手机主流处理器CPU参数及性能的总论暨高通联发科ARM.docx
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手机主流处理器CPU参数及性能的总论暨高通联发科ARM
手机主流处理器CPU参数及性能的总论（暨高通,联发科,ARM
为何市场会显现如此强大的推动力，让企业能够集中全行业的技术和利润，去疯狂推动一台小小的手机疯狂升级？
最要紧的缘故是因为手机本身的定位发生了变化，过去大伙儿需要用PC实现的应用和功能，现在都开始往手机上转移，这是推动手机硬件爆炸进展的原动力。
如此的需求转变给手机带来了无穷无尽的性能需求，也催生了手机的大屏化——我们需要出现越来越多的信息，手机的屏幕自然就要同步增大。
第一轮洗牌的赢家是苹果〔必须承认的是，即便没有苹果，那个时代依旧会到来，因为硬件性能的提升是客观存在且可不能停止的〕。
然而，硬件规格大幅提升之后，相伴而来的是同样大幅增加的功耗和发热。
疯狂的硬件军备竞赛催生出了智能手机的黄金时代，也给整个行业埋下了定时炸弹，一场危机近在眼前。
〝安装飞机发动机的自行车〞
假如我们给奇瑞QQ轿车安装1000马力的发动机，能够获得与超级跑车相近的性能吗？
答案是否定的，因为奇瑞QQ的车体全然无法承担如此的动力输出。
同样的道理，我们把英特尔酷睿i7处理器装在手机上也没有意义，因为手机全然无力承担它的功耗。
在那个层面上，我们是理性的，厂家也是理性的，至少在相当长一段时刻内是如此。
然而，这部分理性现在却在逐步消逝。
一个被业内视为默认规那么，而听起来又专门惊奇的现象是：
2021年之后的旗舰智能手机，没有几台能让CPU做到长时刻满负荷工作不降频。
厂商不断地往手机里塞入更快、更强大的硬件，与此同时，却不得不限制它们的工作频率与工作时刻。
你看到的产品手册上赫然写着〝四核1.7GHz〞，但实际使用中你永久无法得到如此的性能。
这方面的例子比比皆是，从Nexus4冷柜跑分暴涨30%，到K3V2的GPU频率缩水6成，大多数旗舰手机都无法发挥出它应有的性能。
来自Anandtech的闻名测试：
把Nexus4扔进冰箱，结果跑分提升了20%以上！
依照第三方测试，目前的旗舰手机能以最高频率工作的时刻少那么数十秒，多的也只有几分钟，之后便不得不降低频率以缓解发热。
消费者听着〝性能提升xx%〞的宣传，花费高额费用抱着〝四核1.7GHz〞的手机回家，却只能享受30秒的欢乐，这难道不是一种讽刺？
往一台手机里安装全然无法全速运行的〝强大〞处理器，与开头提到的往奇瑞QQ上安装1000马力的发动机有什么区别呢？
下面的表格是一个实例：
LG为OptimusGPro配备了强大的骁龙600处理器，但连续高负载工作3分钟后，实际性能却不如搭载了上一代APQ8064芯片的SONYXperiaZ。
配置更高的新产品，在实际使用中却输掉了〝性价比〞，我们得到了配置，却没有得到性能。
你也许会说，反正价格没有更贵，能不能全速没啥缺失，但如此的观点也是错误的。
记住：
你永久是在为手机的标称性能埋单，而不是为实际性能埋单。
八核手机即使只能发挥出四核手机的性能，它的价格也是〝八核〞级别的。
硬件上所有的成本最终都会以各种形式转嫁在消费者身上。
问题是：
我们什么缘故要为发挥不出来的性能埋单呢？
如此的趋势在2021年乃至更远的以后并没有缓解的迹象。
作为消费者，我们必须要明确自己的立场：
这种趋势是错误的，我们有必要禁止它进一步恶化！
否那么我们所付出的金钱将只能换来几个纸面上的数字，而〝安装飞机发动机的自行车〞迟早有一天要到来。
然而，指出错误专门简单，纠正错误却专门困难。
