手機主流處理器CPU參數(shù)及性能的總論(暨高通,聯(lián)發(fā)科,ARM.docx

從2007年iPhone發(fā)布開始，手機開始邁入真正的智能時代。處理器從最早的ARM11 400MHz一路飆升；2008年我們擁有了ARM11 533MHz；2009年進化到Cortex A8 400MHz；2010年則瞬間提升至Cortex A8 1GHz；2011年，雙核Cortex A9 1.2GHz開始普及；2012年，四核Cortex A9 1.4GHz出現(xiàn).智能手機處理器的運輸能力幾乎以每年2.5倍的速度在提升。如果以平臺的壽命來看，ARM9平臺大約擁有5年的壽命，ARM 11為4年，在這之后，Cortex A8在主流市場堅持了一年半，而單核Cortex A9被直接跳過，雙核Cortex A9一年、四核Cortex A9也是一年。為何市場會出現(xiàn)如此強大的推動力，讓企業(yè)可以集中全行業(yè)的技術(shù)和利潤，去瘋狂推動一臺小小的手機瘋狂升級？最主要的原因是因為手機本身的定位發(fā)生了變化，過去大家需要用PC實現(xiàn)的應(yīng)用和功能，如今都開始往手機上轉(zhuǎn)移，這是推動手機硬件爆炸發(fā)展的原動力。這樣的需求轉(zhuǎn)變給手機帶來了無窮無盡的性能需求，也催生了手機的大屏化我們需要呈現(xiàn)越來越多的信息，手機的屏幕自然就要同步增大。第一輪洗牌的贏家是蘋果（必須承認的是，即便沒有蘋果，這個時代依然會到來，因為硬件性能的提升是客觀存在且不會停止的）。然而，硬件規(guī)格大幅提升之后，伴隨而來的是同樣大幅增加的功耗和發(fā)熱。瘋狂的硬件軍備競賽催生出了智能手機的黃金時代，也給整個行業(yè)埋下了定時炸彈，一場危機近在眼前?！鞍惭b飛機發(fā)動機的自行車”如果我們給奇瑞QQ轎車安裝1000馬力的發(fā)動機，可以獲得與超級跑車相近的性能嗎？答案是否定的，因為奇瑞QQ的車體根本無法承受這樣的動力輸出。同樣的道理，我們把英特爾酷睿i7處理器裝在手機上也沒有意義，因為手機根本無力承擔它的功耗。在這個層面上，我們是理性的，廠家也是理性的，至少在相當長一段時間內(nèi)是這樣。然而，這部分理性如今卻在逐漸消失。一個被業(yè)內(nèi)視為默認規(guī)則，而聽起來又異常奇怪的現(xiàn)象是：2012年之后的旗艦智能手機，沒有幾臺能讓CPU做到長時間滿負荷工作不降頻。廠商不斷地往手機里塞入更快、更強大的硬件，與此同時，卻不得不限制它們的工作頻率與工作時間。你看到的產(chǎn)品手冊上赫然寫著“四核1.7GHz”，但實際使用中你永遠無法得到這樣的性能。這方面的例子比比皆是，從Nexus 4冷柜跑分暴漲30%，到K3V2的GPU頻率縮水6成，大多數(shù)旗艦手機都無法發(fā)揮出它應(yīng)有的性能。來自Anandtech的著名測試：把Nexus 4扔進冰箱，結(jié)果跑分提升了20%以上！根據(jù)第三方測試，目前的旗艦手機能以最高頻率工作的時間少則數(shù)十秒，多的也只有幾分鐘，之后便不得不降低頻率以緩解發(fā)熱。消費者聽著“性能提升xx%”的宣傳，花費高額費用抱著“四核1.7GHz”的手機回家，卻只能享受30秒的快樂，這難道不是一種諷刺？往一臺手機里安裝根本無法全速運行的“強大”處理器，與開頭提到的往奇瑞QQ上安裝1000馬力的發(fā)動機有什么區(qū)別呢？下面的表格是一個實例：LG為Optimus G Pro配備了強大的驍龍600處理器，但持續(xù)高負載工作3分鐘后，實際性能卻不如搭載了上一代APQ8064芯片的SONY Xperia Z。配置更高的新產(chǎn)品，在實際使用中卻輸?shù)袅恕靶詢r比”，我們得到了配置，卻沒有得到性能。你也許會說，反正價格沒有更貴，能不能全速沒啥損失，但這樣的觀點也是錯誤的。記?。耗阌肋h是在為手機的標稱性能埋單，而不是為實際性能埋單。八核手機即使只能發(fā)揮出四核手機的性能，它的價格也是“八核”級別的。硬件上所有的成本最終都會以各種形式轉(zhuǎn)嫁在消費者身上。問題是：我們?yōu)槭裁匆獮榘l(fā)揮不出來的性能埋單呢？這樣的趨勢在2013年乃至更遠的未來并沒有緩解的跡象。作為消費者，我們必須要明確自己的立場：這種趨勢是錯誤的，我們有必要制止它進一步惡化！否則我們所付出的金錢將只能換來幾個紙面上的數(shù)字，而“安裝飛機發(fā)動機的自行車”遲早有一天要到來。然而，指出錯誤很簡單，糾正錯誤卻很困難。如果無法得到一個對于正確的評價標準，那么對于未來的分析也就沒有意義，這就啟發(fā)我們?nèi)ふ乙恍┎粫患夹g(shù)所改變的東西，作為衡量正確與錯誤的標準。接下來，我們將提出一個相對客觀的評價標準，并以之為準繩，對2013-2014年市面上主流的手機處理器進行逐個分析?！安豢捎庠街畨Α笔裁词羌夹g(shù)所無法改變的事物？對于智能手機而言，一是客觀存在的物理定律，二是人的生理需求。因為本文的主題是處理器，因此我們把目光集中在處理器系統(tǒng)上?？梢源_定的是，只要技術(shù)還沒有進步到手機可靠意念操作，那么人體對設(shè)備溫度的可以接受上限就是確定的；而只要手機還符合物理定律，在一定溫度下它所能散發(fā)的熱量也是固定的（不考慮主動散熱，例如內(nèi)置風扇），這就勾勒出了一條“生死線”在舒適的前提下，一個確定尺寸的手機，所采用的硬件功耗，或者說處理器系統(tǒng)的功耗是有極限的，只要超越這條線，就必須要降低工作頻率，否則將會無法阻止溫度的上升，性能自然也就無從談起。因此我們認為，“手機的極限功耗不應(yīng)該超過其最大可散熱功耗”可以作為衡量產(chǎn)品的準繩。長久以來，業(yè)界都習慣于用配置和價格的關(guān)系作為評價標準，但是如果聯(lián)系到配置與性能脫節(jié)的現(xiàn)實，這個標準已經(jīng)瀕臨失效，因此我們需要提出一個新的評判標準，不妨姑且將其稱為“體效值”。