Android架構之亂,x86挑戰ARM大軍,效能/相容性/續航力完全測試

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Intel Atom在2008年正式在市場上銷售，最先出現的系列為Atom Z5xx系列，目標市場為當時的MID。接著出現Atom N2xx與2xx系列，主要搭載在小筆電上；當年年底則是推出了Atom 330，除了是雙核心的之外（2顆CPU晶粒封裝在一起），更支援了64bit。

貧弱的顯示效能另外一方面，Intel在前幾代Atom搭配的GPU一直都處於貧弱的狀態，剛開始的Atom根本無法順暢播放1080p的影片；後來升級了PowerVR核心的GPU，支援1080p影片播放，但3D繪圖能力還是「幻燈片」狀態，幸好NVIDIA的ION彌補了Atom的空缺。

失去了小筆電這塊餅，自然要去找其它食物來吃；其實近年來Intel為了防範ARM進入低階伺服器、網路儲存裝置的市場，推出Atom上陣殺敵，除了節能效果逼近ARM的處理器之外，更可直接沿用為X86架構撰寫的軟體，減少轉換陣痛期。

Atom的新戰場
跟消費市場比較相關的，就是近期蓬勃發展的手機與平板裝置。搭上微軟的Windows 8上市，各家廠商也都推出所謂的「變形筆電」，螢幕與鍵盤可分離，欲在iOS與Android市場中分1杯羹。可惜市場對Windows 8的市場接受度不高，加上變形筆電雖比傳統筆電續航力長、平板模式比筆電輕盈，但價格偏高、運算效能不夠的情況下，市場反應冷淡。若是Atom搭上Android系統呢？這樣子有搞頭嗎？依照Android對於硬體需求不大的情況來說，似乎是合理的行為。好吧！Android日益肥大也是事實。

Atom手機反應普通
採用Atom的Android手機，其推出時間比Windows 8版本還要早，早在去年4月就與印度電信商Lava合作推出XOLO 900。說是合作，其實就只是拿Intel的公版機印上XOLO的圖案就拿出來賣了，外型十分的有「工程」感。

另一台Intel手機就是聯想所推出的K800，外型上雖也是菱菱角角的設計，但至少是重新設計過的產品，就曾經握過的手感來說，的確是款成熟產品。可惜K800僅限中國地區販售，Andorid介面也深度客製化，有點認不出這是款Android手機，內部也沒有Google Play軟體商店。

今年3月中旬，Lava開始發售XOLO X1000手機，採用4.7吋1280 x 720螢幕，以及Atom Z2480 2.0GHz的版本，價格約369美元左右，折合新台幣約11,000元出頭，價格上十分具有吸引力。

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2013-7-22 13:01 上傳

▲Lenovo K800從裡到外全部自行設計，連Android介面也被改到爹娘認不太出來。

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2013-7-22 13:02 上傳

▲Lava所推出的XOLO 900，外型相當的一般，推出時價格只要22,000盧比（約新台幣萬元出頭）。

FonePad內藏Intel
本年度的MWC世界通訊大會上，華碩除了如各界預料的推出PadFone Infinity之外，還推出1款phoneblet（可以講電話的平板、螢幕很大的手機），稱之為FonePad，內部主要處理核心為Intel Atom Z24x0。Intel與華碩合作有許多策略意義，包含擴大出貨地區，突破以往Atom手機僅在部分區域販售的限制，同時FonePad也將成為在台灣第一台正式販售的Intel Android裝置。

就華碩的訂價策略來說，與FonePad正面衝突的平板，反而是自家與Google合作推出的Nexus 7，當然也會就此部分進行全面性的比較，但是在此之前我們先來了解Intel Z24x0的CPU硬體架構。

Z24x0系列有3種
到目前為止，Intel Z24x0系列共推出3款型號，分別為Z2420、Z2460、Z2480，標準時脈為1.2GHz、1.3GHz、1.3Ghz，藉由Burst Mode可達1.2GHz、1.6Ghz、2.0Ghz。後兩者較早推出，搭配Intel XMM6260基頻處理器，平台代號為Medfield；而Z2420較晚推出，搭配Intel XMM6265基頻處理器，平台代號為Lexington，但三者的核心代號皆為Penwell，在CPU架構上是相同的。XMM6265最大的改變就是能夠支援雙SIM功能，Lexington平台最主要針對150美元以下的手機市場。

在封裝上為了符合行動產品的要求，此3款產品的封裝面積只有12 x 12（mm），也支援常見於行動產品的PoP封裝（Package on Package，將記憶體以錫球直接焊在SoC上面），最高可支援1GB的LPDDR2。

