晶片產業的「楚河漢界」:為何稱霸 PC 的晶片製造商,跑去做手機晶片就會失敗?

NVIDIA TEGRA 3 晶片

【為什麼我們要挑選這篇文章】在晶片產業中,電腦晶片與手機晶片有一條「楚河漢界」,不管是電腦晶片廠製造手機晶片,還是手機晶片廠製造電腦晶片,通常都是以失敗收場。下文透過 NVIDIA 的失敗案例與 AMD 與三星的合作,帶你了解這條界線跨不過的原因。(責任編輯:郭家宏)

手機晶片和 PC 晶片廠商向來各玩各的。在晶片製造這條「楚河漢界」的兩端,一面是以英特爾、AMD、和 NVIDIA 為核心,致力於桌面辦公的「老大哥」,而另一面則是以高通、蘋果、和麒麟為代表,主宰移動時代的「後浪」;前者在 PC 時代風光無限至今仍餘威不減,而後者則在移動時代大顯身手欲掌控 5G 時代。

從 PC 時代,到移動時代,再到如今的 5G/IoT 時代,手機晶片廠商和 PC 晶片廠商之間「你來我往,好不熱鬧」,然而「小卒子過河,有去無回」,雙方只要一躍邊界,便彷彿受魔咒一般無法正常發揮。無論是曾經紅極一時的 NVIDIA Tegra 手機晶片,還是當下被寄予厚望的高通驍龍 PC 晶片,都有些上不了檯面。

NVIDIA Tegra 手機晶片以失敗收場

NVIDIA Tegra 出生於一個好時代,準確的說,是一個「天時地利人和」的絶佳時代。

2007 年 1 月,iPhone 一代產品在美國舊金山橫空出世,憑藉著全觸控設計和 iOS 操作系統等優勢,賈伯斯和蘋果正式將手機行業拉進智慧手機時代。同年 11 月,Google 正式對外展示了 Android 操作系統,並以 Apache 免費開源許可證的授權方式,發佈了 Android 的開源碼。自此,當今兩大手機操作系統全部亮相,而 NVIDIA Tegra 便是誕生於此時。

2008 年 2 月,已經洞察到移動市場潛力的老黃(NVIDIA CEO 黃仁勛)發佈了旗下首款應用於智慧手機與掌上電腦平台的 APX2500 晶片,即 Tegra 第一代晶片,然而無法完全摒棄 PC 晶片製造思維的老黃,注定了 Tegra 未來的悲慘結局。

事實上,早在第一代 Tegra 晶片之前,NVIDIA 旗下便擁有自家的手機晶片,即 Goforce 晶片,這個聽起來便很老黃的命名方式,與當下 NVIDIA PC 端 Geforce 獨立顯卡僅有一字母之差。

作為專為手機等行動平台打造的獨立顯卡,搭載 Goforce 平台最知名的產品或許便是摩托羅拉 V3 系列中的 V3xx 了,然而 GoForce 3D 4800 的加持並未讓 V3xx 有多「鶴立雞群」,反而由於比較雞肋的可編程 GPU 3D 核心(儘管是移動端首個可編程 GPU 核心)等因素影響,GoForce 在 GoForce 6100 之後便銷聲匿跡。

相比整合度更高的 SoC 晶片,以 Goforce 為代表的移動端獨立顯卡徒有一個高端大氣的虛名。在實際商用過程中,無論是整合晶片提升匯流排效率,還是提升生產效率節省成本,亦或是降低功耗減少散熱,SoC 晶片都有其獨到的優勢,也正是如此,老黃才決心自己製造 SoC 晶片,即 Tegra 系列晶片。

然而剛一推出的 Tegra 一代產品並未獲得太多訂單,僅有彼時致力於打造 Windows Phone 作業系統的微軟給予支持,直到首款移動雙核晶片 Tegra 2 的出現。