何謂體效值？我們將體效值定義為設(shè)備體積與能耗系數(shù)的乘積，它代表了一臺手機所可以連續(xù)提供的極限性能。將這個參數(shù)與理論最大性能聯(lián)合評價，能得出以下的結(jié)論：如果系統(tǒng)的體效值小于最大性能，那么這套系統(tǒng)就必然是錯誤的，因為存在著浪費。但是如果體效值大于最大性能，那么這套系統(tǒng)有可能陷入“性能不夠用”的疑問。最佳情況是體效值和最大性能相同，這意味著這套系統(tǒng)所蘊含的性能可以全部發(fā)揮，做到了設(shè)計可以得到的極限。你可以把“體效值”簡單理解為“每瓦特性能”。手機絕對性能的測量相對簡單，因此體效值中最關(guān)鍵的部分是“體”，即手機體積所能容納的最大功率。這方面目前沒有明確的行業(yè)標準，因此我們需要做一些假設(shè)。首先，我們假設(shè)在現(xiàn)在以及將來的一段時間內(nèi)，手機將主要依靠外殼進行被動散熱，不會像電腦一樣引入風扇等主動散熱手段。其次，我們將人體感溫度舒適上限設(shè)為40度，而耐受極限設(shè)為50度。最后，我們將手機工作時環(huán)境溫度設(shè)為25度，并且假定沒有氣流存在。無外界對流時，手機的熱量散發(fā)主要依靠空氣的自然對流與本身的輻射。假定手機的溫度為介于舒適上限與耐受極限之間的45度，那么與環(huán)境溫度的差值即為20度。相對于手機這個體積的設(shè)備而言，四個邊側(cè)面的散熱貢獻可以忽略不計，主要的散熱面為前后兩個面。計算時假定手機為垂直放置。下面計算開始，首先計算對流散熱量，我們選擇iPhone 5作為標準對象。iPhone 5的尺寸為123.858.67.6毫米，因此正面的面積為0.0073平方米。垂直放置的情況下，iPhone 5一個正面的傳熱系數(shù)為4.65W/(m2)，也就是說這樣一個表面可以靠對流散發(fā)的熱量是0.68W，由于有兩個表面，因此靠機身自然對流可以散發(fā)的熱量為1.36W。考慮到還有側(cè)邊的存在，我們可以認為這個功率是1.5W。接下來計算輻射熱量。由于iPhone 5的材質(zhì)是鋁合金和玻璃，氧化鋁合金的輻射率大約在0.3左右，而玻璃的輻射率大約是0.85，因此整體輻射率取0.6，那么在外殼溫度整體為45度的時候，靠輻射可以散發(fā)的熱量經(jīng)過計算大約是1.16W。也就是說，一臺通體45度，垂直置于靜態(tài)25度的環(huán)境中的iPhone 5，可以散發(fā)的熱量極限是2.66W。實際環(huán)境中，考慮到用戶體驗，手機不會也不可能做到整機均勻發(fā)熱，這無疑會降低手機的散熱能力，但由于人體與手機的接觸也可以帶走一定的熱量，因此兩者互有增減，相信整體的散熱功率不會與計算數(shù)值差距過大。因此，大約2.66W就是iPhone 5所能承受的最大整機功率（這里直接使用了整機功率，這是因為目前電子產(chǎn)品除了天線部分以外，消耗的電能絕大部分都轉(zhuǎn)化成了熱量，耗電量和發(fā)發(fā)熱量基本相等）。再來看看Galaxy S4。由于計算的方式是相同的，因此過程就不給出了，唯一的不同是，作為塑料外殼的Galaxy S4，在熱輻射效率上要遠高于鋁合金的iPhone 5，具體來說在0.9左右（看來塑料機還是有一些好處的）。結(jié)果直接給出，Galaxy S4在同等條件下的散熱量為4.15W。Galaxy S4旗艦安卓手機的代表，因此更大尺寸的機器我們就不計算了。結(jié)果顯而易見，對于iPhone 5這種尺寸的手機而言，系統(tǒng)的極限功率是2.66W，而Galaxy S4尺寸的產(chǎn)品則為4.15W。體積處于兩者之間的產(chǎn)品，散熱能力則介于它們之間。至此，體效積中的體就已經(jīng)有了結(jié)論。因為這個參數(shù)是不會因為技術(shù)提升而改變的，所以它可以作為我們判定未來新技術(shù)與新可能的良好標準。也就是說，對于一臺5寸手機而言，我們可以得到的最大性能就是4.15W每瓦特性能，不論這臺手機的理論性能有多么強大。換句話說，只要一臺5寸手機的整機最大功耗超過了4.15W，那么我們就一定可以判定：它的性能無法發(fā)揮。進一步的，對于一臺手機而言，屏幕所占據(jù)的功耗大約從4寸的1.2W到5寸的1.8W不等，因此我們可以得出，極限散熱功耗中，留給CPU、GPU、內(nèi)存等計算系統(tǒng)的功耗上限，對于iPhone 5尺寸的手機而言是1.5W左右，對于Galaxy S4尺寸的手機而言是2.5W左右。需要說明的是，在計算散熱量時，我們所關(guān)注的對象是手機外表面，至于內(nèi)部是如何傳熱的，對結(jié)果不會有影響。可能你會存在疑問，某手機內(nèi)含熱管，某手機擁有石墨散熱膜，散熱要好得多這是錯誤的，輔助散熱措施只是增加了手機內(nèi)部的熱傳導效率，最終效果是提高手機整體的溫度均勻性，而我們在計算的時候已經(jīng)假定了這個數(shù)值是100%，也就是內(nèi)部熱傳遞設(shè)計為完美狀態(tài)的極限結(jié)果。至此，我們可以對智能手機“核戰(zhàn)爭”帶來的問題給出一個精確的描述：由于近年來手機配置的瘋狂提升，導致手機的最大性能已經(jīng)超越了體效值。這個前提下，任何理論性能的提升都是紙面的，功耗已經(jīng)成為了一堵不可逾越的墻。在可以預見的未來，如果我們希望繼續(xù)提升手機的性能，那就只能在能耗系數(shù)上下功夫。帶著這個結(jié)論，讓我們來重新審視一番市面上的主流手機處理器。產(chǎn)品審查：高通驍龍800首先我們來看一看高通。之所以首先觀察高通，是因為相對而言高通的產(chǎn)品是變化幅度最小的，因此我們可以借用的歷史數(shù)據(jù)就最多。