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关于三星Exynos，你想了解的都在这里（一）

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每年，都会有智能手机、平板电脑和个人电脑推陈出新，这些新品总能让人赞叹不已。自第一部智能手机问世以来，创新技术不断涌现，如今的智能手机与“前辈们”有了很大不同。手中一台小小的智能设备已经能够处理大部分使用个人电脑完成的任务。 移动处理器是决定智能设备性能的关键核心之一，它在移动设备中负责运行操作系统以及处理多媒体信息。多数情况下，它以SoC（system-on-chip，系统级芯片）的形式出现。SoC集成了多种半导体技术，并将计算处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）和调制解调器等系统模块集成到单个芯片中。简而言之，SoC是一种融合了使智能手机和平板电脑运行的所有关键部件的芯片。 我们将以系列文章的形式，介绍被称为“智能手机的大脑”的Exynos移动处理器及其背后的故事。在后续的文章里，我们将分别介绍各IP(Intellectual property core,知识产权核心)的作用和特点，如何赋予智能手机竞争力，以及未来的发展方向。第一个故事是关于GPU和ISP，第二个故事将讲述CPU和NPU，第三个故事则包括调制解调器、连接性和iSE。
移动处理器：技术密集型系统半导体
首先，由三星SoC开发主管兼高级副总裁Mingoo Kim为我们介绍，移动处理器(SoC)。 SoC系统半导体也被称为“片上系统芯片”，即各项功能都集成至单个芯片上。Kim说： “系统集成度越低，功耗越难控制。对于分散的系统，电源分配方案设计很难做到十分完美，导致电池的供电效率下降。此外，数据在芯片之间传输时，芯片之间的电气连接具有的带宽限制以及数据传输时间延迟也会导致芯片性能不能充分发挥。对智能手机而言，省电非常重要。因为它不能像台式电脑一样由外部持续供电。” Kim解释道：“得益于精心设计的电源控制方案，SoC具有很高的能效，并且，功能高度集成到单颗芯片内，外部系统也会随之简化，从而占用更少的PCB空间。当功能都由单个芯片进行处理时，性能会显著提升。”如今的智能手机不再只是简单发送、接收电话和短信的工具，而是进化成为高度智能化的移动终端，比如拍视频、玩游戏和访问金融服务等等。比拇指指甲还小的SoC在实现和运行这些功能中发挥了重要作用。 因为SoC聚合了大部分主要的信息科技类型，Kim将其描述为“系统半导体之花”。 Kim表示：“SoC并不是一个容易参与的领域，但它是一个有前景的领域，所有工程师都渴望成为其中的一员。SoC在未来各种领域都可以发挥作用，比如元宇宙、自动驾驶和6G。”
三星将持续专注于开发专有IP，包括GPU、NPU、ISP、调制解调器、RF等。在芯片设计上不断发力，成为平台解决方案公司。Kim说道：“凭借在SoC领域的竞争力，三星的目标是让Exynos成为公认的最好的移动处理器品牌。通过本系列，我们希望更多人了解SoC的作用和重要性，Exynos的特点和优势，以及未来的发展方向。” 扩展手游可能性：GPU提供更强大的图形性能
一般来说，图形处理需要大规模计算，如果是并行处理，就需要更快的速度，更高的效率。然而，CPU（ 中央处理器，central processing unit）的结构是专用于快速串行处理的，因此CPU具有恒定计算性能的特点，使用CPU进行图形处理会导致重要计算延迟。这种情况在玩游戏时会特别明显：在显示屏上渲染图形时，由于触摸输入延迟，你的角色可能就无法躲避“敌人”袭击。 为解决这些问题，GPU（图形处理器，graphics processing unit）应运而生。在GPU出现以前，CPU负责一切数据处理。GPU可以被看做一个独立的、提升效率的加速器，用于处理一系列被频繁调用的、相似的计算。简言之，CPU就像一个通用计算器，而GPU则是一个专用于图形处理的大型并行计算器，它是图形处理的关键组件之一。GPU接收来自CPU的指令，在显示屏上呈现对象的形状、位置、颜色和纹理。 Exynos 2200上配备的Xclipse 920，是三星与AMD联合开发的首款移动GPU。“Xclipse”的名称来源于Exynos的“X”和单词“eclipse（日食）”的组合，表明了三星的目标，即带来更出色的手游体验，达到游戏机级别的性能表现，迎来游戏新体验。
负责GPU开发的移动处理器设计专家、副总裁Sungboem Park
负责GPU开发的移动处理器设计专家、副总裁Sungboem Park
▲ 负责GPU开发的移动处理器设计专家、副总裁Sungboem Park
为此，三星与AMD合作开发了一款用于移动设备的高能效、游戏机级别的GPU。AMD的GPU专为个人电脑和游戏机设计，这意味着AMD必须重新设计以适配移动环境。具体而言，除散热管理外，这款GPU还需重新设计以适应相对有限的移动内存带宽。负责GPU开发的移动处理器设计专家、副总裁Sungboem Park表示：“凭借从开发移动SoC（系统级芯片，System on Chip）中所获得的有关低功耗设计的丰富知识，我们得以在这款联合定制的第一代GPU产品中同时实现了低能耗和小型化。移动设备不像游戏机一样配备风扇，且还必须保持性能及画面流畅，因此我们十分注重尽可能地减少发热量。在Exynos中，GPU的主要作用是在2D的手机屏幕上，呈现出虚拟的3D对象，当用户在移动设备上运行对图形要求高的游戏时，这一功能就显得尤其重要。 另外，Xclipse 920是一款支持硬件加速光线追踪（RT）的移动GPU。光线追踪是一种通过模拟从3D物体反射的光线，从而产生逼真照明效果的技术。通过硬件而非软件加速，Xclipse 920可以更快地执行实时运算。此外，可变速率着色（VRS）技术可根据屏幕上物体的颜色、阴影、运动和其他变量变化调节GPU计算量，以减少过载。
