NVIDIA的野心 Tegra处理器的大揭密

近期，随着Intel Atom的大红大紫， NVIDIA也发布了首款移动处理器Tegra。虽然Atom已经渐渐为人所熟悉（请参考本刊2008年8月上144页文章《x86,Everywhere——英特尔Atom的“狼子野心”》），但横空出世的Tegra却依然犹抱琵琶半遮面。这款NVIDIA寄予厚望的移动处理器究竟能掀起多大的浪花，它和Atom又有什么异同？我们将在文中找到答案。

为让大家对Tegra的背景有更深的理解，我们首先要对MID（Mobile Internet Device，移动互联接入设备）进行简介，之后我们再一起走进Tegra的世界。

什么是MID

在这个被Internet所包围的时代，有了MID的帮助，我们可以随时随地连接网络。这意味着：
能够随时和全世界联通
能够随时掌握新的咨询
能够随时调出任意领域的知识
……

在移动互联的趋势下，传统固定上网方式已不能满足需求，于是MID应运而生了。

首先，MID强调的是能够随时移动应用。其次，MID设备倚赖的并不仅仅是Wi-Fi局域网。通过无处不在的广域移动信号（2G、3G），MID能够在高楼的电梯间、乡村的国道旁、宁静的湖面等任何有手机信号的地方连接互联网，而不是单调的WAP网。MID让精英们掌控一切，同样也能让我们更好的掌控自己未来。

正是这种公认的市场前景，Atom从诞生至今，我们已经对它的性能和定位有所了解：在超便携笔记本电脑和UMPC中，Atom是为低功耗而生的，性能上够用就可以了；而对于真正的掌上MID设备，Atom加上配套的芯片组又使得小型化、节能化设计变得十分困难。看来用造笔记本电脑的思路进军MID领域，Intel还要走很长的路。面对MID的蓬勃发展和“钱景”，又由于Atom的能力还不足于称霸整个市场，因此NVIDIA也带来了自己的Tegra，试图抢占市场的制高点。

Tegra——指甲上的计算机系统

在掌上设备领域，Tegra实际上属于移动应用处理器（AP，Application Processor）的范畴。那么，Tegra这样的移动应用处理器是如何将众多功能集成在一块指甲壳大小的芯片中的呢？Tegra内部的各模块是如何互联通信？让我们看看这颗芯片中的结构。

从图1中，我们可以看到主计算核心是来自ARM公司的ARM11，其它就是各种实际应用需要的各种模块。如3D需要的GeForce GPU、处理2D图像和图片的Image Processor、处理视频编解码的HD Video Processor。

图1：Tegra的芯片结构

虽然Tegra没有画出其它各个部分和ARM核心的链接方式，但根据惯例，GeForce GPU、Image Processor、HD Video Processor、USB OTG、显示控制器、HDMI、内存控制器这类的高速模块，会使用ARM提供的AXI高速总线连接，位宽应该在64bit以上，工作频率200MHz以上， 带宽可达1.6GB以上。

而I2C、I2S、UART以及IrDA（红外）、各类串行接口、AC'97等模块使用ARM提供的APB低速设备总线互联，传输率可达266Mb/s以上，并具备低功耗和接口设计简单的特点。

图2：Tegra的内部总线

这样看来，Tegra的内部总线和标准PC总线是如此类似(图2、图3)：AXI总线相当于北桥，APB总线相当于南桥。但是和PC系统不同的是，Tegra中特定模块在不使用时，是可以完全关闭的。比如在不处理3D数据时，GeForce GPU完全被关闭；而在无电话或MID待机时，除了一个很小的Alive模块仍处在工作状态下外，整个Tegra包括ARM都将进入休眠（Sleep）或者待机（Stop）状态，大限度节约电能。

图3：PC的内部总线

当键盘、触摸屏、或者芯片外的基带芯片接到指令，要求Tegra重新工作时，Tegra又会在1ms内回到正常工作状态，用户基本上感觉不到延迟。这就是移动应用处理器的大优势——高集成和低功耗。

而Atom目前不可能应用到智能手机中，因为仅仅一颗处理器就已经达到了一颗AP的面积，再加上配套芯片组，体积过于庞大。而且由于安装的大多是Windows XP系统，导致Atom待机和休眠后的恢复时间较长。不过，Tegra却能轻轻松松地进入类似Moto V8这样的超薄手机中发挥作用，并且快速切换休眠、待机和正常工作状态。