在四核處理器上成文時，高通的最新產(chǎn)品是S4 Pro APQ8064。而在我們撰寫本文時，高通重新命名了它的產(chǎn)品線，S4 Pro有了繼任者驍龍600。這是一顆和APQ8064區(qū)別很小的芯片，最大的提升在于內(nèi)存從雙通道LPDDR2 533變成了雙通道LPDDR3 1066，因此我們不打算深究這顆芯片。高通的重頭戲，以及下半年乃至明年的主打，將是驍龍800。它擁有改進后的Krait 400核心，主要改動是調(diào)整了內(nèi)部緩存架構(gòu)，降低異步設(shè)計帶來的影響。同時，驍龍800引入了HPM工藝，主頻達到了2.3GHz，成為手機SoC中的一個超過2GHz大關(guān)的產(chǎn)品。除此之外，驍龍800還集成了新的Adreno 330 GPU，性能與規(guī)模再次翻倍。文件壓縮速度，驍龍600的Krait 300內(nèi)核同頻性能甚至不如Cortex A7相信看過之前的文章后，現(xiàn)在的你已經(jīng)不會被上面充滿誘惑力的宣傳所擊倒。是的，我們再次重復一遍：絕對性能的提升沒有意義，決定用戶體驗的是體效值，或者說每瓦特性能。那么驍龍800的每瓦特性能有沒有提升呢？首先我們來看一看CPU部分。由于緩存的增強，Krait 400核心的執(zhí)行效率必然會得到一定的提升，但是Krait核心從本質(zhì)上來說依然是一個“增肥”版的Cortex A9，它所面對的最大問題其實是由于指令隊列的不足，導致架構(gòu)的IPC受限。Krait的后端就像是規(guī)模巨大的工廠，而經(jīng)過持續(xù)的升級，Krait的前端已經(jīng)從小港口變成了大型碼頭但是連接它們的依然只是一條省道。這樣的架構(gòu)也許可以在理論測試中獲得極高的成績，但是在實際變幻莫測的應(yīng)用代碼面前，往往無法發(fā)揮應(yīng)有的效率，根據(jù)某些第三方測試，在諸如視頻解碼、文件壓縮與解壓縮等應(yīng)用中，Krait 300核心的同頻性能有時會不如Cortex A9甚至A7。這雖然不足以定性的給這個架構(gòu)下結(jié)論，至少也可以說明一部分的問題。因此，綜合來看，Krait系列核心的能耗，恐怕是比較悲觀的，即APQ8064的執(zhí)行效率并不如Cortex A9，Krait 400核心雖然經(jīng)過了兩次升級，但是考慮到Krait 300的實際表現(xiàn)，我們認為其執(zhí)行效率至多只能達到略高于A9的水平。也就是說，Krait 400架構(gòu)效率上并沒有大幅超越Cortex A9。那么產(chǎn)品效率呢？在這之前筆者需要稍微岔開一些話題。不知道你是否發(fā)現(xiàn)，我們在對比效率的時候往往都會和Cortex A9相比，準確來說是和SAMSUNG Exynos 4412相比。為何要用它作為基準？這并不是因為偏心或是對于三星有著額外的好感，原因很簡單，那就是根據(jù)之前我們對手機極限功耗的定義，在那樣的功耗限制之下，Exynos 4412是體效值與絕對性能之間最接近的產(chǎn)品：Exynos 4412的核心，工作在1.4GHz時單顆功耗約為440mW，1.6GHz約為600mW，總功耗即為1.8W與2.4W。因此Exynos 4412是一個極好的標準如果有產(chǎn)品的效率比4412高，它就可以發(fā)揮出比4412更加優(yōu)越的實際性能，否則就只能在降頻中工作。在驍龍800以外的產(chǎn)品中，高通采用的是28LP SiON/Poly工藝，這會導致漏電增加，繼而降低能耗比。在上篇中我們引用外媒Anandtech的結(jié)論，得知28LP工藝的驍龍APQ8064，運行在1.5GHz的頻率下，單個核心的功耗大約是700mW。而到了驍龍800，高通終于引入了先進的HKMG技術(shù)，將工藝更換為了28HPM。那么，這個工藝是否能提升驍龍800的能耗比？根據(jù)TSMC對于28HPM的工藝描述，我們認為這個答案同樣也許是比較悲觀的，因為28HPM本質(zhì)上是用來提升性能的工藝，它的主要目的是讓驍龍800得以運行在使用28LP的驍龍600所無法達到的高頻下，但是處理器本身的漏電并不會因此而減小。臺積電四種28納米工藝的區(qū)別我們粗略估計，運行在2.3GHz下的Krait 400核心，即便只考慮頻率的提升，單個核心滿載的功率也將超過1W，四核心的總功耗則會遠超2.5W的散熱功耗上限。至于能耗比，在低頻段，驍龍800的能耗比也許可以略超龍600，但是總體來說我們并不認為驍龍800在CPU部分的能耗比會大幅領(lǐng)先于Cortex A9，也就是說驍龍800的體效值將明顯小于極限性能。按照我們之前的分析，驍龍800在手機上的長期性能表現(xiàn)就將不會比Cortex A9提升太多（短期性能表現(xiàn)，例如基準測試，會因為設(shè)備的熱容以及溫度滯后效應(yīng)而大幅提升，但是只要工作足夠長不超過三分鐘的時間后，性能將會降低到Cortex A9水平）。使用工具監(jiān)控驍龍APQ8064的CPU頻率變化，運行2分鐘以后，CPU頻率降低到了1GHz以下那么GPU部分呢？這方面的問題可能會比CPU更加嚴重。高通Adreno 300系列GPU的超低能耗比已經(jīng)是眾人皆知的問題，其嚴重程度遠超CPU。由于GPU相對于CPU而言是低頻大規(guī)模電路，因此它對于漏電的敏感程度要遠高于CPU，對于頻率的敏感程度則不如CPU。驍龍800所集成的Adreno 330相對于Adreno 320而言規(guī)模提升了一倍，因此功耗的提升幅度自然也不會小到哪里去，我們假定Adreno 330可以借助HPM工藝，完全避免功耗的提升，它的能耗比能有多高？使用工具監(jiān)控驍龍600的CPU頻率變化，Krait 300核心根本無法維持全速工作對于這個問題，我們可以通過一個粗略的測試來判斷。