假如无法得到一个关于正确的评判标准，那么关于以后的分析也就没有意义，这就启发我们去查找一些可不能被技术所改变的东西，作为衡量正确与错误的标准。
接下来，我们将提出一个相对客观的评判标准，并以之为准绳，对2021-2021年市面上主流的手机处理器进行逐个分析。
〝不可逾越之墙〞
什么是技术所无法改变的事物？
关于智能手机而言，一是客观存在的物理定律，二是人的生理需求。
因为本文的主题是处理器，因此我们把目光集中在处理器系统上。
能够确定的是，只要技术还没有进步到手机可靠意念操作，那么人体对设备温度的能够同意上限确实是确定的；而只要手机还符合物理定律，在一定温度下它所能散发的热量也是固定的〔不考虑主动散热，例如内置风扇〕，这就勾勒出了一条〝生死线〞——在舒服的前提下，一个确定尺寸的手机，所采纳的硬件功耗，或者说处理器系统的功耗是有极限的，只要超越这条线，就必须要降低工作频率，否那么将会无法阻止温度的上升，性能自然也就无从谈起。
因此我们认为，〝手机的极限功耗不应该超过其最大可散热功耗〞能够作为衡量产品的准绳。
长久以来，业界都适应于用配置和价格的关系作为评判标准，然而假如联系到配置与性能脱节的现实，那个标准差不多濒临失效，因此我们需要提出一个新的评判标准，不妨姑且将其称为〝体效值〞。
何谓体效值？
我们将体效值定义为设备体积与能耗系数的乘积，它代表了一台手机所能够连续提供的极限性能。
将那个参数与理论最大性能联合评判，能得出以下的结论：
假如系统的体效值小于最大性能，那么这套系统就必定是错误的，因为存在着白费。
然而假如体效值大于最大性能，那么这套系统有可能陷入〝性能不够用〞的疑问。
最正确情形是体效值和最大性能相同，这意味着这套系统所包蕴的性能能够全部发挥，做到了设计能够得到的极限。
你能够把〝体效值〞简单明白得为〝每瓦特性能〞。
手机绝对性能的测量相对简单，因此体效值中最关键的部分是〝体〞，即手机体积所能容纳的最大功率。
这方面目前没有明确的行业标准，因此我们需要做一些假设。
第一，我们假设在现在以及今后的一段时刻内，手机将要紧依靠外壳进行被动散热，可不能像电脑一样引入风扇等主动散热手段。
其次，我们将人体感温度舒服上限设为40度，而耐受极限设为50度。
最后，我们将手机工作时环境温度设为25度，同时假定没有气流存在。
无外界对流时，手机的热量散发要紧依靠空气的自然对流与本身的辐射。
假定手机的温度为介于舒服上限与耐受极限之间的45度，那么与环境温度的差值即为20度。
相关于手机那个体积的设备而言，四个边侧面的散热奉献能够忽略不计，要紧的散热面为前后两个面。
运算时假定手机为垂直放置。
下面运算开始，第一运算对流散热量，我们选择iPhone5作为标准对象。
iPhone5的尺寸为123.8×58.6×7.6毫米，因此正面的面积为0.0073平方米。
垂直放置的情形下，iPhone5一个正面的传热系数为4.65W/（m2•℃），也确实是说如此一个表面能够靠对流散发的热量是0.68W，由于有两个表面，因此靠机身自然对流能够散发的热量为1.36W。
考虑到还有侧边的存在，我们能够认为那个功率是1.5W。
接下来运算辐射热量。
由于iPhone5的材质是铝合金和玻璃，氧化铝合金的辐射率大约在0.3左右，而玻璃的辐射率大约是0.85，因此整体辐射率取0.6，那么在外壳温度整体为45度的时候，靠辐射能够散发的热量通过运算大约是1.16W。
也确实是说，一台通体45度，垂直置于静态25度的环境中的iPhone5，能够散发的热量极限是2.66W。
实际环境中，考虑到用户体验，手机可不能也不可能做到整机平均发热，这无疑会降低手机的散热能力，但由于人体与手机的接触也能够带走一定的热量，因此两者互有增减，相信整体的散热功率可不能与运算数值差距过大。
