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5G手机为什么这么快?

  • 来源:互联网
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  • 2020-03-08
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5G时代,“快”仿佛成了最嘹亮的主打歌。

不论是系统设备商(卖基站),运营商(卖流量),还是手机厂商(卖手机),同为5G这一条产业链上的兄弟,正在合唱出5G时代的最强音。

那么,作为吃瓜群众,怎样直观地感受到5G的速度?基站离我们太远,但是手机离我们很近。要感受5G的速度,换一个最新的旗舰机,足矣!

手机,可以简单理解为微缩版的电脑。电脑上的核心三大件:处理器,内存和硬盘在手机上都能对应到相似功能的器件,只是名称不同罢了。

而5G,就相当于连接电脑和网络之间的网线,只是相比之前的2G,3G和4G速度快了很多。然而电脑的运行是否流畅,仅仅数据收发快是远远不够的,还必须考虑到处理器性能是否跟得上,以及内存和硬盘的读写速度等等。

手机也不例外。从近期发布的各大旗舰机来看,除了5G这个炙手可热的焦点之外,还有一些莫名其妙的缩写作为卖点,如骁龙865,NSA/SA,LPDDR5,UFS3.1,WiFi6等等,不一而足。

手机广告再酷再炫,对这些专业名称总是语焉不详。把手机想搞个明明白白咋就这么难?其手机要用着“爽快”,无非就是数据收发快,数据处理快,数据读写快这“三快”而已。

下面,蜉蝣君将逐个简要介绍下这些缩写背后的技术内涵。


一、骁龙865(数据收发快,处理快)

这是高通最新发布的移动平台,号称当前功能最为强悍的手机芯片,集成了CPU和GPU,可以实现视频处理,音频处理,相机,安全,定位,显示等诸多功能。

△ 高通骁龙865芯片

这种集成了手机80%以上功能的统一平台,业界叫做片上系统,英文为System on Chip,简称SoC。

SoC的高集成度让其更容易放入手机这个狭小的空间中,各模块间的协作也能有效降低功耗,因此成为了手机应用芯片的主流设计。

△ 高通骁龙865芯片内部模块

骁龙865这款SoC芯片到底有多强呢?

它采用7nm工艺制程,以及最新的A77架构。CPU大核主频为2.84GHz,中核主频 2.42GHz,小核1.8GHz,GPU升级为Adreno 650,可提供“PC级”渲染能力和游戏HDR显示优化功能,可支持QHD+分辨率下144Hz最大刷新率。

△ 不同分辨率的含义

如上图所示,QHD+就是俗称的2K分辨率,比传统的全高清1080P还要高上一个级别。而刷新率是画面显示在每一秒更新的次数,数值越高画面越细腻流畅。

并且,骁龙865的影像功能也极大增强:拥有10亿像素级别性能,可以每秒处理20亿像素,并可在4K HDR录制的同时进行6400万像素拍摄。

△ 高通骁龙865芯片功能强大

由上图可见,除了前面提到的几点之外,这款芯片在游戏和人工智能等性能上都信心满满。

手机的通信能力怎么样,是否支持5G,取决于一个叫做“基带”的模块。

基带(Baseband)的意思就是最原始的低频信号,也叫基带信号,随之,把处理基带信号的电路和芯片,也就简称为基带了。简单理解,基带就是指的基带芯片。

手机支持是否能支持2G,3G,4G,5G等不同制式,实现什么高级的通信功能,能达到多大的下载速率,都是由基带芯片决定的。可以说,基带芯片就是手机通信功能的灵魂。

如前所述,手机要正常工作,必须具备两套芯片:处理5G信号的基带芯片,和前面提到的处理其他功能的主芯片(应用芯片)。

基带芯片和应用芯片这两个部分咋样组合呢?有两个方案。

方案1:两个芯片作为独立的单元协同工作,叫做基带芯片外挂。这个方案的优点是两个芯片可以灵活组合,但会让电路设计更加复杂,功耗和成本有所上升。

方案2:两个芯片融为一体,成为一个统一的SoC平台,集成度高,功耗可以进一步低,信号的稳定性也更高。

△ 应用芯片和基带芯片

我们本文讲到的高通骁龙865采用的是方案1:基带芯片外挂。

其外挂的X55基带芯片,可支持5G独立(SA)和非独立(NSA)双模组网,Sub6G,毫米波等多个频段,以及载波聚合,DSS等多种5G黑科技,可以达到7.5Gbps的峰值速率。


△ 高通X55基带

总而言之,高通的骁龙865平台加上X55基带强强联合,能支持5G几乎所有部署模式和频段,网速快,处理速度也快!