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2013-7-22 13:03 上傳

▲FonePad採用整套的Atom平台，所以擁有3G網路連線能力。

CPU功能不刪減
為了將晶片的耗電量降低，除了一般想得到降頻，以及使用更小、更新的製程之外，有時還會將不必要的功能砍掉，藉以縮小晶片面積。但Atom Z24x0系列的功能相當完整，規格與一般桌上型Atom看齊。

Atom Z24x0部分尚未導入Intel新一代的製程，僅使用32nm製程Hi-K LP（高介電係數金屬閘極，低功耗），Tri-Gate 3D電晶體就更不用想了。L1指令快取為32KB、L1資料快取為24KB，L2快取則是512KB。

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2013-7-22 13:03 上傳

▲Penwell內部區塊圖，可以看到雙解碼器和HT功能的Thread 0和Thread 1部分。

強化2種省電模式
Intel為了降低功耗，除了原先Atom舊有的C6電源狀態之外，還有S0i1與S0i3這2種省電模式。S0i1使用在螢幕開啟，但使用者不與裝置互動的狀態下，將SoC裡絕大部分區域設定成power gated狀態，降低未在執行狀態的電晶體耗電量，減少電力消耗；S0i3則是在一般待機時（與通訊網路互動、但不與使用者互動）所使用的電源狀態。Intel表示S0i1與S0i3能夠提供比S0更為省電的狀態，同時也能夠兼顧喚醒時間；S0i1的進入與離開時間可以在幾微秒（1/1000000秒）內完成，S0i3則是在幾毫秒（1/1000秒）內。

另外，既然功能沒有刪減，超執行緒的功能也就保留下來，在先前已經取得Intel手機的各大媒體測試報告中，Z2460的計算能力大約落在ARM架構的雙核心和四核心之間，而Z2480的計算能力會再高一些。

Burst Mode
Atom Z2460和Z2480分別加入了能夠動態超頻的Burst Mode，而Z2420則無Burst Mode。Z2460和Z2480的超頻時脈最高分別可達1.6GHz和2.0GHz，不過就像其它CPU一樣，開啟時機有著溫度限制（CPU溫度約90度），只要不超過此溫度，Z2460和Z2480都能夠超頻運作，讓工作在更少時間內完成，CPU便可更快進入省電狀態。Z24x0系列CPU還能夠以100MHz的間隔調整頻率，在Intel的簡報之中，說明了在100MHz時，消耗電量為50mW，600MHz的消耗為175mW，1.3GHz則為500mW。

GPU時脈一視同仁
Atom Z24x0全部內建Imagination Technologies的PowerVR顯示核心，而且3款皆採用PowerVR SGX540單核心、400MHz運作時脈，沒有因為型號較低而降低運作時脈；最明顯的例子就是Tegra 3最低時脈的T30L，GPU時脈從520MHz砍到416MHz。

一般來說PowerVR SGX540在200MHz的時脈下，經常與Adreno 205做比較，以Adreno 205的效能略占上風。但現今Intel把PowerVR SGX540的時脈提升至400MHz，理論上效能也會加倍；擁有Adreno 205 2倍效能的產品大概就是Adreno 220，此款GPU被MSM8260、MSM8660、APQ8060所採用，而採用MSM8260的Android手機有HTC Sensation、Sony Xperia S等。

以此反推回Atom Z24x0所使用的400MHz PowerVR SGX540的效能，可能連這幾支老手機都不如，當然這是推算的理論效能，不代表實際遊戲表現，但上下誤差也不會太遠，很有可能無法執行現今越來越誇張的3D遊戲。

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2013-7-22 13:04 上傳

▲Intel Z24x0的晶片功能區塊圖，GPU和影像編解碼引擎都是Imagination的授權。

螢幕支援1280 x 800
除了GPU運算能力較弱，對於螢幕解析度的支援性也稍嫌落後，Samsung在Exynos 3110已支援1366 x 768、Qualcomm在Snapdragon S3也可支援WXGA+（1440 x 900）、Texas Instruments的OMAP 4更是支援WUXGA（1920 x 1200）。但Atom Z24x0去年推出時僅支援1280 x 800，雖說1080p和720p的解析度在小尺寸面板上感受差異不大，但在消費者觀念「高解析度面板就是機王」的印象中，第一時間上很難吸引目光。