因此，大约2.66W确实是iPhone5所能承担的最大整机功率〔那个地点直截了当使用了整机功率，这是因为目前电子产品除了天线部分以外，消耗的电能绝大部分都转化成了热量，耗电量和发发热量差不多相等〕。
再来看看GalaxyS4。
由于运算的方式是相同的，因此过程就不给出了，唯独的不同是，作为塑料外壳的GalaxyS4，在热辐射效率上要远高于铝合金的iPhone5，具体来说在0.9左右〔看来塑料机依旧有一些好处的〕。
结果直截了当给出，GalaxyS4在同等条件下的散热量为4.15W。
GalaxyS4旗舰安卓手机的代表，因此更大尺寸的机器我们就不运罢了。
结果显而易见，关于iPhone5这种尺寸的手机而言，系统的极限功率是2.66W，而GalaxyS4尺寸的产品那么为4.15W。
体积处于两者之间的产品，散热能力那么介于它们之间。
至此，体效积中的体就差不多有了结论。
因为那个参数是可不能因为技术提升而改变的，因此它能够作为我们判定以后新技术与新可能的良好标准。
也确实是说，关于一台5寸手机而言，我们能够得到的最大性能确实是4.15W×每瓦特性能，不论这台手机的理论性能有多么强大。
换句话说，只要一台5寸手机的整机最大功耗超过了4.15W，那么我们就一定能够判定：
它的性能无法发挥。
进一步的，关于一台手机而言，屏幕所占据的功耗大约从4寸的1.2W到5寸的1.8W不等，因此我们能够得出，极限散热功耗中，留给CPU、GPU、内存等运算系统的功耗上限，关于iPhone5尺寸的手机而言是1.5W左右，关于GalaxyS4尺寸的手机而言是2.5W左右。
需要说明的是，在运算散热量时，我们所关注的对象是手机外表面，至于内部是如何传热的，对结果可不能有阻碍。
可能你会存在疑问，某手机内含热管，某手机拥有石墨散热膜，散热要好得多——这是错误的，辅助散热措施只是增加了手机内部的热传导效率，最终成效是提高手机整体的温度平均性，而我们在运算的时候差不多假定了那个数值是100%，也确实是内部热传递设计为完美状态的极限结果。
至此，我们能够对智能手机〝核战争〞带来的问题给出一个精确的描述：
由于近年来手机配置的疯狂提升，导致手机的最大性能差不多超越了体效值。
那个前提下，任何理论性能的提升差不多上纸面的，功耗差不多成为了一堵不可逾越的墙。
在能够预见的以后，假如我们期望连续提升手机的性能，那就只能在能耗系数上下功夫。
带着那个结论，让我们来重新凝视一番市面上的主流手机处理器。
产品审查：
高通骁龙800
第一我们来看一看高通。
之因此第一观看高通，是因为相对而言高通的产品是变化幅度最小的，因此我们能够借用的历史数据就最多。
在«四核处理器•上»成文时，高通的最新产品是S4ProAPQ8064。
而在我们撰写本文时，高通重新命名了它的产品线，S4Pro有了继任者骁龙600。
这是一颗和APQ8064区别专门小的芯片，最大的提升在于内存从双通道LPDDR2533变成了双通道LPDDR31066，因此我们不打算深究这颗芯片。
高通的重头戏，以及下半年乃至明年的主打，将是骁龙800。
它拥有改进后的Krait400核心，要紧改动是调整了内部缓存架构，降低异步设计带来的阻碍。
同时，骁龙800引入了HPM工艺，主频达到了2.3GHz，成为手机SoC中的一个超过2GHz大关的产品。
除此之外，骁龙800还集成了新的Adreno330GPU，性能与规模再次翻倍。
文件压缩速度，骁龙600的Krait300内核同频性能甚至不如CortexA7
相信看过之前的文章后，现在的你差不多可不能被上面充满诱惑力的宣传所击倒。