Galaxy S4和配備了驍龍600的手機，在3Dmark中的得分基本是相同的，但是根據(jù)耗電量得出的整機功耗估值方面，Galaxy S4所具備的SGX544MP3 GPU的功耗幾乎只有Adreno320的15%甚至更低，換句話說就是SGX544MP3的能耗比幾乎是Adreno330的7倍實際上，根據(jù)粗略測試的結(jié)果，Adren 320的功耗已經(jīng)達到了大約6W，不論這個數(shù)字是否精確，Adren 320早已遠遠超過了2.5W，甚至4.15W的散熱功耗極限。性能翻倍dreno 330即使維持功耗不變，也將和CPU一樣，在實際工作中也將永遠不可能發(fā)揮出其最大性能，它的體效值同樣遠遠小于理論最大性能。最終，我們對于驍龍800的預期表現(xiàn)是比較悲觀的。我們認為，在CPU部分，配備驍龍800的產(chǎn)品，并不能讓用戶得到遠超四核心Cortex A9如宣傳、測試以及參數(shù)上那樣的實際體驗，而GPU方面則更會遠遠不如SGX544MP3，不論理論測試有多么強大。驍龍800并沒能有效提升能耗比，因此裝有驍龍800的產(chǎn)品，其體效值將遠遠小于宣傳的性能，作為結(jié)果，消費者購買的大部分參數(shù)和數(shù)字，將會永遠停留在紙面上當然，還有基準測試軟件里。產(chǎn)品審查：Tegra 4與Tegra 4i雖然都屬于Tegra 4家族，但是實際上Tegra 4和Tegra 4i的核心并不相同：前者基于Cortex A15，而后者基于改進版Cortex A9。對于后者我們不會多加論述，我們將主要關(guān)注前者。如同Tegra3，Tegra 4也引入了nVIDIA自行設(shè)計的vSMP 4+1技術(shù)。因此對于Tegra 4的效率分析，將會分為兩個部分：4核部分與附加單核部分。首先是4核部分。Tegra 4的所有核心都是典型的Cortex A15架構(gòu)，工藝使用了TSMC 28HPL，因此對于這一部分的分析我們可以找到一個極好的參照物，那就是Nexus 10所配備的Exynos 5250。后者是一枚雙核Cortex A15、32nm HKMG LP工藝、工作頻率1.7GHz的SoC。根據(jù)已有的測試結(jié)果，Exynos 5250的CPU功耗為4W，也就是說單核功耗為2W。這項對于Exynos 4412的440/600mW而言是一個相當大的數(shù)值，這也意味著Cortex A15的性能必須要四倍于Cortex A9，才可以維持效率的一致。NV做到了嗎？很明顯，也很遺憾，沒有。Cortex A15的性能提升幅度遠遠沒有功耗提升幅度大，兩者之間的差距導致了Cortex A15的每瓦特性能相對于Cortex A9來說有著至少一半的下降。那么回頭來看看Tegra 4。由于核心是相同的，我們只需要對比工藝。TSMC 28HPL相對于三星32nm HKMG LP，究竟有沒有性能和漏電方面的提升我們很難判斷，但是大體上兩者屬于同一時代的同一水準工藝，相信差距并不會過大，我們假設(shè)臺積電的28LP工藝總體能耗比三星降低30%這已經(jīng)幾乎是同一代工藝可以存在的最大差距這也遠不足以抵消Cortex A15和Cortex A9近乎200%的差距，更何況Tegra 4的主頻高達1.9GHz，這進一步降低了它的功耗可以低于2W/核心的可能性。這也就意味著，即便只有一顆核心工作，Tegra 4的功耗就已經(jīng)逼近了4寸手機的散熱功耗極限，而四核同時工作，如果不加限制，CPU部分的總功耗必將輕松突破8W。Tegra 4功耗有多大NV很清楚，所以給自家的Shield游戲機裝上了風扇！既然能耗比如此之低，那么技術(shù)有何改變、理論性能有何提升、在哪里提升就完全沒有意義了。在手機上，Tegra 4的四枚Cortex A15所能發(fā)揮出的長期性能，除了極少數(shù)情況下，可以幾乎肯定的說，將遠不如一個設(shè)計優(yōu)秀的四核Cortex A9處理器。那么輔助的拌核部分呢？NV沒有公布拌核的細節(jié)資料，我們假設(shè)它工作在1GHz，由于HPL工藝帶來的低漏電，預計可以讓這枚核心的功耗降低到0.6W左右，大約等同于一顆1.6GHz的Cortex A9。在這個工作條件下，Cortex A15的能耗比和Cortex A9比較接近，因此它們具備了接近的體效值。但是此時的Tegra 4，絕對性能只有四核Cortex A9的四分之一，體效值遠遠高于絕對性能，這也就意味著此時的Tegra 4會因為過慢而無法滿足用戶需求。綜上所述，Tegra 4不論在哪個模式下，所能提供的最大性能都難以超越四核心Cortex A9處理器，把這樣一顆處理器做進手機唯一的意義也許只有一個想方設(shè)法讓手機堅持滿載運行三分鐘，跑出一個驚世駭俗的基準測試分數(shù)，給手機發(fā)燒友作茶余飯后跑分攀比的資本，就好比購買超級跑車上下班，除了炫耀以外沒有任何意義。至于Tegra 4的GPU部分，由于目前資料較少，所以無法給出分析對比。當然我們也需要明白，Tegra 4的悲劇并不全是由于Tegra 4本身或是nVIDIA的技術(shù)實力導致的，究其根本，元兇還是Cortex A15核心過低的能耗比。這也決定了不僅是nVIDIA，其他任何試圖在產(chǎn)品中引入標準Cortex A15架構(gòu)的廠家，例如未來的華為海思K3V3，最終都將難逃“性能超不過A9”的魔咒。對于手機等便攜式設(shè)備而言，Cortex A15毫無疑問是一個失敗的設(shè)計，也無怪乎高通和蘋果在幾年前就決定放棄這個架構(gòu)，自行以Cortex A9為基礎(chǔ)發(fā)展自己的強化核心。這也從另一個方面看出，至少在目前可以看到的ARM產(chǎn)品中，Cortex A9依然是可以提供最強實際性能的產(chǎn)品，即便它已經(jīng)問世超過了2年。最后提一下Tegra 4i。