二、WiFi6(数据收发快)

在流量费用高昂的3G和4G初期,WiFi曾经是智能手机畅快上网的必须,速度快还不要钱,号称继水和电之外的第三大基础需求。

曾经,很多人的进门之后说的第一句话就是:“WiFi密码是多少?”。但有可用WiFi的地方毕竟有限,于是连蹭网都成了刚需。

自从WiFi标准被IEEE(电气和电子工程师协会)在提出以来,经过了20年的蓬勃发展,一步一个脚印,出了一个又一个协议版本,从802.11n开始,下载速率有了质的飞跃。

△ 历代WiFi协议

然而随着4G的全面覆盖和提速降费的不断推进,流量的价格已经足够便宜,大家对WiFi的依赖逐渐降低,对流量的使用也不再像以前那样精打细算,随时随地刷视频也毫不心疼了。

5G来了,流量将更加便宜,WiFi又将何去何从?很显然WiFi并不甘于被边缘化的命运,推出了最新的标准WiFi6,欲和5G相抗衡。

顾名思义,WiFi6就是第六代WiFi技术,虽然它的技术标准名称是IEEE 802.11ax,但是在宣传上毅然摒弃了这一串反人类的字符,直接就叫WiFi6,简洁明了。

△ WiFi6的LOGO

WiFi6采用了OFDMA来支持多用户接入,还有更高阶的调制、更大的带宽、更多流同时传输的MIMO,使其理论峰值速率达到了9.6Gbps,实际使用起来已经跟5G的速率相当了。

△ 几代WiFi技术的系统参数

这些技术似乎听起来如此耳熟?其实它们也是5G的关键技术。各种标准之间相互借鉴,好东西大家一起用也是共赢的选择。

无论如何,WiFi6和5G将互为补充,在今后的旗舰机上拥有一席之地,共同为了“网速快”这一历代通讯技术孜孜以求的目标而在手机这一方寸之地纵横驰骋。


三、LPDDR5(数据处理快)

说到手机的内存,可能很多人会问:我的手机内存是128G,这应该够大了吧?

其实,此“内存”非彼内存。一直以来人们对于手机存储方面的叫法就非常混乱,有内存,运存,存储空间,闪存,RAM,ROM等等,不同的叫法混淆不清,把人绕得云里雾里。

△ 手机内部机构

基于这些存储器在手机内部的用途,可以把这些存储分为两类:

1、内部临时存储APP运行时的动态数据,用户没有权限使用的存储空间,可叫做“内存”,“运存”,“RAM”。

RAM全称为Random Access Memory,翻译为随机存取存储器,其最大的特点是内部存储的数据不能持久保存,程序退出,或者断电关机时里面的数据都会被清除。本文讲的LPDDR5就属于这一类的存储。

2、存储APP程序,个人照片,音乐,文档,个人能够感受到的被这些资料逐渐占满的存储空间,可叫做“存储空间”,“闪存”,“ROM”。

ROM即是Read Only Memory的简写,翻译过来就是只读存储器的意思。听起来有些不可思议,既然ROM存储的内容是只读的,那么用户还咋在手机上存音乐照片视频(写内容)?

其实,不需要纠结ROM这个历史名称的本意,现在的ROM早已演化到了EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory,电可擦除可编程只读存储器),也别这那一长串单词蒙蔽了双眼,只需知道ROM其实就是手机上那一块存储用户数据的器件即可。

因此,在手机市场上,ROM就直接被认为是手机的存储容量。苹果手机的64G,128G等各种版本,就是指的这一类存储空间的不同。

当前的安卓手机配置中存储组合一般会有2GB+16GB、3GB+32GB、4GB+64GB等等,这些加号前面的2GB、3GB、4GB就指的是RAM;加号后面的16GB、32GB和64GB等数值就指的是ROM的容量。

上述第1类存储(RAM)决定了手机系统及APP运行的速度,第2类存储(ROM)决定了手机上能存储多少文件以及这些文件存取的速度。这两种类型的存储都是非常重要的。

这两类存储在电脑上的区分是非常明确的,第1类(RAM)就是内存条,第2类(ROM)就是硬盘。大家都很清楚硬盘是用来存储个数数据的,永远不会有人说自己的个人照片存在电脑内存里。