Xclipse 920支持硬件光线追踪（RT）技术，可模拟3D物体反射的光线生成逼真的灯光效果。
Xclipse 920支持硬件光线追踪（RT）技术，可模拟3D物体反射的光线生成逼真的灯光效果。
▲ Xclipse 920支持硬件光线追踪（RT）技术，可模拟3D物体反射的光线生成逼真的灯光效果。
随着游戏用户数量的增长和图形的呈现愈发精细，GPU的发展方向变得越来越重要：将性能提升至高性能游戏主机水平，同时降低功耗。通过改进这两点，能让用户在移动设备上体验到与游戏主机上类似的的高保真图形。Park说道：“总体而言，在图形技术方面，移动设备往往比游戏机落后约5年。不过，通过与AMD的合作，我们能在Exynos 2200移动处理器中快速融合最新的游戏机技术。这款SoC现已应用于Galaxy S22。通过与AMD持续密切合作，我们将继续实现AMD RDNA系列中的其他功能。”
谈及移动GPU的未来发展方向，Park说道：“随着智能手机性能的整体提升，旗舰智能手机用户很可能通过在玩游戏时的性能表现来选择是否购买新款产品。”这意味着，决定智能手机游戏性能的GPU将来会得到更进一步的发展。 Park还预测，移动GPU在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）领域也将变得更重要。他表示：“对于AR来说，GPU需配备在眼镜等轻量级设备中，因此其低功耗设计非常重要。VR领域对性能的要求则更高，须即时渲染出整个可见的虚拟世界。因此，GPU需要满足各种开发要求，同时还要以更快的速度生成更为逼真的画面。所以移动GPU的发展至关重要，它将带来更多可能的应用。” 提升相机性能：ISP生成更为自然、生动的画面
ISP（Image Signal Processor，图像信号处理器）能校正从图像传感器传输的原始数据，并将照片、视频，处理为用户喜欢的形式。另外，ISP还能纠正摄像头模组潜在的物理限制——由光学系统和图像传感器组成——插入红、绿、蓝（R/G/B）元素值并消除噪声。此外，它还能进行后期处理，比如调整视频亮度、增强细节区域。简言之，通过精细调整和后期处理，ISP可以生成用户想要的图片或视频。
手机摄像头ISP全流程
手机摄像头ISP全流程
▲ 手机摄像头ISP全流程
在早期的智能手机中，ISP往往作为单独的芯片配备。然而，随着市场需求发生变化，使用嵌入式ISP已成为常态。在视频处理领域工作超20年的多媒体开发组项目负责人（PL）Jongseong Choi表示：“起初，我们与海外研究机构开展合作，开发可用于数码相机的高性能ISP。我们的第一个嵌入式ISP解决方案被应用于三星Galaxy S4手机的主摄像头。”2012年以来，Exynos移动处理器通过嵌入式ISP，大大提升了智能手机视频图像质量，像素达到了数码单反（DSLR）级别。
在视频处理领域工作20余年的多媒体开发组项目负责人Jongseong Choi
在视频处理领域工作20余年的多媒体开发组项目负责人Jongseong Choi
▲ 在视频处理领域工作20余年的多媒体开发组项目负责人Jongseong Choi
凭借高性能ISP，用户能体验到高质量的视频图像以及快速的处理速度。Choi解释道：“摄影是主观的，所以很难用具体数字说明照片质量的好坏，我们开展各项研究，比如通过深度学习和ISP调节技术进行视频评估，生成自然、清晰的照片和视频。”此外，ISP还决定了连拍的速度，对高分辨率照片和视频进行快速处理。 全新Exynos配备的高性能ISP，可处理高达2亿像素，支持多达7个图像传感器，并能同时处理来自4个图像传感器的视频和照片。它还融合了语义分割技术，能为每种元素赋予不同参数，比如天空、灌木、皮肤等，在NPU（Neural-network Processing Unit，嵌入式神经网络处理器）的帮助下，它能识别所捕捉的场景。AI功能可以检测并标记人脸，并根据人脸位置调整视频的亮度、焦点和色彩。
使用语义分割的内容感知图像处理示例
使用语义分割的内容感知图像处理示例
▲ 使用语义分割的内容感知图像处理示例
当被问及ISP的未来发展方向时，Choi表示将聚焦于保持低功耗和提升视频图像质量上。Choi说：“图像传感器传输的数据经由ISP实时处理，而数据量呈指数级增长。” 他强调道：“将数据写入内存随后进行检索会消耗大量功耗，而Exynos中的ISP仅将数据保存在内存中一次，即可以最大程度地降低功耗。” Choi说道：“视频时代的到来比预期要快，所以我们一直聚焦于提升视频的图像质量。值得一提的是，我们始终努力通过提升视频图像质量来提升竞争力，即便在黑暗、弱光环境中亦如此。” *本文的产品图片以及型号、数据、功能、性能、规格参数等仅供参考，三星有可能对上述内容进行改进，具体信息请参照产品实物、产品说明书或者三星半导体官网（https://semiconductor.samsung.com/cn/）。除非经特殊说明，本广告中所涉及的数据均为三星内部测试结果，本广告中涉及的对比均为与三星产品相比较。
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