图4：Atom与Tegra的芯片面积、功耗大小比较

也许有的朋友会说这套系统的性能和PC相去甚远，但是不要忘了掌上设备运行的可不是臃肿的Windows桌面操作系统，而是针对小型设备优化过的Symbian、Linux、Windows CE、Windows Mobile，输出的是QVGA或者WVGA的LCD屏幕*。这样配置对系统性能的要求远远低于桌面电脑。

*注：QVGA即“Quarter Video Graphic Array ”顾名思义就是只有标准VGA尺寸的4分之一即分辨率为320×240像素。WVGA即“Wide Video Graphic Array”，分辨率为800×480像素。

在Tegra出现前，市场上已经有很多公司在生产自己的移动应用处理器，应用在各式各样的智能手机、MID、GPS导航仪等设备上。之所以NVIDIA推出Tegra会引起如此大的影响是因为NVIDIA的Tegra功能强大，部分性能可以说已经领先于目前市场上的AP整整一代的距离。

Tegra——口袋里的GeForce+nForce+PureVideo

前面说到，移动应用处理器大都会使用ARM的处理内核，所以在通用计算方面，各家的处理器性能应该不分伯仲。那么要提高自家产品的竞争力，除了价格战外，无外乎就是增加更多更强的功能。目前热门的移动应用无非是3D计算和高清视频编解码。

ARM处理核心虽然能够进行一部分3D计算，但是对于3D游戏、3D地图、3D操作菜单这类应用来说，ARM要么力不从心（游戏变成幻灯片），要么拖慢整个系统速度（3D菜单拖慢整机响应）。为了加强掌上设备的3D处理能力，OpenGL组织特地发布了针对掌上设备的3D编程语言OpenES，NVIDIA就是其中核心成员之一。但是具体的3D模块还是主要由应用处理器厂商自行设计。

另外虽然主流智能手机（包括部分非智能手机）已经能够播放视频，但是支持的视频格式要么是效果不理想的3GP格式，要么是压缩比不高的AVI格式。这样就使得用户只能在忍受低下的视频质量和付出更多存储空间中作选择。如果有了高清处理能力，不但能够在本机上随身欣赏精彩的H.264编码视频，还能通过HDMI接口输出到高清电视上和家人朋友共享。更方便的是有了高清编码能力，MID系统就能够拍摄高分辨率（VGA以上）的动态视频片段，然后实时压缩成H.264格式，兼顾效果和存储空间。

这么看来，谁能够设计出高效低功耗的3D和HD高清模块，谁的移动应用处理器就可能获得消费者的青睐。而在3D和高清两个领域NVIDIA都做出了一定的成绩：其3D模块设计能力在业界是比较突出的。同时NVIDIA推出的PureVideo高清加速技术也能够通过硬件加速达到降低CPU占用率的目的。

正因为这样的技术背景，再配合专门的低功耗、小型化设计，NVIDIA设计出的Tegra在3D和高清应用两个方面的性能，可以说已经超出了目前已经面世的AP整整一代的距离。

集成在芯片中的CPU

1.ARM，移动处理器的代名词

早期的单片机虽然功能还算多样，但是性能实在低下，只能完成遥控器级别的简单计算。这种局面一直延续到1990英国一家名为ARM的小公司的诞生。ARM（Advanced RISC Machine）是高级精简指令集处理器的简称，又是公司名字，既是产品的名称，现在更是移动应用处理器的代名词。

早使用ARM处理器的PDA——Apple Newton

这是一种全新的设计生产模式，简单说就是ARM集中精力设计处理内核、周边总线、部分和内核联系紧密的模块（如内存控制器、DMA控制器）。完成设计后并不付诸生产，而是将全部设计资料卖给其他应用处理器公司，由它们自行添加需要的功能模块并完成整个应用处理器的设计和制造工作，ARM只收取权利金。

龙芯2E处理器

这种全新研发思路可以说完全符合了掌上设备应用处理器的发展要求：一方面，应用处理器厂家可以自行决定需要添加的功能，专注于处理器功能的多样化，而不用自己费力去优化处理核心；另一方面，ARM公司自己又可以专注于不断提升ARM处理核心的性能、工艺兼容性以及降低功耗。

