CPU智能頻技術(shù)

 

現(xiàn)在的手機(jī)CPU官方標(biāo)注的主頻從1.0GHz到2.5GHz的都有，未來(lái)手機(jī)主頻也會(huì)繼續(xù)往上提升，為的是榨取CPU更多的性能，而在其他因素不變的前提下，高主頻也必然會(huì)導(dǎo)致更高的功耗，所以想要把手機(jī)功耗降低，其中一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的方法就是把CPU的主頻降低。

 

如一枚手機(jī)CPU最高的主頻可以達(dá)到2.5GHz，但實(shí)際上這CPU真正在2.5GHz主頻運(yùn)行的使用場(chǎng)景和時(shí)間十分有限，如只在跑分以及運(yùn)用大型應(yīng)用或游戲時(shí)，而且這個(gè)性能和功耗峰值維持的時(shí)間也是十分有限，在大多數(shù)的時(shí)間下，這CPU可能只會(huì)在較低的主頻下運(yùn)行，如2.0、1.5甚至是1.0GHz，這些使用場(chǎng)景對(duì)性能的要求要低得多，通過(guò)CPU內(nèi)部的控制程序可以在保證用戶(hù)體驗(yàn)的前提下，把CPU主頻降到一個(gè)更低的水平，以延長(zhǎng)手機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

 

更先進(jìn)的生產(chǎn)工藝

 

相比于降頻，通過(guò)改善制程工藝帶來(lái)的性能和功耗紅利來(lái)得多，制程工藝能夠給帶來(lái)多大的作用呢？我們舉兩個(gè)例子來(lái)分析一下。第一，從蘋(píng)果iPhone 5s上的A7處理器、iPhone 6上的A8處理器、iPhone 6s上的A9處理器，他們的性能在不斷地提升，但是這三代iPhone的電池卻是不升反降，而iPhone的續(xù)航時(shí)間依然維持在相同的水平（都是不咋的）。

 

蘋(píng)果A8和A9處理器分別采用不同的工藝制程

 

為什么在性能和功耗上可以達(dá)到這樣的均衡呢？蘋(píng)果其中一個(gè)方式就通過(guò)不斷地改進(jìn)制程工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，A7上的是28nm制程，A8是20nm，A9則進(jìn)一步達(dá)到了16/14nm的精度。

 

 

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，一枚CPU（處理器）就是由采用不同材料制成的許多“層”堆疊起來(lái)的電路，里面包含了晶體管、電阻器、以及電容器等微小元件。他們的間距越小，可以排布在芯片上的元器件就可以更多，晶體管之間的電容也會(huì)更低，從而提升它們的開(kāi)關(guān)頻率。那么，由于晶體管在切換電子信號(hào)時(shí)的動(dòng)態(tài)功率消耗與電容成正比，因此，它們才可以在速度更快的同時(shí)，做到更加省電。

 

當(dāng)然大家也會(huì)想蘋(píng)果A7、A8、A9除了制程工藝的改善外，在CPU設(shè)計(jì)等方面也是有著很大的不同，也許上面的例子無(wú)法更好的反映制程工藝的影響，第二個(gè)例子是去年高通驍龍810和三星Exynos 7420，一個(gè)是20nm的制程工藝，一個(gè)是14nm的制程工藝，從去年他們相應(yīng)的終端手機(jī)產(chǎn)品比較來(lái)看，14nm的Exynos 7420在性能和功耗上明顯優(yōu)化得更好。

 

 

　　

而到了今年，無(wú)論是華為麒麟950、高通驍龍820還是三星Exynos 8890均采用上了16/14nm制程工藝，在制程工藝基本處于同一水平的情況下，如何能夠提升性能，降低功耗呢？這是下面介紹的內(nèi)容。

 

14nm與16nm

 

麒麟950采用由臺(tái)積電提供16nm FinFET Plus工藝，驍龍820和Exynos 8890是三星提供的14nm FinFET工藝，由于目前沒(méi)有實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，我們只能大膽地猜測(cè)，這兩種制程工藝處于同一個(gè)級(jí)別，給予CPU在性能和功耗上更大的空間。

 

 

正如上面說(shuō)的蘋(píng)果iPhone處理器，制程工藝的改進(jìn)需要上游代工商的支持，從28nm到20nm，再到14/16nm都是需要長(zhǎng)時(shí)間和巨大的研發(fā)成本，更加涉及到材料科學(xué)和其他科學(xué)技術(shù)，14/16nm后續(xù)的進(jìn)步空間將會(huì)越來(lái)越小，難度也逐漸增大。

 