相信NVIDIA規(guī)劃這樣一個產(chǎn)品，也是因為NV實際上非常明白Cortex A15是一顆怎樣的核心。因此，我們甚至可以理解為，Tegra 4i才是針對手機市場所推出的高性能產(chǎn)品。改進的Cortex A9 r3p1核心可以帶來最多15%的同功耗性能提升，也就是更高的體效值與實際性能。但是Tegra 4i卻如同驍龍800一般選擇了HPM工藝，并且因為需要集成基帶而無法在2013年上市，這對于Tegra 4i和NVIDIA而言無疑是徹頭徹尾的悲劇，尤其是如今Cortex A12箭在弦上的情況下。如果說Cortex A15可以看作ARM在被成功沖昏了頭腦之后的大躍進，那么后者就可以看作是ARM在大躍進失敗后的反省之作，肩負了Cortex A9正統(tǒng)繼任者的使命。對于它，我們在后面予以討論，這里暫不多言。產(chǎn)品審查：三星Exynos 5 Octa最后來談一談技術(shù)最為復雜，同時爭議也最大的三星Exynos 5 Octa（Exynos 5410）。這個芯片最大的特色就是整合了ARM的big.LITTLE技術(shù)，內(nèi)部集成了8個核心四個Cortex A15為一組，四個Cortex A7為一組，從而成為了手機上第一枚超越四核的片上系統(tǒng)。也許你會提出質(zhì)疑，NV的Tegra 3和Tegra 4實際上也擁有5個核心，為什么它不能算作是五核SoC呢？原因很簡單，因為Tegra多出來的那一枚核心其實設(shè)計上是作為四個主核心其中之一的映射，在實際工作中系統(tǒng)是識別不出這一顆核心的。但Exynos 5 Octa不同，它的八顆核心在某些情況下是可以同時運行的，因此可以稱之為八核SoC，雖然實際情況下這樣的工作模式不一定會被用上，關(guān)于這點，即Exynos 5 Octa是否是偽八核，同樣也是圍繞這顆芯片的眾多爭議中最大的一個，對此后面我們會詳細討論。除了big.LITTLE以外，Exynos 5 Octa本質(zhì)上是一顆非常典型的處理器，它擁有標準的Cortex A15核心、標準的ARM系統(tǒng)IP，支持的規(guī)格與系統(tǒng)配置也一如三星以往的風格，頂級而不頂尖。LPDDR3 1600的內(nèi)存支持與12.8GB/s的理論帶寬在手機SoC中實為翹楚，而PowerVR SGX544MP3運行在533MHz的高頻下，假如不考慮信息尚不明確的Tegra 4，性能也足以進入ARM世界的前三：僅次于iPad4的SGX554MP4和驍龍800的Adreno 330。工藝方面，三星使用了自家最新的28nm HKMG LP，根據(jù)三星的宣傳資料，相對于32nm HKMG，28nm HKMG主要的提升在于集成度，也就是單位面積下可以實現(xiàn)更多的晶體管，提升幅度大約在35%左右。至于漏電等工藝性能，我們有理由認為不會和32nm HKMG，也就是上一代的Exynos 4412所采用的工藝有太大的差別，具體原因在上篇中我們也多有提及。三星32nm HKMG實際上是一個性能相當強悍的工藝，Exynos 5 Octa的基礎(chǔ)至少也是有所保障的。不過，如同之前說過的，Cortex A15本身不是一個利于手機使用的架構(gòu)，只要把它做進手機，都要面對功耗難題，三星也不能例外。Exynos 5 Octa的最高頻率目前并沒有明確的說法，也許會在1.7到1.9GHz之間，但我們知道的是，在Galaxy S4上，Exynos 5 Octa的最高頻率只開放到了1.6GHz。1.6GHz的標準Cortex A15核心滿載功耗不會低于1.8W，三星即使經(jīng)過大量優(yōu)化，Exynos 5410四顆A15核心的總功率也依然要在6W以上，這大大超越了2.5W乃至4.15W的散熱極限。實際情況可以作為這個推斷的最佳例證：Galaxy S4的CPU滿載工作的時間只能達到區(qū)區(qū)10秒，之后就不得不因為核心溫度突破90度而被迫關(guān)閉Cortex A15核心。Exynos 5 Octa是一個明顯的市場導向產(chǎn)品，三星在設(shè)計它的時候，考慮優(yōu)先點是市場對于參數(shù)的需求，而完全不顧這樣規(guī)模的硬件是否可以安全的工作。當然，作為應(yīng)對，ARM提出了big.LITTLE，三星也將其引進到產(chǎn)品中，但是這樣的行為并不能本質(zhì)上改變這個設(shè)計的失敗之處。有人也許會說，這不是很好嗎，何來失??？那就讓我們繼續(xù)研究下去?，F(xiàn)在讓我們來打個賭：如果你是Galaxy S4八核版的用戶，你絕對會有這樣的體會：Exynos 5410處理器主頻在實際運行中非常不穩(wěn)定，低于標稱的1.6GHz是常態(tài)。在Exynos 5410中，Cortex A15四核的最低工作頻率是1.2GHz，而Cortex A7四核的最高工作頻率也是1.2GHz。問題是，這兩者的同頻性能并不一樣，導致以頻率為控制參數(shù)的算法比較難寫。于是三星在系統(tǒng)中將Cortex A7的有效頻率顯示為實際頻率的一半，并以此作為控制參數(shù)，就實現(xiàn)了較為線性的頻率性能曲線。運行5秒鐘以后，獵戶座5處理器的A15核心即開始降頻也就是說，只要你看到Exynos 5 Octa的工作頻率是1.2GHz以上，就意味著現(xiàn)在是Cortex A15在工作，而600MHz則意味著Cortex A15已經(jīng)關(guān)閉，系統(tǒng)已經(jīng)切換到1.2GHz的Cortex A7。由于頻率調(diào)節(jié)十分頻繁，所以這給我們計算Exynos 5 Octa的效率帶來了一定的困難，不過我們依然可以從實際工作的情況下對于極限性能給出近似的計算。