手机芯事:性能与功耗续航必定矛盾?不!

2016-04-04 00:15 出处:PConline原创 作者:知了 责任编辑:hujianfei

  【PConline 杂谈】在今年的一月份,我国大部分地区经历严重的低温天气,有人说可以让手机跑分然后给自己取暖,当然这只是一个玩笑,但也从侧面反映了手机发热已经了大家脑子里一个根深蒂固的问题。CPU作为手机的核心,它很大程度地代表着手机的性能,从一开始的1GHz主频、单核、双核、四核、八核(六核)到今年新推出的十核处理器(CPU),不少CPU厂商通过增加核心数这种“简单粗暴”的方式来提升性能,但CPU性能的提升也带来一些问题,最主要的就是功耗和发热问题。

手机芯事:性能与功耗续航必定矛盾?不!
手机芯事:性能与功耗续航必定矛盾?不!

  智能手机在生活中的作用越来越大,用户对性能的要求也自然水涨船高,但智能手机与传统的PC最大的区别就是其移动化的使用习惯,不可能无时无刻连接着电源使用(当然还有移动电源),如何在满足最低使用要求的前提下延长智能手机的续航时间成为了行业和消费者共同关注的焦点。如何解决手机CPU功耗和发热的问题呢?CPU的上游厂商为此不断在努力,目前来看,降低手机CPU功耗和减少发热的方法主要有三种,本文将逐一为大家介绍分析。

CPU智能频技术

  现在的手机CPU官方标注的主频从1.0GHz到2.5GHz的都有,未来手机主频也会继续往上提升,为的是榨取CPU更多的性能,而在其他因素不变的前提下,高主频也必然会导致更高的功耗,所以想要把手机功耗降低,其中一个简单粗暴的方法就是把CPU的主频降低。

  如一枚手机CPU最高的主频可以达到2.5GHz,但实际上这CPU真正在2.5GHz主频运行的使用场景和时间十分有限,如只在跑分以及运用大型应用或游戏时,而且这个性能和功耗峰值维持的时间也是十分有限,在大多数的时间下,这CPU可能只会在较低的主频下运行,如2.0、1.5甚至是1.0GHz,这些使用场景对性能的要求要低得多,通过CPU内部的控制程序可以在保证用户体验的前提下,把CPU主频降到一个更低的水平,以延长手机的续航时间。

更先进的生产工艺

  相比于降频,通过改善制程工艺带来的性能和功耗红利来得多,制程工艺能够给带来多大的作用呢?我们举两个例子来分析一下。第一,从苹果iPhone 5s上的A7处理器、iPhone 6上的A8处理器、iPhone 6s上的A9处理器,他们的性能在不断地提升,但是这三代iPhone的电池却是不升反降,而iPhone的续航时间依然维持在相同的水平(都是不咋的)。

苹果的A8和A9处理器分别采用不同的工艺制程
苹果A8和A9处理器分别采用不同的工艺制程

  为什么在性能和功耗上可以达到这样的均衡呢?苹果其中一个方式就通过不断地改进制程工艺来实现,A7上的是28nm制程,A8是20nm,A9则进一步达到了16/14nm的精度。

  关于去年iPhone 6s和6s Plus上闹得风风火火的芯片门,为什么台积电的16nm反而功耗优于14nm的版本呢?请查看我们之前的分析文章《iPhone6s为何有两个版本CPU?》。

制程工艺与功耗、性能的关系

  从本质上来说,一枚CPU(处理器)就是由采用不同材料制成的许多“层”堆叠起来的电路,里面包含了晶体管、电阻器、以及电容器等微小元件。他们的间距越小,可以排布在芯片上的元器件就可以更多,晶体管之间的电容也会更低,从而提升它们的开关频率。那么,由于晶体管在切换电子信号时的动态功率消耗与电容成正比,因此,它们才可以在速度更快的同时,做到更加省电。

  当然大家也会想苹果A7、A8、A9除了制程工艺的改善外,在CPU设计等方面也是有着很大的不同,也许上面的例子无法更好的反映制程工艺的影响,第二个例子是去年高通骁龙810和三星Exynos 7420,一个是20nm的制程工艺,一个是14nm的制程工艺,从去年他们相应的终端手机产品比较来看,14nm的Exynos 7420在性能和功耗上明显优化得更好。