制程工藝對(duì)于整個(gè)芯片行業(yè)來(lái)說(shuō)，目前還是一個(gè)相對(duì)緊張的資源，無(wú)論蘋(píng)果、高通還是華為其實(shí)都是分別找三星和臺(tái)積電進(jìn)行代工生產(chǎn)，但三星和臺(tái)積電的14nm、16nm產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能也是有限的，只會(huì)為前面介紹的大客戶(hù)服務(wù)，也只生產(chǎn)最先進(jìn)的旗艦級(jí)芯片。關(guān)于芯片工藝介紹，大家可以查看我們之前的文章《手機(jī)Soc工藝你知多少?》

 

 

CPU架構(gòu)可以簡(jiǎn)單分為ARM架構(gòu)和自主架構(gòu)，我們首先來(lái)介紹分析ARM架構(gòu)，目前我們聽(tīng)得最多的是Cortex-A53、Cortex-A57和Cortex-A72（以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)為A53、A57和A72），他們都是ARM推出的64位架構(gòu)，前者A53是相對(duì)低性能低功耗的架構(gòu)（俗稱(chēng)小核心），后倆者是高性能的架構(gòu)（俗稱(chēng)大核心），A57在高性能的同時(shí)也伴隨著高功耗，而A72是第二代的64位架構(gòu)，在提升性能的同時(shí)，最大的優(yōu)勢(shì)是優(yōu)于了功耗問(wèn)題。為了追求更優(yōu)的性能和功耗組合，往往在手機(jī)CPU上采用了big.LITTLE雙核心架構(gòu)，即小核心加大核心的組合。

 

 

ARM Holdings 是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 提供商，并因此在數(shù)字電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中處于核心地位。ARM公司的總部位于英國(guó)劍橋，它擁有1700多名員工，在全球設(shè)立了多個(gè)辦事處，其中包括比利時(shí)、法國(guó)、印度、瑞典和美國(guó)的設(shè)計(jì)中心。

 

如驍龍615由八個(gè)核心組成，其中四個(gè)是1.0GHz的A53，另外四個(gè)是1.7GHz的A53；又如驍龍810，由四個(gè)1.5GHz的A53和四個(gè)2.0GHz的A57核心組成的。和前面介紹的降頻類(lèi)似，當(dāng)用戶(hù)只是進(jìn)行發(fā)短信或者刷微博這些操作時(shí)，手機(jī)里只需要激活四個(gè)A53中的兩個(gè)或者三個(gè)，這時(shí)只需要很低的功耗，而當(dāng)用戶(hù)在跑分或者玩游戲時(shí)，可能八個(gè)大小核心全部激活開(kāi)啟，手機(jī)性能與達(dá)到一個(gè)峰值，同樣功耗也極高，手機(jī)電池續(xù)航時(shí)間就會(huì)變得很有限。

 

A72架構(gòu)在功耗下大幅下降（基于16nm工藝）

 

A72架構(gòu)在性能上較原來(lái)的A15和A57提升不少（基于16nm工藝）

 

ARM表示A72基于A57來(lái)優(yōu)化，從架構(gòu)圖和規(guī)格表上看，A72和A57并沒(méi)有本質(zhì)的不同，一級(jí)二級(jí)的緩存容量相同，只是做了一些微調(diào)，其中一點(diǎn)是去掉了NEON SIMD引擎的加密擴(kuò)展功能，總線(xiàn)接口則擴(kuò)展為128bit。因此，我們猜測(cè)A72的性能提升可能來(lái)自微架構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化。不過(guò)，ARM也表示，A72的性能是A15處理器的3.5倍，相同工作負(fù)載下功耗則下降75%，在采用bigLittle（大小核心）架構(gòu)的情況下，功耗還能降低40%-60%。

 

驍龍652（左）和驍龍810（右）跑分?jǐn)?shù)據(jù)比較

 

上面的對(duì)比更多是官方的數(shù)據(jù)，這里我們拿驍龍810和驍龍652作一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，前者采用20nm的制程工藝，由四個(gè)1.5GHz的A53和四個(gè)2.0GHz的A57核心組成的，后者采用28nm制程工藝，由四個(gè)1.4GHz的A53和四個(gè)1.8GHz的A72核心組成的從跑分?jǐn)?shù)據(jù)和實(shí)際使用情況來(lái)看，中端的驍龍652在單性能跑分上已經(jīng)很接近上一代旗艦驍龍810，并且發(fā)熱問(wèn)題也得到很好的解決，更加適合移動(dòng)設(shè)備的使用要求。

 

講完了ARM的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，接下來(lái)我們聊聊“豐富多彩”的自主架構(gòu).