Exynos 5410 CPU + GPU同時滿載的情況，注意下方的頻率曲線enet的測試結(jié)果顯示，在滿負荷工作的時候，Exynos 5410的工作模式大約如下：Cortex A15于1.6GHz工作6秒左右，于1.2或1.4GHz工作4秒左右，然后切換到1.2GHz的Cortex A7工作10秒左右，并且在這樣的序列下循環(huán)。由于頻率調(diào)節(jié)的目標是功耗以及溫度，因此我們可以近似認為在這樣的工作序列下，處理器系統(tǒng)的平均功耗大約是2.5W左右。如果將Cortex A15的性能歸一化為同頻Cortex A9的1.5倍，Cortex A7為0.7倍，因此我們可以得到在這20秒內(nèi)，Exynos 5 Octa所輸出的總性能相當于四核Cortex A9運行在1.53GHz時的性能。也就是說，Exynos 5 Octa所能提供的持續(xù)性能，甚至還不如Exynos 4412，因為后者在2.5W的功耗限制下可以運行在1.6GHz。當然，這個結(jié)論有些粗略，我們只驗證了基準測試時獵戶座5處理器的CPU頻率變化，實際應(yīng)用中可能有所不同，但有一點可以確定，那就是Exynos 5410在手機上可以發(fā)揮的性能遠遠低于硬件設(shè)計的極限性能。Cortex A7與Cortex A15聯(lián)合的效率，大約和Cortex A9不相上下，這也就意味著配備了Exynos 5 Octa的設(shè)備，其體效值并不會比Exynos 4412高。然而，這并非Exynos 5 Octa的最佳工作模式。ARM big.LITTLE技術(shù)其實包含有三種工作模式：整體遷移、非對稱多核心與異構(gòu)多核心。整體遷移模式指Cortex A15或Cortex A7輪流工作，兩者無法同時激活，具體開啟的核心數(shù)字根據(jù)系統(tǒng)負載決定。非對稱多核心則是將Cortex A15四核簇和Cortex A7四核簇看作兩組非對稱多核心簇，依靠外部總線工作在異步模式下，從而啟動所有的八個核心。而第三種是最誘人的，也就是將每一個A15與A7組合成為一個“處理器對”，將其看作一個單獨的處理器，系統(tǒng)根據(jù)需求開啟若干個“處理器對”，而每一對處理器究竟使用Cortex A15還是Cortex A7，完全根據(jù)該核心的負載決定。從理論上來說，Exynos 5 Octa支持全部的三個模式，但是三星目前在系統(tǒng)中卻只支持了第一種模式，產(chǎn)品中的工作模式也只有整體遷移。這導致一些人認為三星這顆CPU的技術(shù)開發(fā)尚未完成，是“半成品”，因此并沒有實現(xiàn)最佳的工作效果。甚至有一些分析表示，這是源于Exynos 5 Octa的硬件設(shè)計缺陷導致的，需要在未來的產(chǎn)品中才能修復。對此，我們認為這樣的說法既是對的，也是錯的。為什么這樣說？前提是，單純的降低功耗并沒有意義，只有提升體效值才可以獲得更強的性能。對于Exynos 5 Octa而言，其他的兩種工作模式似乎可以降低功耗，但可以提升每瓦特性能嗎？這是一個未知數(shù)，而且是一個相當不容樂觀的未知數(shù)，原因之一就在于Exynos 5 Octa的兩組處理器，二級緩存的大小不同。根據(jù)架構(gòu)圖，Exynos 5 Octa的Cortex A15部分，二級緩存為2MB，而Cortex A7部分只有512KB。如果是Cortex A9時代，這并不是問題，因為所有的二級緩存都是靠總線實現(xiàn)的訪問。但是在Cortex A15和A7時代，ARM為了提升緩存效能，將L2 Cache整合進了多核心控制器SCU中，它的壞處就在這里：一旦系統(tǒng)內(nèi)同時存在著激活的Cortex A7和Cortex A15，那么由于二級緩存的大小不同，兩組核心之間的聯(lián)合工作將會變得非常麻煩。二級緩存是內(nèi)存的映射，所以所有核心所訪問的二級緩存的數(shù)據(jù)必須完全相同。Cortex A15和Cortex A7各自擁有自己獨占的二級緩存，當兩者協(xié)同工作時，緩存是無法共享的，維護兩組L2之間的數(shù)據(jù)一致性會變成一件非常重要同時也非常影響性能的事情。高通的異步架構(gòu)之所以有性能損失，一致性開銷就是其中很重要的因素之一。在Exynos 5 Octa中，兩組A15和A7核心的二級緩存大小不同，這就意味著即便是在最好的情況下，也會導致Cortex A15處理器簇的有效L2從2MB縮減到512KB，這對性能的影響極為巨大。所以，三星選擇了只實現(xiàn)第一種工作模式。在這個模式下，緩存一致性無需維持，只需要在切換時通過內(nèi)存將緩存數(shù)據(jù)復制即可（A7到A15可以視作部分填充，而A15到A7可以丟棄超出512KB的部分），甚至可以更簡單的直接丟棄L2數(shù)據(jù)，令其重新填充。因為相對于聯(lián)合工作所需要的一致性維護需求（其頻繁程度與緩存命中率相關(guān)，可能只比處理器時鐘頻率低23個量級）而言，由于動態(tài)頻率控制導致的核心切換要少的多，至多只有每秒百次的水平，因此這樣的損失是最少的，換句話說，另外兩種big.little模式雖然看起來更美好，但實際上反而會導致系統(tǒng)效率的降低，從而進一步降低搭載Exynos 5 Octa設(shè)備的體效值，使其變得比Cortex A9更慢。從這個意義上說，如果你需要一顆手機處理器，至少在CPU部分，Exynos 5 Octa實際上相對于Exynos 4412而言是倒退的。這無疑是對于畸形市場需求的最佳打臉：超高的規(guī)格，強大的指標，性能卻在偷偷的后退，不知道這到底迎合了誰的需求。當然，Exynos 5 Octa也不全都是壞處。由于LPDDR3的引入，翻倍的內(nèi)存帶寬可以極大提升系統(tǒng)在日常使用中的感受，因此總體而言Exynos 5 Octa的體驗不會有之前評價的那么悲觀，只是會距離你所認為的強大相去甚遠罷了。至于另一個好處則來源于PowerVR SGX544MP3這枚GPU。