是的，我们再次重复一遍：
绝对性能的提升没有意义，决定用户体验的是体效值，或者说每瓦特性能。
那么骁龙800的每瓦特性能有没有提升呢？
第一我们来看一看CPU部分。
由于缓存的增强，Krait400核心的执行效率必定会得到一定的提升，然而Krait核心从本质上来说依旧是一个〝增肥〞版的CortexA9，它所面对的最大问题事实上是由于指令队列的不足，导致架构的IPC受限。
Krait的后端就像是规模庞大的工厂，而通过连续的升级，Krait的前端差不多从小港口变成了大型码头——然而连接它们的依旧只是一条省道。
如此的架构也许能够在理论测试中获得极高的成绩，然而在实际变幻莫测的应用代码面前，往往无法发挥应有的效率，依照某些第三方测试，在诸如视频解码、文件压缩与解压缩等应用中，Krait300核心的同频性能有时会不如CortexA9甚至A7。
这尽管不足以定性的给那个架构下结论，至少也能够说明一部分的问题。
因此，综合来看，Krait系列核心的能耗，可能是比较悲观的，即APQ8064的执行效率并不如CortexA9，Krait400核心尽管通过了两次升级，然而考虑到Krait300的实际表现，我们认为其执行效率至多只能达到略高于A9的水平。
也确实是说，Krait400架构效率上并没有大幅超越CortexA9。
那么产品效率呢？
在这之前笔者需要略微岔开一些话题。
不明白你是否发觉，我们在对比效率的时候往往都会和CortexA9相比，准确来说是和SAMSUNGExynos4412相比。
为何要用它作为基准？
这并不是因为偏心或是关于三星有着额外的好感，缘故专门简单，那确实是依照之前我们对手机极限功耗的定义，在那样的功耗限制之下，Exynos4412是体效值与绝对性能之间最接近的产品：
Exynos4412的核心，工作在1.4GHz时单颗功耗约为440mW，1.6GHz约为600mW，总功耗即为1.8W与2.4W。
因此Exynos4412是一个极好的标准——假如有产品的效率比4412高，它就能够发挥出比4412更加优越的实际性能，否那么就只能在降频中工作。
在骁龙800以外的产品中，高通采纳的是28LPSiON/Poly工艺，这会导致漏电增加，继而降低能耗比。
在上篇中我们引用外媒Anandtech的结论，得知28LP工艺的骁龙APQ8064，运行在1.5GHz的频率下，单个核心的功耗大约是700mW。
而到了骁龙800，高通终于引入了先进的HKMG技术，将工艺更换为了28HPM。
那么，那个工艺是否能提升骁龙800的能耗比？
依照TSMC关于28HPM的工艺描述，我们认为那个答案同样也许是比较悲观的，因为28HPM本质上是用来提升性能的工艺，它的要紧目的是让骁龙800得以运行在使用28LP的骁龙600所无法达到的高频下，然而处理器本身的漏电并可不能因此而减小。
台积电四种28纳米工艺的区别
我们粗略估量，运行在2.3GHz下的Krait400核心，即便只考虑频率的提升，单个核心满载的功率也将超过1W，四核心的总功耗那么会远超2.5W的散热功耗上限。
至于能耗比，在低频段，骁龙800的能耗比也许能够略超龙600，然而总体来说我们并不认为骁龙800在CPU部分的能耗比会大幅领先于CortexA9，也确实是说骁龙800的体效值将明显小于极限性能。
按照我们之前的分析，骁龙800在手机上的长期性能表现就将可不能比CortexA9提升太多〔短期性能表现，例如基准测试，会因为设备的热容以及温度滞后效应而大幅提升，然而只要工作足够长——不超过三分钟——的时刻后，性能将会降低到CortexA9水平〕。
使用工具监控骁龙APQ8064的CPU频率变化，运行2分钟以后，CPU频率降低到了1GHz以下
