tegra 4

定义

tegra 4是英伟达设计的一款面向移动设备的系统级芯片(SoC)，把中央处理器、图形处理器、视频编解码与显示控制等模块集成在单一硅片上^[1]。它是Tegra系列的第四代产品，前代tegra 3基于Cortex-A9架构与40纳米工艺，而tegra 4改用更先进的ARM Cortex-A15核心与28纳米制程^[4][6]。

芯片在正式发布前长期以“韦恩”作为内部代号流传，2013年1月由英伟达首席执行官黄仁勋在拉斯维加斯消费电子展的主题演讲中正式公布^[7]。按英伟达的定位，它面向智能手机、平板电脑、游戏设备、车载信息娱乐与导航系统以及个人电脑等多条产品线^[8]。

同属tegra 4家族的还有面向手机的衍生型号tegra 4i，其内部代号为“灰计划”(Project Grey)，改用Cortex-A9 r4核心并将LTE基带直接整合进芯片，与标准版tegra 4需要外挂基带的做法不同^[9][10]。

原理

tegra 4的CPU部分采用英伟达称为“4+1”的架构：4颗Cortex-A15核心承担高负载运算，第5颗为第二代节电核心，在待机、音乐播放等轻负载场景下替代主核心工作以降低功耗。多颗核心按任务类型在核心之间切换，而非全部同时运行，这一思路延续自tegra 3^[11]。

图形部分由72个定制GeForce GPU核心组成，英伟达称其图形性能为tegra 3的6倍^[1]。GPU可编程特性被用于通用计算，英伟达表示该能力通过OpenGL ES接口调用；芯片支持4K超高清视频播放，制造工艺为台积电28纳米HPL，核心频率可达1.9吉赫兹^[6][3]。

显示与节能方面，芯片引入第二代PRISM显示技术，通过调节背光强度与像素内容降低屏幕功耗，英伟达称其耗电量比第一代PRISM少25%。在常规使用场景下，整颗芯片的功耗比tegra 3低约45%，官方给出的手机高清视频连续播放时长为14小时^[1]。

摄影运算架构是tegra 4的另一项设计重点：它把GPU、CPU与相机图像信号处理器串联起来，将CPU置于更靠近成像管线的位置，使设备能够连续拍摄不同曝光的多帧画面并即时合成高动态范围结果^[4]。英伟达给出的对比数据是单帧处理约0.2秒，而同期某款手机拍摄一张HDR照片约需2秒^[12]。

网络连接并非tegra 4的片上功能，设备厂商需选装英伟达第五代Icera i500软调制解调器芯片组才能获得4G LTE语音与数据能力^[1]。i500以可编程处理器阵列代替固定硬件电路，可通过软件更新调整支持的频段与制式，其体积约为传统调制解调器的40%^[10][13]。

发展历程

2012年底，一份流传于中文论坛的路线图资料提前披露了“韦恩”的规格，包括4颗Cortex-A15核心、72个图形核心与28纳米工艺，此后多家媒体据此报道^[14]。2013年1月6日，英伟达在消费电子展前的发布会上正式推出tegra 4，同时公布基于该芯片的安卓游戏掌机计划“Project SHIELD”^[1][12]。

2013年2月，英伟达在巴塞罗那世界移动通信大会前夕发布整合LTE基带的tegra 4i，并展示名为“凤凰”(Phoenix)的参考手机设计，该样机厚约8至9毫米，配备5英寸1080p屏幕^[9][15]。同年2月下旬的世界移动通信大会上，tegra 4、tegra 4i与i500基带一同对外展示^[16]。

产品化的节奏晚于发布节奏。tegra 4在2013年第三季度才进入批量出货，首批落地产品是英伟达自家的SHIELD掌机、tegra Note平板与中国厂商小米的旗舰手机小米3^[17]。截至2013年第三季度财报电话会议，英伟达称tegra 4已进入超过15款移动设备，合作方包括华硕、惠普、微软、东芝与宏碁等。