就如同PC一樣，手機對于GPU的需求也慢慢超過了CPU。不客氣的說，現(xiàn)在的日常需求，一枚四核心Cortex A7就可以滿足了，但是游戲所需要的性能卻是永無止境的。在Exynos 4210“獵戶座”剛剛發(fā)布的時候，Mali400MP4幾乎可以滿足所有游戲，這枚GPU不僅速度飛快，而且極為省電，能耗比相當高。但是隨著手機游戲的進步，在Exynos 4412上這枚GPU已經(jīng)顯出了疲態(tài)。三星在Exynos 5 Octa上作出更換GPU的決定非常及時。Exynos 5 Octa的3D性能達到了目前手機處理器的頂級水平，在日常使用中你有很多機會可以體驗到它帶來的提升。根據(jù)粗略測試，搭載Exynos 5 Octa的Galaxy S4在運行3Dmark的時候，整機功耗不會超過2.5W，這也就意味著這枚GPU的滿載功耗將不會超過1.5W。這無疑是一個非常振奮人心的數(shù)據(jù)，這意味著PowerVR SGX544MP3在維持了Mali 400MP4能耗比的基礎(chǔ)上（嚴格來說仍然有一定的下滑，但是遠遠高于繼任者Mali T604）將其的最大性能擴展了幾乎四倍，這樣的提升才是符合用戶需求的提升。對于這樣的進步，我們需要高舉雙手給予掌聲。新一代處理器性能對比分析雖然說我們之前通篇都在論述的觀點是目前旗艦手機平臺的性能受限于功耗，無法在日常使用中體現(xiàn)，但是不得不承認基準測試也是部分用戶日常使用的功能之一，而且這些芯片“不管實際情況，就跑分到底誰最快”也是很多人很有興趣的問題之一。當然，相對于前幾年的產(chǎn)品而言，現(xiàn)在的平臺下跑分的意義不論如何都在變得越來越小，因此我們不會再像上篇一樣做連篇累牘的深入分析。取而代之的，我們只會從幾個理論測試軟件的成績里大概的看一下它們之間的勝負關(guān)系與潛力。由于新一代手機處理器的降頻問題十分嚴重，因此我們不能簡單的去比較頻率與分數(shù)，因為無法確定在實際測試中它們運行在什么頻率下。這個問題對于驍龍800而言相對小一些，因為Krait 400核心的實際功耗并沒有超越設(shè)備散熱極限太遠，因此我們有理由認為在諸如Antutu跑分這類間歇性滿載，且滿載時間不超過一分鐘的測試程序中，驍龍800是可以運行在全負荷的2.3GHz的（除非廠商設(shè)定的溫度控制閾值極為激進，）。Exynos 5 Octa的情況在之前已經(jīng)有所說明，但是由于Antutu的滿載壓力并沒有系統(tǒng)穩(wěn)定性測試軟件那么高，因此我們假設(shè)Octa在跑Antutu時的頻率分布為1.6GHz、1.4GHz Cortex A15和1.2GHz Cortex A7各占1/3時間。這樣根據(jù)DMIPS的數(shù)據(jù)折算，整體性能相當于1.19GHz的Cortex A15?？紤]到Cortex A7在整數(shù)部份的同頻性能與Cortex A15的差距并沒有DMIPS所顯示的大，但是浮點性能方面的差距非常明顯，因此在整數(shù)部分，等效頻率將會接近1.5GHz，而浮點部分則維持1.19GHz。至于Tegra 4，對于一般手機而言它幾乎不可能跑到1.9GHz的滿載頻率，但是我們找到了nVIDIA Shield的測試結(jié)果。由于Shield擁有足夠的空間安裝散熱片，因此可以避免頻率的下降，因此在測試全程中，頻率應(yīng)當都可以維持在1.9GHz。下面就讓我們來看看結(jié)果。只采集CPU的整數(shù)和浮點部分。結(jié)果一如我們的預料。如果不降頻，那么Cortex A15的絕對性能將是最為強大的，即便驍龍800擁有高達2.3GHz的主頻，它也不是全速運行的Tegra 4的對手。同時，和Cortex A9的代表Exynos 4412比較的話，我們發(fā)現(xiàn)驍龍800的整數(shù)性能領(lǐng)先幅度并沒有頻率所表現(xiàn)的那么大，而Exynos 5 Octa由于過高的功耗，也沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的性能。下面我們計算一下每MHz下各個平臺的對應(yīng)性能：這個結(jié)果就比較有意思了。可以看到，Tegra 4在整數(shù)和浮點性能方面，單位功率的性能都沒有超過Cortex A9，甚至整數(shù)方面的能耗比下降了一半。而Exynos 5 Octa在整數(shù)方面相對于Tegra 4的效率進步，更多的歸功于能耗比更高的Cortex A7內(nèi)核，畢竟不論是A7、A9還是A15，整數(shù)運算單元都是兩個，理論上同頻整數(shù)吞吐量沒有區(qū)別，但是依然沒能對Cortex A9實現(xiàn)實質(zhì)性的提升。而驍龍800延續(xù)了之前產(chǎn)品在整數(shù)性能方面能耗比不如Cortex A9的傳統(tǒng)。因此，結(jié)論就十分清晰了：在限制運行在相同功耗的前提下，以對日常使用影響最大的整數(shù)性能而言，不論是驍龍800還是Exynos 5 Octa，都無法表現(xiàn)得比Cortex A9更好。當然這是理論測試，實際運行App時，由于處理器內(nèi)部亂序執(zhí)行和分支預測等方面的增強，幾大主流新產(chǎn)品的表現(xiàn)會還是比上一代Exynos 4412強大一些，但是我們要重復之前說過的話：你不可能得到像測試分數(shù)那樣巨大的體驗提升，尤其是考慮到Tegra 4的跑分成績已經(jīng)高達40000分，驍龍800的跑分成績超過了33000分，Exynos 5 Octa雖然不及以上兩者但也接近29000分，而Exynos 4412只有區(qū)區(qū)16500分。總體來說，雖然有著諸如GPU性能的良性提升與內(nèi)存性能的良性提升，但是星星點點的美好并不能掩蓋新一代處理器所面臨的整體的問題。