 

 

蘋(píng)果iPhone初期與三星合作推出定制版的處理器，不過(guò)為了更好的表現(xiàn)，蘋(píng)果逐漸走上了自主研發(fā)處理器的道路。蘋(píng)果的A系列處理器基于ARM的指令集，但蘋(píng)果進(jìn)行了大量的修改和優(yōu)化，除了更好地與自家的iOS系統(tǒng)匹配外，還在性能和功耗達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先的水平。

 

在Android手機(jī)從四核、八核發(fā)展到今年即將推出的十核心架構(gòu)的時(shí)候，蘋(píng)果依然任性地沿用“祖?zhèn)?rdquo;的雙核架構(gòu)，但蘋(píng)果的雙核架構(gòu)也是不過(guò)在改變，A7更是首次將64位處理器引進(jìn)到手機(jī)產(chǎn)品上，后續(xù)的A8和A9處理器除了在工藝上提升，以得到更高的能耗比外，同時(shí)得益于新的核心架構(gòu)，他們的性能也大幅提升，在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的四核、八核和十核心產(chǎn)品前面依然毫不示弱，甚至蘋(píng)果CEO庫(kù)克稱(chēng)搭載A9處理器（增強(qiáng)版）的iPad Pro在性能上已經(jīng)超越不少傳統(tǒng)的PC產(chǎn)品。

 

 

蘋(píng)果A系列處理器和iOS是一個(gè)封閉的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，但對(duì)于大多數(shù)手機(jī)廠商和用戶(hù)來(lái)說(shuō)，Android平臺(tái)的硬件發(fā)展才是真正關(guān)心的。目前高通和MTK（聯(lián)發(fā)科技）是Android平臺(tái)主要的處理器供應(yīng)商（公開(kāi)渠道），而三星和華為雖然也有研發(fā)自家的處理器，但只有少量或者不對(duì)外銷(xiāo)售處理器，所以本文暫時(shí)不討論。

 

vivo Xplay5旗艦版采用驍龍820處理器

 

從Scorpion、Krait到今年的Kryo架構(gòu)，高通一直在努力研發(fā)自主的核心架構(gòu)，盡管去年高通為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)64位處理器的需求而不得不推出ARM標(biāo)準(zhǔn)的驍龍810/808，但今年的驍龍820上，高通采用了最新的Kryo 64位自主架構(gòu)，四核心的處理器性能上超過(guò)了去年旗艦級(jí)的驍龍810，在今年競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的八核或者十核產(chǎn)品面前也是信心十足，而其功耗表現(xiàn)要優(yōu)于驍龍810，更能滿(mǎn)足旗艦移動(dòng)設(shè)備對(duì)于性能與功耗的要求。目前，三星S7/S7 edge的國(guó)行版本、樂(lè)視Max Pro、vivo Xplay5旗艦版和小米5等產(chǎn)品已經(jīng)使用上驍龍820處理器，未來(lái)也會(huì)有更多的中高端產(chǎn)品陸續(xù)采用。

 

驍龍652

 

目前來(lái)看，高通在中高端產(chǎn)品上會(huì)采用了Kryo這類(lèi)的自主架構(gòu)，而定位稍低的產(chǎn)品仍然會(huì)采用ARM標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)方案，如今年主推的驍龍652/650產(chǎn)品。正如前面所說(shuō)的，得益于A72在功耗上的紅利，驍龍652解決了功耗的問(wèn)題，同時(shí)在單性能跑分也與去年的驍龍810接近。

 

Helio X20

 

最近，MTK最終發(fā)布了旗下最新的Helio X20處理器，采用Tri-Cluster十核心架構(gòu)，由兩個(gè)主頻2.5GHz的A72，四個(gè)主頻2.0GHz的A53和四個(gè)主頻1.4GHz的A53等三個(gè)叢集組成，專(zhuān)為處理移動(dòng)設(shè)備的各種高度、中度及輕度負(fù)載工作項(xiàng)目所設(shè)計(jì)。Helio X20基于20nm工藝生產(chǎn)（臺(tái)積電代工），同時(shí)還支持聯(lián)發(fā)科技CorePilot異構(gòu)運(yùn)算技術(shù)，可以調(diào)配CPU和GPU的工作，能同時(shí)管理處理器性能及功耗，可以在產(chǎn)生更低熱力的情況下，達(dá)到更好的性能表現(xiàn)。 根據(jù)去年的合作情況以及最新的消息來(lái)推斷，魅族、樂(lè)視、360手機(jī)這些廠商有望成為Helio X20處理器首批的用戶(hù)，在今年的第二季度，采用Helio X20處理器的產(chǎn)品終端將會(huì)越來(lái)越多。

 

 

雖然目前手機(jī)處理器的續(xù)航功耗問(wèn)題已經(jīng)得到了很大的緩解，但在電池技術(shù)沒(méi)有突破性發(fā)展以及手機(jī)使用需求越來(lái)越大的情況下，手機(jī)如何才能更加省電，續(xù)航時(shí)間如何才能更加持久依然是行業(yè)共同的問(wèn)題。在追求性能的同時(shí)，筆者更加希望無(wú)論是廠商還是用戶(hù)都把關(guān)注的重點(diǎn)從原來(lái)的性能向功耗續(xù)航轉(zhuǎn)變，或者說(shuō)從單純的性能跑分向使用體驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。

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