2.独辟蹊径的MIPS

ARM并不是唯一的移动处理核心技术，在1999年以前，MIPS才是移动市场上份额大的技术架构。相比ARM全心全力耕耘移动领域，MIPS则是服务器、工作站、移动处理全方位发展。我们耳熟能详的PS2、PSP游戏机，SGI的服务器，CISCO的路由器中都应用了MIPS架构的处理核心。

采用MIPS核心的PSP游戏机

而我们引以自豪的龙芯也引用了很多MIPS核心的概念。相比ARM，MIPS更多应用于专业领域，而非消费类领域，因此随着PDA，MID的发展，MIPS慢慢淡出了消费类移动市场。

Tegra 前景=“钱景”？

Tegra的前景虽然被人看好，但是前景不等于钱景。IT史上叫好不叫座的产品数不胜数，Tegra要想在江湖上立足，同样需要过五关斩六将。

1.Tegra周围强敌环立

对于一颗AP来说，要早日进入市场，还是必须讨好设备制造商。Tegra是个新生儿，虽然性能超强，但是几乎没有可继承的既有资源。必须重新设计电路板、重新设计整体软件解决方案。而Tegra的竞争对手：Ti（德州仪器）、Qualcomm（高通）、Freescale（飞思卡尔）、Samsung、Mavell（继承当初Intel全部移动应用处理器资源），个个都不是等闲之辈，已经在自己的细分市场上耕耘多年，有成熟的设计方案和完善的引脚兼容性。Tegra如何能让硬件厂商大规模使用就要看NVIDIA的公关能力了。

Tegra的竞争对手们

2.Tegra的系统在哪里

有了好的硬件同样需要好的软件来表现。Tegra发布会上动人的3D动画系统和漂亮的应用软件作为Demo可以吸引与会者。可是做Demo要比做系简单多了，而且实际应用起来还需要走很长的路。再加上说服Tegra的客户单独设计3D系统难度不小，自行开发操作系统又有悖于NVIDIA的长期政策，毕竟做系统和软件对于NVIDIA来说并不在行。如果没有合适的系统、应用软件和游戏让NVIDIA迅速站稳脚跟，那等到竞争对手也推出类似产品，Tegra就危险了。

3.芯片制造——Tegra现阶段的痛

NVIDIA的桎梏还在于没有自己的芯片工厂，因为目前半导体设计工作已经和制造工艺结合得非常紧密。NVIDIA只是依托于台积电的合作, 终效率可能比不上同时拥有设计和制造能力的Intel和Samsung。如果制造工艺发展不顺利，那么NVIDIA的芯片就无法进一步降低成本和功耗，后只能进入无奈的价格战。

而目前的情况是Intel的Atom已经实现45nm生产。据了解其它几个处理器大腕即将完成45nm芯片的设计或者制造工作。而台积电却没有45nm生产计划，直接跳至40nm的计划目前又受阻于技术难点，必须等到2009年中才能成熟。这意味着Tegra在现阶段发挥高性能的同时，可能无法快速降低功耗。

总之， Tegra的推出只是NVIDIA在移动应用处理器上迈出的一小步，之后技术支持的强弱、配套方案的合理化、后继产品的如期推出才是Tegra能否成功的关键。毕竟MID处理器芯片市场竞争的惨烈程度并不亚于桌面PC市场。

结语

有了ARM，我们能够进一步将计算缩小到掌上；有了NVIDIA，我们如今能够一步步的在电脑上再现现实世界。现在两者融合起来，势必将桌面PC的体验带进掌上MID。Tegra的横空出世意味着MID市场早已不是萌芽阶段，而是已经进入快速成长期。在业界还没有确定移动应用处理器的发展重点时，Tegra用自己的行动指明了一段时期内，3D计算和高清应用将是移动处理器发展的方向，并且一马当先地走在了这个方向的前列。

对于消费者来说，Tegra的出现将会进一步改变生活。Intel会不断地改进Atom的性能来面对NVIDIA的挑战。Tegra的终端产品就犹如一台助推器，它将带领着MID市场进入高速发展的轨道。这也预示着未来的移动处理世界将会变得无比精彩。