 2018 年就宣布了這一點(diǎn)。該分立芯片曾以 4 TOPs 的處理能力和 2 瓦的功率做廣告，雖然谷歌沒(méi)有在 Tensor 內(nèi)的 TPU 上宣傳任何性能指標(biāo)，但有條目展示了這個(gè)塊高達(dá) 5W 的功率。因此，如果兩者確實(shí)相關(guān)，那么鑒于顯著的工藝節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)和整體更新的 IP，Tensor TPU （sic） 的性能數(shù)據(jù)應(yīng)該非常重要。

　　該模塊是 Google 芯片團(tuán)隊(duì)的驕傲，它告訴我們它使用最新的 ML 處理架構(gòu)，該架構(gòu)針對(duì) Google 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在公司內(nèi)部運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行了優(yōu)化，并承諾允許開(kāi)辟新的以及獨(dú)特的用例，這些用例是最初制作定制 SoC 的主要目標(biāo)。稍后我們將在更側(cè)重于 Pixel 的評(píng)論中討論產(chǎn)品端用例，但 TPU 的性能指標(biāo)確實(shí)令人印象深刻。

　　TPU 塊似乎也帶有某種被 Google 稱為“GSA”的塊。這只是我基于驅(qū)動(dòng)程序的推測(cè)，但這似乎是某種負(fù)責(zé)操作 TPU 固件的控制塊，我認(rèn)為包含一個(gè)四核 Cortex-A32 CPU 設(shè)置。

　　媒體編碼器，其他東西

　　在媒體編碼器方面，Tensor SoC 使用三星自己的多功能編解碼器 IP 塊（與 Exynos 系列上使用的相同）以及似乎是專用于 AV1 解碼的 Google IP 塊?，F(xiàn)在這有點(diǎn)奇怪，因?yàn)槿谴_實(shí)宣傳 Exynos 2100 具有 AV1 解碼能力，而且該功能似乎確實(shí)存在于內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序中。然而，在 Galaxy S21 系列上，此功能從未在 Android 框架級(jí)別上實(shí)現(xiàn)。我在這里沒(méi)有很好的解釋為什么 - 也許 IP 不能與 AV1 一起正常工作。

　　該公司稱之為“BigOcean”的谷歌 IP 塊是一個(gè)專用的 AV1 解碼器，這實(shí)際上將 AV1 解碼能力暴露給了 Android 框架。這里非常奇怪的是，它所做的只是 AV1——其他格式的所有其他編碼和解碼都留給了三星 MFC。這是一個(gè)有趣的情況，我想知道下一代 SoC 的發(fā)展方向。

　　Tensor SoC 的其他差異是例如音頻子系統(tǒng)。三星的 SoC 低功耗音頻解碼子系統(tǒng)被谷歌自己的塊設(shè)計(jì)所取代，我沒(méi)有過(guò)多地討論它，但通常兩個(gè)塊都有相同的任務(wù)，即允許低功耗音頻播放而無(wú)需喚醒大部件SoC 的。我認(rèn)為這個(gè)塊（或 GSA）也負(fù)責(zé)作為傳感器數(shù)據(jù)聚合的永遠(yuǎn)在線的上下文中心，這里的 Tensor 使用谷歌的 IP 和做事方式，而不是同一塊的 Exynos 變體。

　　谷歌還采用了一個(gè)名為 Emerald Hill 的塊形式的固定功能硬件內(nèi)存壓縮器，它為內(nèi)存頁(yè)面提供 LZ77 壓縮加速，并且可以反過(guò)來(lái)用于加速交換中的 ZRAM 卸載。我不確定 Pixels 目前是否開(kāi)箱即用，但應(yīng)該能夠通過(guò)在

　　/sys/block/zram0/comp_algorithm 中看到“l(fā)z77eh”來(lái)確認(rèn)，如果有人能夠讀出它。

　　有一個(gè)軼事，早在 5 年前，三星就將類似的硬件壓縮 IP 模塊集成到他們的 SoC 中以完成相同的任務(wù)，但由于某種原因，這些模塊從未被用于出貨設(shè)備。也許能源效率并沒(méi)有像他們想象的那樣成功。

　　外置 Exynos 調(diào)制解調(diào)器：第一款非高通毫米波手機(jī)？

　　由于它是手機(jī) SoC，因此 Tensor 自然需要某種蜂窩連接。這是谷歌依賴三星的另一個(gè)領(lǐng)域，使用該公司的 Exynos 調(diào)制解調(diào)器 5123。但是，與 Exynos 2100 及其集成調(diào)制解調(diào)器不同，Tensor 使用獨(dú)立的外部變體。至于為什么它是獨(dú)立的，很可能是由于具有巨大的 GPU、更大的 CPU 設(shè)置（兩個(gè) X1 具有完整的 1MB L2）以及未知的 TPU 大小，Tensor 芯片即使與 Exynos 2100 相比也相當(dāng)大。

　　我這邊的另一個(gè)理論是，谷歌仍會(huì)以某種方式在美國(guó)網(wǎng)絡(luò)上與高通聯(lián)系在一起——無(wú)論是 CDMA 還是毫米波 5G 連接。令人驚訝的是，情況似乎并非如此，因?yàn)?Pixel 6 系列在全球范圍內(nèi)隨附了 Exynos 調(diào)制解調(diào)器。這使得 Pixel 6 系列特別有趣，因?yàn)檫@似乎是第一個(gè)非高通毫米波實(shí)現(xiàn)。作為參考，三星曾談到他們的毫米波 RFIC 和天線模塊早在 2019 年就表示有計(jì)劃 2020 年推出的設(shè)備。這是否意味著從 2020 年開(kāi)始的設(shè)計(jì)（Pixel 6 系列將是）或商業(yè)可用性當(dāng)時(shí)尚不清楚，但似乎這些是第一款采用該解決方案的商用手機(jī)。我不希望再過(guò)幾年在這里為自己提供毫米波覆蓋，但第三方報(bào)告顯示這款手機(jī)的速度高達(dá) 3200Mbps，而其他現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示高通設(shè)備實(shí)際速度的一半左右。我希望在接下來(lái)的幾周和幾個(gè)月里，更多的人將有機(jī)會(huì)深入了解調(diào)制解調(diào)器的性能特征。

　　總的來(lái)說(shuō)，谷歌 Tensor 最終幾乎與我們預(yù)期的芯片完全一樣，這是谷歌和三星合作的最早報(bào)道。是谷歌芯片嗎？是的，他們?cè)诙x它的意義上設(shè)計(jì)了它，同時(shí)還創(chuàng)建了許多谷歌獨(dú)特的塊，這些塊是芯片差異化不可或缺的一部分。

　　它是三星 Exynos 芯片嗎？同樣是的，從更基礎(chǔ)的 SoC 架構(gòu)級(jí)別來(lái)看，Tensor 與三星的 Exynos 設(shè)計(jì)有很多共同點(diǎn)。

　　在 Tensor 的幾個(gè)領(lǐng)域，有三星設(shè)計(jì)獨(dú)有的架構(gòu)和行為元素，在其他任何地方都找不到。為此，將 Google Tensor 稱為半定制設(shè)計(jì)似乎非常適合它的本質(zhì)。也就是說(shuō)，讓我們看看Tensor 的行為方式——以及它在性能和效率方面的表現(xiàn)。