2016年四款主流处理器工艺比较
2016年四款主流处理器工艺比较

  而到了今年,无论是华为麒麟950、高通骁龙820还是三星Exynos 8890均采用上了16/14nm制程工艺,在制程工艺基本处于同一水平的情况下,如何能够提升性能,降低功耗呢?这是下面介绍的内容。

 

14nm与16nm
  麒麟950采用由台积电提供16nm FinFET Plus工艺,骁龙820和Exynos 8890是三星提供的14nm FinFET工艺,由于目前没有实测的数据,我们只能大胆地猜测,这两种制程工艺处于同一个级别,给予CPU在性能和功耗上更大的空间。

关于制程工艺
  正如上面说的苹果iPhone处理器,制程工艺的改进需要上游代工商的支持,从28nm到20nm,再到14/16nm都是需要长时间和巨大的研发成本,更加涉及到材料科学和其他科学技术,14/16nm后续的进步空间将会越来越小,难度也逐渐增大。

 

   制程工艺对于整个芯片行业来说,目前还是一个相对紧张的资源,无论苹果、高通还是华为其实都是分别找三星和台积电进行代工生产,但三星和台积电的14nm、16nm产线的产能也是有限的,只会为前面介绍的大客户服务,也只生产最先进的旗舰级芯片。关于芯片工艺介绍,大家可以查看我们之前的文章《手机Soc工艺你知多少?

新的自主架构

  CPU架构可以简单分为ARM架构和自主架构,我们首先来介绍分析ARM架构,目前我们听得最多的是Cortex-A53、Cortex-A57和Cortex-A72(以下分别简称为A53、A57和A72),他们都是ARM推出的64位架构,前者A53是相对低性能低功耗的架构(俗称小核心),后俩者是高性能的架构(俗称大核心),A57在高性能的同时也伴随着高功耗,而A72是第二代的64位架构,在提升性能的同时,最大的优势是优于了功耗问题。为了追求更优的性能和功耗组合,往往在手机CPU上采用了big.LITTLE双核心架构,即小核心加大核心的组合。

 

关于ARM公司
  ARM Holdings 是全球领先的半导体知识产权 (IP) 提供商,并因此在数字电子产品的开发中处于核心地位。ARM公司的总部位于英国剑桥,它拥有1700多名员工,在全球设立了多个办事处,其中包括比利时、法国、印度、瑞典和美国的设计中心。

 

  如骁龙615由八个核心组成,其中四个是1.0GHz的A53,另外四个是1.7GHz的A53;又如骁龙810,由四个1.5GHz的A53和四个2.0GHz的A57核心组成的。和前面介绍的降频类似,当用户只是进行发短信或者刷微博这些操作时,手机里只需要激活四个A53中的两个或者三个,这时只需要很低的功耗,而当用户在跑分或者玩游戏时,可能八个大小核心全部激活开启,手机性能与达到一个峰值,同样功耗也极高,手机电池续航时间就会变得很有限。

A72架构介绍
A72架构在功耗下大幅下降(基于16nm工艺)

A72架构介绍
A72架构在性能上较原来的A15和A57提升不少(基于16nm工艺)

  ARM表示A72基于A57来优化,从架构图和规格表上看,A72A57并没有本质的不同,一级二级的缓存容量相同,只是做了一些微调,其中一点是去掉了NEON SIMD引擎的加密扩展功能,总线接口则扩展为128bit。因此,我们猜测A72的性能提升可能来自微架构的改进优化。不过,ARM也表示,A72的性能是A15处理器的3.5倍,相同工作负载下功耗则下降75%,在采用bigLittle(大小核心)架构的情况下,功耗还能降低40%-60%

骁龙652跑分 骁龙810跑分数据
骁龙652(左)和骁龙810(右)跑分数据比较

  上面的对比更多是官方的数据,这里我们拿骁龙810和骁龙652作一个简单的比较,前者采用20nm的制程工艺,由四个1.5GHz的A53和四个2.0GHz的A57核心组成的,后者采用28nm制程工艺,由四个1.4GHz的A53和四个1.8GHz的A72核心组成的从跑分数据和实际使用情况来看,中端的骁龙652在单性能跑分上已经很接近上一代旗舰骁龙810,并且发热问题也得到很好的解决,更加适合移动设备的使用要求。

  讲完了ARM的标准架构,接下来我们聊聊“丰富多彩”的自主架构.