憑藉著不錯的 CPU 性能和領先於對手一代的 GPU 性能,Tegra 2 獲得了不少主流手機和平板電腦品牌的訂單,包括三星、摩托羅拉、LG、東芝、Acer、華碩等,Strategy Analytics 市場調研數據顯示,2011 年 Tegra 2 在 Android 平板電腦的市佔率約為 34.4%。

然而架構老舊的 Tegra 2 依舊存在諸多問題,除了依舊採用分離式渲染架構,老黃的習慣性閹割也令 Tegra 2 出了大問題,缺失 neon 單元(simd 拓展指令集)的 Tegra 2 在多媒體性能上遠不及彼時友商的 SoC,而這也成為了 Tegra 2 的最大黑點。

而到了 Tegra 4 時代,Tegra 系列的訂單大幅減少。據中國媒體快科技此前報導,2012 年搭載 Tegra 晶片的手機市佔率僅為 1~2%,同比下降 54%,彼時的高端和低端晶片市場分別別高通和聯發科。

當然,這中間還有一個插曲,彼時僅將高通視為對手的英特爾,在移動端晶片市佔率將至不到 1%,至此 PC 端兩大晶片廠商發力手機端的夢想隨之破滅。

Tegra 失敗的四大原因

總結來看,Tegra 系列失敗的原因主要包含四大方面:架構老舊、基頻缺失、功耗過高、以及價格問題。

首先,Tegra 系列吃老本,架構老舊,製程工藝上落後友商(K1 之後好一些),比如 Tegra 4 未使用當時業內的統一渲染架構,而是採用老舊的像素、頂點分離式,這直接導致 Tegra 4 不支援當時新的 OpenGL ES 3.0 標準規範,與友商差了一大截。

架構老舊直接導致本來略有領先 CPU 和 GPU 性能,在隨後被友商逐漸追趕並碾壓,在搭載 Tegra 4 的小米 3 移動版發表會上,老黃用蹩腳的中文表示,「我們特別擅長圖形處理技術」,然而在移動市場,老黃似乎並沒有如其所願。

其次,基頻的缺失,這一直是老黃造手機晶片最大的弱點(唯一整合基頻的產品只有 Tegra 4i,但是性能卻閹割很多,產能也有問題),這導致很多 OEM 廠商在 NVIDIA 買晶片之後還要去高通等廠商買基頻,以至長期無法及時完成處理器和基頻的整合,這也是為什麼當時 NVIDIA 在平板市場較為突出的原因(無需基頻),而「買 CPU 送基頻」的高通則在基頻整合方面優勢明顯。

第三,則是功耗過高、散熱不行而導致降頻,當然這是和架構老舊有著直接關係。「架構落後,性能全是靠發熱堆上去的」,一位 Tegra 產品老用戶回憶道。

目前唯一為大家所瞭解、搭載 Tegra 晶片的任天堂 Switch 改採用的 X1 晶片為 20 nm 架構,同架構的產品為當年高通的失敗之作驍龍 810,過高的 TDP 功耗引發的過多熱量,導致 X1 在 Switch 中只能透過降頻來緩解,所幸的是 Switch 對於硬體性能要求並不高。

第四,價格問題。如果說高端晶片是由於基頻等問題無法和高通競爭,那麼中低端晶片便是由於成本過高無法與聯發科等廠商競爭。

如今,在移動市場大敗的 Tegra 晶片已經全面轉戰於自動駕駛領域(2015 年),而曾經 Tegra 的官網如今也已經改成 Jetson,而任天堂下一代 Switch 的處理器便很有可能為 Jetson TX2。

AMD 聯合三星,衝擊手機 SoC 晶片新高度

除了搭載 Jetson TX2 晶片,此前也有外媒透露,這款並不會在今年推出的全新 Switch 或將搭載三星與 AMD 聯合研發的全新處理器,這項始於 2019 年的合作極有可能改變整個移動晶片市場格局。

2019 年 6 月,三星與 AMD 宣佈將在晶片領域開啟深度合作,AMD 將向三星授權 RDNA 圖形架構的可定製圖形 IP 以用於移動設備,而三星則將向 AMD 支付技術許可費和版稅。