幸好Z24x0的HDMI輸出支援1.3a規格，可輸出1080p的畫面，視訊編碼和解碼處理器採用與GPU同樣廠牌的VDE285和VDX385，能夠處理1080p/30幀的H.264影片（High Profile、50Mbps）。負責處理相機感光元件訊號的ISP（image signal processer）也整合進Atom Z24x0之中，支援2400萬畫素的感光元件，對焦、白平衡、曝光之類的自動控制也在支援範圍之內。

Java程式沒問題
大家最好奇的一件事情，應該就是過去在ARM環境的應用程式，如何能夠在x86架構新平台上執行？如果是使用Android SDK開發程式，那麼Intel已經和Google進行合作，除了從Android 1.5剛發展就加入到Google API之外，後來在Android 2.3.3還加入了Intel x86 Atom System Image，能夠模擬出Atom裝置，檢查程式有沒有問題。

因為利用Eclipse＋Android SDK的開發環境，絕大多數皆以Java語言寫成，再丟入Android系統中，1個稱為Dalvik的虛擬機器裡執行，只要Intel和Google把Dalvik虛擬機器搞好，基本上跨處理器平台是沒有問題的。可惜虛擬機器是1把雙面刃，提高平台相容性的同時，也會因為多了轉譯的功夫，導致執行效能下降。

Binary Translation
因為透過Dalvik虛擬機執行程式的效率不高，所以Google又額外提出了Android NDK，可以使用C或是C++撰寫，再轉成適合的機器碼執行，由於不用透過虛擬機轉譯，執行速度較快。不過轉譯為機器碼，需要為特定的CPU架構做轉換，因此轉換給ARM處理器執行的機器碼，一定與轉換給Intel Atom處理器的不同；加上ARM處理器是Android市場的主流，部分程式早已為ARM架構撰寫，無法在x86上執行。

根據Intel本身的調查，在Atom z2460去年推出時，Google Play裡大約有25％的應用程式是屬於這種類型，但如果跟消費者說：「很抱歉！Google Play裡的程式你們只能用75％喔。」絕大多數的消費者大概就是直接掉頭就走，看都不看Atom一眼。因此Intel在系統中放入Binary Translation，在程式執行時，直接將給ARM執行的機器碼轉換為x86能夠處理的機器碼，當然多了轉換執行效率會低落，但換來的是相容性提升。

Intel推算大約有90％專為ARM撰寫的程式能夠正常在Atom上執行，也就是說整個Google Play裡只剩下少部分的程式不能使用，且因為Intel已經和Google合作，未來撰寫的程式能夠編譯為Intel x86所能執行的機器碼，因此不能使用的程式比例會逐漸下滑，未來有一天Binary Translation可能會直接消失，就像現在很少人使用Windows 3.1、95、98的程式一樣。

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2013-7-22 13:05 上傳

▲左方是一般Android的軟體執行架構，由上而下進入ARM CPU裡執行；右方則是Android在Intel裝置上的架構，在Kernel的上方加入了Binary Translation，以便執行ARM版本的軟體。

Android支援的處理器平台
以Google釋出的SDK、NDK開發套件來說，共支援ARM、MIPS、x86 3種處理器架構，其中MIPS的機種較少，也沒有像x86提出一個即時轉譯的工具，應用程式支援少。

下一代更有看頭
好不容易x86架構的Android裝置在台開賣，但已經是Atom Z24x0的晚期，下一代雙核心且具備4個執行緒的Clover Trail+平台（Atom Z25x0）已經有產品採用；Lenovo和ZTE先後發表K900和Geek這2款手機，即將於中國地區發售。

Atom Z25x0的CPU時脈與Z24x0相比並沒有增加，製程也相同，但核心數增為雙核4個執行緒，GPU部分更新至PowerVR SGX544MP2，且時脈會依據型號不同而有所更動。

真正令人期待的是已丟出部分資料的Bay Trail平台，將一改Atom自古以來的循序執行，變成亂序執行，GPU也更換為Intel第七代繪圖核心（Ivy Bridge所包含的顯示核心），光看帳面規格就知道效能進步幅度頗大。

FonePad、Nexus 7宿命對決
前面看了一堆規格資料，究竟這第一台進入台灣市場販售的x86架構Android平板FonePad好不好用？應用程式相容性如何？電池續航力長不長？想必都是你我所迫切想要知道的問題。

有比較就要有個對手，依據FonePad的體積與訂價來說，都是直接面對Nexus 7這位老大哥。在此要先跟讀者說明一下韌體的版本狀況，Nexus 7為Android 4.2.2 JDQ39版，2款FonePad的Android版本均為4.1.2，Z2420的版本號碼為JZO54K.TW_epad-V3.1.17，Z2460的版本號碼為JZO54K.WW_epad-V3.1.17。