苹果

  苹果iPhone初期与三星合作推出定制版的处理器,不过为了更好的表现,苹果逐渐走上了自主研发处理器的道路。苹果的A系列处理器基于ARM的指令集,但苹果进行了大量的修改和优化,除了更好地与自家的iOS系统匹配外,还在性能和功耗达到了行业领先的水平。

  在Android手机从四核、八核发展到今年即将推出的十核心架构的时候,苹果依然任性地沿用“祖传”的双核架构,但苹果的双核架构也是不过在改变,A7更是首次将64位处理器引进到手机产品上,后续的A8和A9处理器除了在工艺上提升,以得到更高的能耗比外,同时得益于新的核心架构,他们的性能也大幅提升,在竞争对手的四核、八核和十核心产品前面依然毫不示弱,甚至苹果CEO库克称搭载A9处理器(增强版)的iPad Pro在性能上已经超越不少传统的PC产品。

高通与MTK

  苹果A系列处理器和iOS是一个封闭的软硬件生态系统,但对于大多数手机厂商和用户来说,Android平台的硬件发展才是真正关心的。目前高通和MTK(联发科技)是Android平台主要的处理器供应商(公开渠道),而三星和华为虽然也有研发自家的处理器,但只有少量或者不对外销售处理器,所以本文暂时不讨论。

vivo Xplay5旗舰版
vivo Xplay5旗舰版采用骁龙820处理器

  从Scorpion、Krait到今年的Kryo架构,高通一直在努力研发自主的核心架构,尽管去年高通为了满足市场对64位处理器的需求而不得不推出ARM标准的骁龙810/808,但今年的骁龙820上,高通采用了最新的Kryo 64位自主架构,四核心的处理器性能上超过了去年旗舰级的骁龙810,在今年竞争对手的八核或者十核产品面前也是信心十足,而其功耗表现要优于骁龙810,更能满足旗舰移动设备对于性能与功耗的要求。目前,三星S7/S7 edge的国行版本、乐视Max Pro、vivo Xplay5旗舰版和小米5等产品已经使用上骁龙820处理器,未来也会有更多的中高端产品陆续采用。

骁龙652
骁龙652

  目前来看,高通在中高端产品上会采用了Kryo这类的自主架构,而定位稍低的产品仍然会采用ARM标准的架构方案,如今年主推的骁龙652/650产品。正如前面所说的,得益于A72在功耗上的红利,骁龙652解决了功耗的问题,同时在单性能跑分也与去年的骁龙810接近。

Helio X20
Helio X20

  最近,MTK最终发布了旗下最新的Helio X20处理器,采用Tri-Cluster十核心架构,由两个主频2.5GHz的A72,四个主频2.0GHz的A53和四个主频1.4GHz的A53等三个丛集组成,专为处理移动设备的各种高度、中度及轻度负载工作项目所设计。Helio X20基于20nm工艺生产(台积电代工),同时还支持联发科技CorePilot异构运算技术,可以调配CPU和GPU的工作,能同时管理处理器性能及功耗,可以在产生更低热力的情况下,达到更好的性能表现。 根据去年的合作情况以及最新的消息来推断,魅族、乐视、360手机这些厂商有望成为Helio X20处理器首批的用户,在今年的第二季度,采用Helio X20处理器的产品终端将会越来越多。

总结:

  虽然目前手机处理器的续航功耗问题已经得到了很大的缓解,但在电池技术没有突破性发展以及手机使用需求越来越大的情况下,手机如何才能更加省电,续航时间如何才能更加持久依然是行业共同的问题。在追求性能的同时,笔者更加希望无论是厂商还是用户都把关注的重点从原来的性能向功耗续航转变,或者说从单纯的性能跑分向使用体验的转变。

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