财务层面的结果并不理想。英伟达2013财年第三季度tegra业务营收为1.112亿美元，环比增长111.4%，但同比下降54.4%，公司将其归因于tegra 4出货量低于上年同期tegra 3的水平^[18]。此后tegra系列的后续型号转向K1等新命名，tegra 4逐渐退出主力产品序列^[19]。

应用

手机方面，tegra 4最受关注的采用者是小米3的移动版本，该机型于2013年9月发布，同一产品线另有采用高通骁龙800的版本^[17]。采用整合LTE基带的tegra 4i的手机产品数量较少，公开可见的机型包括LG G2 mini等^[5]。

平板电脑是tegra 4出货相对集中的领域，公开机型包括英伟达自有品牌tegra Note、华硕Transformer Pad系列变形平板、惠普SlateBook 10 x2以及东芝Excite Pro的10英寸版本等^[17]。英伟达自家的tegra Note以7英寸屏幕、1280×800分辨率与触控笔为卖点。

游戏设备是英伟达为tegra 4规划的重点场景。2013年推出的SHIELD掌机采用该芯片，配备5英寸720p可翻折屏幕与3块电池，官方给出的游戏续航为5至10小时，并支持将画面输出到电视以及通过串流方式运行个人电脑上的游戏^[12][6]。

汽车电子是tegra 4布局中增长最明显的一块。英伟达在2013年财报沟通中表示，汽车业务已占其tegra芯片相关营收的25%，应用方向涵盖数字仪表盘、车载信息娱乐系统与驾驶辅助系统^[18]。此外该芯片也被用于嵌入式设备与部分安卓一体机、智能显示产品。

局限

功耗与散热是tegra 4面临的主要制约。Cortex-A15架构在提供较高单核性能的同时功耗偏高，有分析依据SHIELD的电池容量与续航反推设备级功耗约为4至8瓦，明显高于同期掌机，与配备视网膜屏幕的iPad处于相近量级^[6]。采用该芯片的小米3也曾因发热问题受到用户批评^[5]。

基带缺失削弱了tegra 4在手机市场的竞争力。标准版tegra 4本身不含蜂窝基带，厂商需额外选装i500芯片组，而同期竞争对手已把应用处理器与LTE基带整合在单颗芯片中，这使tegra 4在整机成本与主板面积上处于不利位置^[19][20]。tegra 4i虽补上了这一环，但上市时间偏晚、机型有限^[5]。

时间窗口的错失同样构成限制。芯片在2013年1月即已公布，量产上市却推迟到第三季度，间隔约7个月，其间竞争对手的同类产品已经铺开^[21][17]。英伟达在2013财年第三季度财报中将tegra营收同比下降归因于tegra 4出货量不及上一代，显示其市场渗透未达公司预期。

此外，英伟达在发布时提出的性能比较多来自自家演示。例如网页加载测试中tegra 4样机用27秒、对比设备用50秒，但两者所用浏览器并不相同，媒体指出这一结果需谨慎看待。芯片GPU的具体微架构在发布时亦未完整公开，其通用计算能力通过OpenGL ES实现而非桌面级的CUDA路径^[6]。tegra 4i的i500软调制解调器虽节省芯片面积，但此前采用同类方案的产品在续航表现上并不突出，其实际能效仍待验证^[6]。

参见

• Tegra —— 英伟达面向移动与嵌入式设备的处理器产品系列，tegra 4是其第四代成员。

• ARM —— 提供Cortex-A15与Cortex-A9处理器核心架构的英国半导体设计公司。

• 黄仁勋 —— 英伟达联合创始人兼首席执行官，主持了tegra 4的发布。

• 系统级芯片 —— 将处理器、图形与外围控制模块集成于单颗芯片的集成电路形态。

• 高动态范围成像 —— tegra 4摄影运算架构重点支持的照片与视频处理技术。

• 消费电子展 —— tegra 4首次公开发布的场合。