操作體驗順暢
多虧了Android 4.1的Project Butter，現在Android裝置的使用者體驗不像過去這麼的依賴硬體效能，歸功於Android 4.1之後三重緩衝的緣故，無論是FonePad或是Nexus 7的介面操作流暢感都相當不錯。

但是FonePad處理能力還是弱了一些，採用Z2420的FonePad無論是遊戲讀取或是程式執行中換頁，畫面顯示速度都比Nexus 7慢了１拍，但整體上來說還算可以接受的狀態，如果說Tegra 3的操作速度是快，那麼Z2420就是普通。另一台採用Z2460的FonePad操作狀況就好得多，與Nexus 7不相上下，看來Z2420的1.2GHz是操作門檻。

應用程式比Nexus 7多
對於x86處理器相容性有疑慮的讀者可以放下心了，在Play商店裡，FonePad能夠看到的程式比Nexus 7還多，部分程式反而會不支援Nexus 7的Tegra 3處理器。這是比較弔詭的地方，照理來說Nexus 7採用ARM架構，應該是Android市場的主流，沒道理不支援。但仔細觀察即可發現，不相容的程式幾乎都跟遊戲、3D扯上邊，也就是說Tegra 3獨有的GPU或許對開發者來說是個麻煩，還不如支援比較常見的Mali、Adreno、PowerVR嗎？

Intel雖然有Binary Translation讓使用ARM NDK的程式運作，但偶爾還是會發生程式閃退，或是當機的情況，例如Vellamo 2的子項目測試Aquarium Canvas就一直無法執行，FireFox甚至連安裝都不能。但此情形尚可接受，就算是採用ARM的Android裝置，偶爾也會發生相容性問題。

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2013-7-22 13:06 上傳

▲這是5月22日Play商店的擷圖，可以看見Nexus 7少了許多程式，而FonePad的商店內容和一般ARM手機是一致的。

JavaScript效能驚人
在JavaScript部分就是x86架構CPU的戰場，無論是SunSpider 0.91或是新的1.0都有好表現。特別是使用Z2460的FonePad在使用ASOP瀏覽器下，可以把SunSpider 0.91壓在1000ms左右，Chrome則是1405.3ms，這可是近期ARM高階四核處理器才有的水準，Nexus 7的Chrome瀏覽器只有1662.5ms（Nexus 7沒有ASOP瀏覽器）。

其它網頁測試部分，Nexus 7就和FonePad打平或是領先，Nexus 7在使用Chrome瀏覽器的情況下，HTML5 Benchmark獲得2347分，FonePad的Z2420和Z2460分別獲得2191和2448分，介於兩者之間；另一個Canvas Performance Test就是Nexus 7的天下了，以40幀的畫面更新率技壓Z2420的16幀和Z2460的20幀。

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2013-7-22 13:07 上傳

▲採用Z2460的FonePad在Sunspider 1.0中只用了1099.0ms運算完畢。

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2013-7-22 13:07 上傳

▲無法在裝置解析度下，於Nenamark 2拿到50幀以上的表現，Z24x0的GPU表現有些糟糕。

CPU上打四核心
除了網頁表現之外，也利用Linpack來測試CPU的浮點運算能力。果不其然，浮點數運算長久以來就是ARM最不擅長的地方，光是Z2420的單執行緒測試結果就有69.049MFLOPS，大敗Tegra 3 T30L多執行緒的53.831MFLOPS，更遑論Z2460單執行緒直接跑出92.401MFLOPS的成績，Tegra 3連排氣管的廢氣都聞不到。

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2013-7-22 13:07 上傳

▲Z2460的Linpack浮點運算驚人，經常有90MFLOPS以上的表現，Nexus 7只有50MFLOPS左右而已。

GPU是致命傷
Intel Atom Z24x0全線採用PowerVR SGX540 400MHz做為GPU，雖然把時脈拉高了，但跟其它廠商的GPU效能還是有段差距。先從最簡單的NenaMark2開始，現今的Android裝置都能夠在自身解析度下，將畫面幀率推上58、59、60FPS。Nexus 7的Tegra 3雖然是時脈最低的版本，尚還能夠跑出55.1幀，FonePad的Z2420和Z2460則是完全不行，只有38.8幀和39幀。

換到畫面比較複雜的3DMark，Nexus 7分別於ICE STORM和ICE STORM EXTREME分別獲得3570分和1903分，FonePad的Z2420和Z2460則是2279/1178分以及2217/1166分，再次證明Z24x0的繪圖效能不足。