對此,AMD CEO Lisa Su 表示,「與三星達成合作後,AMD 將加速圖形處理技術在電腦、遊戲機、和雲端等領域的應用,推動手機 GPU 的創新步伐,同時擴大高性能 Radeon 圖形處理技術的客戶群及生態系統。」

同年 11 月,外媒消息顯示,三星將解散自研貓鼬架構 CPU 團隊,重新擁抱 ARM 架構(不排除三星會對公版架構進行半定製設計),這將意味著飽受自研架構拖累(能效、製程等方面均有所差距)的三星 Exynos 處理器性能或將重回、甚至超過 Exynos 7420(貓鼬架構前最後一代公版架構 CPU)時代的巔峰。

然而,對於三星而言,光是重回 ARM 公版架構顯然是沒有用的。眾所周知,相比高通驍龍晶片,目前三星 Exynos 與華為麒麟晶片最大的劣勢便是 GPU 性能的差距,這主要是由於三星和華為採用的是 ARM Mali GPU,相比驍龍 Adreno GPU 差距明顯,這也是三星此次與 AMD 合作的關鍵原因。

不久前曝光的三星 Exynos 1000 晶片(或為 5 nm 工藝)測試數據顯示,該晶片 GPU 多項成績已經遠遠超過驍龍 865 的 Adreno 650 GPU,正常模式下,Manhattan 3.1 得分高出 Adreno 650 47.8%,而在對 GPU 性能要求更高的 Aztech Normal 和 Aztech High 項目測試中,Exynos 1000 則分別高出 Adreno 650 160.9% 和 190%,GPU 性能優勢明顯。

據瞭解,Exynos 1000 所搭載 GPU 的架構便是 AMD RDNA,即 AMD RX 5×00 系列同款 PC 端顯卡平台。多項綜合基準測試表明,AMD RDNA 架構的 GFXBench 測試成績高於 Adreno 650。而此前也有媒體表示,即將發佈的三星 Exynos 992 在運算性能方面也將比驍龍 865 提升 1~3%。

事實上,這並不是 AMD 首次進軍手機晶片市場,早在 2002 年,ATI 便推出自家手機處理器 ATI Imageon,2006 年被 AMD 收購後改名為 AMD Imageon,然而由於這款處理器糟糕的市場表現,2009 年 AMD 將其以 2000 萬美元(約新台幣 6 億元)打包賣給了高通,這便是 Adreno GPU 的前身,因此現在三星與 AMD 合作的全新三星 Exynos 處理器,在某種意義上與高通驍龍處理器是同宗同源的。

至於 AMD 為何不自行進入手機晶片市場而選擇三星合作,主要是由於 NVIDIA Tegra 晶片的前車之鑒,和三星在手機晶片領域多年來的經驗積累。

首先,晶片功耗過高等問題是手機晶片的大忌,這是 AMD 這家 PC 晶片廠商無法解決的,依託三星 Exynos 是非常明智的選擇。

其次,在手機晶片的製造上,三星擁有雄厚的技術積累,如果不是三星自研架構的拖累,或許現如今 Android 手機晶片市佔率會有很大不同。

再次,5G 初期,越來越多的手機 OEM 廠商選擇三星 Exynos 晶片,比如去年 vivo 主動向三星尋求合作的、搭載 Exynos 980 晶片的 vivo X30/X30 Pro 5G 手機。

最後,CPU 市場已經被高通、三星、華為、聯發科等幾個玩家控制著,自行進入顯然不合適宜,專利費就是個大門檻,因此 AMD 現在與三星的合作模式(還能收取費用)顯然要划算得多。

PC 晶片廠商造手機晶片這件事,NVIDIA 不是第一個,AMD 也不是最後一個。至於未來如何,讓我們拭目以待。

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈PC 芯片厂造手机芯,为什么这么难?〉。首圖來源:Wikimedia Commons

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