而到了手机上,随着使用人群的扩大,并且手机并不存在硬盘,“内存”这个词很容易被望文生义为“内部存储空间”的意思,混淆由此发生。

一般安卓手机在宣传时,都会以xGB RAM(或者内存)+ xGB ROM(或者闪存)的方式来进行。这样虽然简化但还是不够明晰,但也只能如此了。

△ RAM + ROM

LPDDR是手机内存的标准,全称为Low Power Double Data Rate SDRAM,是美国JEDEC固态技术协会(JEDEC Solid State Technology Association)面向低功耗内存而制定的通信标准,以低功耗和小体积著称,专门用于移动式电子产品。

2019年2月20日,JEDEC固态技术协会发布了最新的标准LPDDR5,至此标准已发展到第五代(跟5G有异曲同工之妙)。有了标准,再经过一年的产品化,确实到了商用的时候。

那么,RAM是怎样演化到了LPDDR5的呢?

RAM技术不断向前发展,出现了SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态RAM),之后又在SDRAM的基础上出现了DDR SDRAM(Dual Data Rate SDRAM,双倍数据速率SDRAM),简称作DDR。

SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据,它只在时钟上升沿进行数据传输;而有了DDR技术之后,则可以一个时钟周期内可传输两次数据,也就是在时钟的上升沿和下降沿各传输一次数据。因此数据传输速率可以达到SDRAM的两倍。

DDR的主要特点是高带宽,低延时,所以更适合于CPU这种数据随机读取的场合。熟悉电脑配件的朋友应该对DDR3,DDR4等内存是非常熟悉的。

为了满足显示的应用需求,在DDR的基础上诞生了GDDR(Graphics Double Data Rate,图像DDR),其特点是高带宽、高延时,适合显示图像这种需要大数据量传输而对时延不太敏感的场合。

与此同时,为了支持手机等低功耗,小体积内存等移动式电子产品的需求,同样在DDR的基础之上定义了LPDDR(Low Power DDR,低功率DDR),又称为mDDR(Mobile DDR),专门用于手机。

△ DDR,LPDDR,GDDR的关系

由上图可以看出,用于手机内存的LPDDR已发展到第五代,也就是最新的LPDDR5。从下图看出,相比于上一代标准,LPDDR5的性能提升是非常显著的,相较于双通道LPDDR4x,LPDDR5理论速度提升到了5500Mbps,功耗降低20%。

△ 历代LPDDR的性能提升

除了出尽风头的主芯片平台之外,作为幕后英雄内存架构同样也是制约系统性能的关键因素。如果用城市来比喻CPU的话,内存就相当于是城市间的交通系统。内存架构的升级相当于动车到高铁的升级,带来的效率提升不言而喻。


四、 UFS3.1(数据读写快)

在上一节已经讲过了RAM(内存)和ROM(闪存)的区别,本节我们就单刀直入,直接开讲目前最新的闪存技术:UFS3.1。

UFS3.1是手机ROM(前面讲到过,也叫闪存)的最新技术,跟前面的LPDDR5一样,也是美国JEDEC固态技术协会制定的标准,在2020年1月刚刚发布了最新版本。

△ UFS:Universal Flash Storage

UFS的全称是Universal Flash Storage,翻译过来就是通用闪存存储的意思。UFS后面带的3.1自然就是该标准的版本号了,数字越大能力越强。

跟它的上一代标准UFS3.0相比,UFS3.1引入了一些新技术,重点突出一个“快”字。怎么个快法?可以细分为写入速度和读取速度这两个方面。

首先写入速度,由于UFS3.1引入了写入增强(Write Booster)功能,其文件顺序写入速度可从UFS3.0的500MB/s提升至728MB/s。

再说文件的读取。手机在使用过程中会越用越卡,其中非常重要的原因之一是越读越慢。由于文件在存储时是分成很多个小块存储到闪存中的,因此在读取时必须通过查一张映射表找到各个小块存储的地方。

UFS3.1新引入的主机性能增强(HPB:Host Performance Booster)功能,可以把这张映射表缓存在内存中,用来提升读性能,尤其是长时间使用后的读取能力。其顺序读取速度将达到1772MB/s!

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