另一款是最近冒出頭的Bosani繪圖測試，能夠進行lightmap、normal mapping、dynamic lighting、motion blur、bloom等較高階的繪圖技巧。Nexus 7獲得1631分，FonePad的Z2420和Z2460則為1555和1527分，3台相差不大，平均幀率都只有20FPS出頭。

綜合測試靠CPU拉抬
接著進入整台裝置的綜合性效能測試，第一站來到Quadrant Standard，Z2420和Z2460的分數為2697和3311分，差距不小；Z2460受惠於CPU時脈提升的影響，在CPU和Memory子項目中分別有1200分和1600分的成長。Nexus 7則是一如既往的3745分，其中CPU子項目高達10972分，但Memory受限於32bit的記憶體頻寬，反而是比Z2420更不如的3032分。

另一款綜合測試軟體安兔兔也顯示出類似的結果，Z2420和Z2460分別為11062分和9115分，主要也是因為時脈提升，造成有關連的子項目分數全面拉高。Nexus 7則為11979分，各個子項目與Z2460比起來有高有低。

跨許多作業系統平台的Geekbench 2，Z2460和Z2420的分數都不高，只有755分和577分，同一時間Nexus 7則為1445分，在大多數項目中均有破千，唯一只有記憶體流最佳化處理得到214分，看來又是32bit記憶體頻寬惹的禍。

跑得快也要跑得久
一位田徑選手除了跑多快之外，能夠跑多遠也是相當重要的指標。行動產品的效能固然重要，電池續航力更是讓你玩多久的關鍵。

Nexus 7和FonePad的電池容量都是16Wh，在這標準之下很容易比較出雙方孰優孰劣。將續航力測試分成2個部分，第一部分為影片的續航力，將各台裝置的螢幕亮度固定在150nits左右，使用平均流量3533Kbps、H.264視訊編碼、Dolby AC3音訊編碼的影片不斷循環播放，直到電力耗盡為止。

影片播放採用MX Player外掛解碼器的方式，解碼器的原始碼為ffmpeg，再根據ARMv7 with NEON或是x86_SSE3的NDK編譯而成。第二部分就是3D遊戲的續航力，使用Epic Citadel這個由Unreal Engine 3打造而成的展示應用程式，將畫質設定為High Quality，進入Guided Tour模式無限循環。在電量方面，採用Battery Monitor Widget進行紀錄，同時也會將各台平板的飛行模式開啟，避免無線通訊部分吃掉額外的電量。

影片播放7小時
FonePad影片播放時間，採用Z2420的版本為7小時34分，Z2460為7小時50分，單純以7吋平板來說算是及格了，但與Nexus 7驚人的9小時35分相比，則分別少了2小時和1小時45分。

深入觀察，因為Tegra 3有著第五顆Battery Saver Core的關係，以及自動調整螢幕亮度的PRISM技術，都是省電的關鍵。但在Atom陣營，S0ix功能在影片播放時作用不大，且時脈最低只有600MHz，而Tegra 3最低能夠在51MHz執行；Z2460的時脈頻率也僅能在6種之內切換，Tegra 3 T30L可是有13種。

3D遊戲5小時
FonePad玩遊戲的時間就比Nexus 7長很多，受到製程和GPU不強的影響，Z2420續航力為5小時35分、Z2460續航力為5小時29分。Tegra 3則是因為製程落後（40nm）和強力GPU影響，只有3小時35分。進行Epic Citadel測試時也順便量測了3顆應用處理器的表面溫度，Z2420和Z2460分別為44.6度和46度，Tegra 3 T30L為49度，溫度也有段差距。

Atom推出時程須加快
綜合比較下來，Atom在Android裝置上的確有相當大的優勢，特別是在CPU方面的效能相當強勁，可惜Z24x0的GPU效能有點過氣，若再加上Binary Translation所造成的轉換損失，繪圖效能更無法往上拉。

不過下一代使用Atom Z25x0的Android裝置已有眉目，Lenovo K900搭載Z2580，GPU已更換為SGX544MP2 533MHz（Z2560為400MHz、Z2520為300MHz），把z24x0最大的缺點改掉。但面對ARM陣營即將推出的Tegra 4和Snapdragon 800，Z25x0依然只能夠在中低價產品中遊走。

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還不錯的文章，現在分析大致如此：
平台(廠商) qualcomm (krait)  tegra(ARM) x86
程式相容性       高                   中低       低
繪圖                中                      高          低
浮點數             低                   (未知)    高
虛擬機轉換效率高                      高          低

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