在我們已經(jīng)分析過的三個產(chǎn)品中，實際上沒有一個實現(xiàn)了效率的明顯進步。這意味著雖然它們每一個都宣稱自己比前一代提速xx%，但是實際使用中由于體效值的原地踏步，我們實際上無法感受到所宣稱的速度。這樣的情況維持一兩代還可以勉強接受，但是如果一直持續(xù)下去，相信消費者終究會疲勞，就像現(xiàn)如今陷入困境的PC市場一樣，最終不再有人愿意為新產(chǎn)品買單，而這顯然是手機廠家所不愿意看到的。從核心上尋找提高能耗比的方式，以ARM的技術(shù)實力似乎已經(jīng)走到了盡頭。那還有什么辦法可以推進效率的進步呢？答案也許只有工藝了。關(guān)鍵之中的關(guān)鍵：半導體工藝通過改進處理器微架構(gòu)來獲得性能提升是最體面的方法，也是最難的方法。從40年前的英特爾4004，再到今天的酷睿i7，IPS（每周期指令吞吐量）也就是從1提升到2再提升到3的進步。再往上，就撞到了難以逾越的功耗之墻。如何打破這堵高高的墻壁？答案只有一個：更好的工藝。對于ARM而言尤其如此。5年前的ARM11處理器還在使用老掉牙的130nm普通CMOS工藝。而最近一到兩年，由于無法從核心上榨取更多的油水，業(yè)界開始用越來越新的工藝制作最先進的ARM處理器，從45nm到32nm甚至現(xiàn)在的28nm，ARM處理器在工藝上的進步速度要遠超同期PC處理器。正是這些新工藝，支撐著ARM處理器在近幾年內(nèi)以每年200%的速度在提升。但是提到工藝，我們就不得不再一次提到一個詞：極限。沒錯，通過超量應(yīng)用工藝，我們獲得了超量的性能提升，但是工藝的儲備并不是無窮無盡的，現(xiàn)在的我們已經(jīng)走在了工藝的極限上。如果是傳統(tǒng)的工程極限，隨著新技術(shù)和新方法的發(fā)明，最終都可以實現(xiàn)突破，但是工藝面臨的這道極限的背后是物理定律。在28nm以后，晶體管實在是太小了，小到我們必須重新梳理物理定律，才能準確掌握它的物理性質(zhì)。隨著半導體工藝線寬邁入20nm以下，集成電路中的某些結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始邁入介觀和微觀之間的灰色地帶。對于微觀世界，也就是量子世界，人們目前所掌握的物理學，并不能給出太多具備足夠工程價值的答案。也許你很難想象，現(xiàn)代為處理器所使用的晶體管，其柵極漏電的很大一部分原因已經(jīng)是量子隧穿效應(yīng)。這是因為對于一個線寬只有30nm的晶體管而言，它的柵極絕緣材料的厚度只有不到2nm，也就是說，只有不到10層原子的厚度。而工藝最先進的英特爾，其量產(chǎn)晶體管的柵極絕緣層厚度已經(jīng)不到1nm，只有5層原子的厚度。在這樣的規(guī)模下，宏觀的物理定律已經(jīng)有相當程度的失效，這個規(guī)模的晶體管會做出什么行為？更多的只能靠猜測，靠無數(shù)次的實驗。當經(jīng)典物理定律失效，人們需要在盲目的實驗中找到解決方案時，進步的速度就變得不再可以預測。2013年已經(jīng)是28nm的時代，按照預測，2014年業(yè)界就將往20nm邁進。但是這一步能順利走出去么？相信沒人對此能有足夠的信心。作為世界上最大的代工廠，臺積電TSMC的工藝路線對于業(yè)界的影響力是最為巨大的，早在2009年，TSMC就已經(jīng)宣布將要量產(chǎn)28nm邏輯電路工藝，但是實際情況是直到2011年底，TSMC都沒能拿出哪怕只用于性能測試的樣品芯片，而最終的量產(chǎn)一直到2012年6月才在跌跌撞撞中開始，前后延期達三年。那么，面對TSMC“2013年底量產(chǎn)20nm”的豪言壯語，你又能相信多少呢？TSMC的下一代20納米工藝還面臨一個問題性能提升將非常有限。從官方演示文檔中我們可以看到，TSMC的20nm規(guī)劃中，針對移動設(shè)備的工藝也就是LP、HPL和HPM被整合成了一種，名為20SoC。它的性能，以TSMC官方的預計，僅能實現(xiàn)漏電比28HPM降低20%、性能比28HPM提升15%的水平。希望各位注意，對比的對象是28HPM，而28HPM的漏電水平與28LP是接近的，也就是說從28nm到20nm，TSMC只實現(xiàn)了20%的漏電降低。這是官方最樂觀的預計，而實際情況可能要比這個悲觀的多，一如TSMC對于28nm量產(chǎn)時間的預計一樣。那么我們就可以得到一個自然而然的預計：20nm時代，我們除了更高的集成度，什么都得不到。這就意味著，以20nm工藝制造的芯片，固然可以通過規(guī)模的擴大而獲得更大的理論性能，卻幾乎無法從工藝的進步得到單位功耗效率的提升。在目前手機處理器絕對性能已經(jīng)超過體效值的大前提下，這樣的結(jié)論幾乎就已經(jīng)宣布了，未來的產(chǎn)品不會為我們帶來更快的實際性能。那么更先進的工藝呢？例如16nm？根據(jù)目前的規(guī)劃，TSMC將在16nm引入近年來半導體工藝中繼HKMG后最大也可能是最后的進步，也就是3D晶體管，又叫finfet。這個技術(shù)可以為單個晶體管帶來40%的性能提升，同時降低30%的功耗，目前已由英特爾量產(chǎn)，而整個業(yè)界只有英特爾實現(xiàn)了量產(chǎn)，由此可見其技術(shù)難度水平。我們沒有理由認為，TSMC對于finfet的引入會一帆風順，外加16nm對于EUV的需求以及EUV產(chǎn)業(yè)目前的狀況，至少在筆者看來，TSMC可以在2015年量產(chǎn)16nm finfet的概率幾乎為0。至于GlobalFoundries或者三星，前者目前剛剛實現(xiàn)28nm的量產(chǎn)，雖然幻燈片已經(jīng)寫到了10nm，但是我們不應(yīng)對其抱有太大的信心，而三星的產(chǎn)能過小，即便有良好的工藝，也無法支撐業(yè)界的需