那么GPU部分呢？
这方面的问题可能会比CPU更加严峻。
高通Adreno300系列GPU的超低能耗比差不多是众人皆知的问题，其严峻程度远超CPU。
由于GPU相关于CPU而言是低频大规模电路，因此它关于漏电的敏锐程度要远高于CPU，关于频率的敏锐程度那么不如CPU。
骁龙800所集成的Adreno330相关于Adreno320而言规模提升了一倍，因此功耗的提升幅度自然也可不能小到哪里去，我们假定Adreno330能够借助HPM工艺，完全幸免功耗的提升，它的能耗比能有多高？
使用工具监控骁龙600的CPU频率变化，Krait300核心全然无法坚持全速工作
关于那个问题，我们能够通过一个粗略的测试来判定。
GalaxyS4和配备了骁龙600的手机，在3Dmark中的得分差不多是相同的，然而依照耗电量得出的整机功耗估值方面，GalaxyS4所具备的SGX544MP3GPU的功耗几乎只有Adreno320的15%甚至更低，换句话说确实是SGX544MP3的能耗比几乎是Adreno330的7倍——实际上，依照粗略测试的结果，Adren320的功耗差不多达到了大约6W，不论那个数字是否精确，Adren320早已远远超过了2.5W，甚至4.15W的散热功耗极限。
性能翻倍dreno330即使坚持功耗不变，也将和CPU一样，在实际工作中也将永久不可能发挥出其最大性能，它的体效值同样远远小于理论最大性能。
最终，我们关于骁龙800的预期表现是比较悲观的。
我们认为，在CPU部分，配备骁龙800的产品，并不能让用户得到远超四核心CortexA9——如宣传、测试以及参数上那样——的实际体验，而GPU方面那么更会远远不如SGX544MP3，不论理论测试有多么强大。
骁龙800并没能有效提升能耗比，因此装有骁龙800的产品，其体效值将远远小于宣传的性能，作为结果，消费者购买的大部分参数和数字，将会永久停留在纸面上——因此，还有基准测试软件里。
产品审查：
Tegra4与Tegra4i
尽管都属于Tegra4家族，然而实际上Tegra4和Tegra4i的核心并不相同：
前者基于CortexA15，而后者基于改进版CortexA9。
关于后者我们可不能多加论述，我们将要紧关注前者。
如同Tegra3，Tegra4也引入了nVIDIA自行设计的vSMP4+1技术。
因此关于Tegra4的效率分析，将会分为两个部分：
4核部分与附加单核部分。
第一是4核部分。
Tegra4的所有核心差不多上典型的CortexA15架构，工艺使用了TSMC28HPL，因此关于这一部分的分析我们能够找到一个极好的参照物，那确实是Nexus10所配备的Exynos5250。
后者是一枚双核CortexA15、32nmHKMGLP工艺、工作频率1.7GHz的SoC。
依照已有的测试结果，Exynos5250的CPU功耗为4W，也确实是说单核功耗为2W。
这项关于Exynos4412的440/600mW而言是一个相当大的数值，这也意味着CortexA15的性能必须要四倍于CortexA9，才能够坚持效率的一致。
NV做到了吗？
专门明显，也专门遗憾，没有。
CortexA15的性能提升幅度远远没有功耗提升幅度大，两者之间的差距导致了CortexA15的每瓦特性能相关于CortexA9来说有着至少一半的下降。
那么回头来看看Tegra4。
由于核心是相同的，我们只需要对比工艺。
TSMC28HPL相关于三星32nmHKMGLP，怎么说有没有性能和漏电方面的提升我们专门难判定，然而大体上两者属于同一时代的同一水准工艺，相信差距并可不能过大，我们假设台积电的28LP工艺总体能耗比三星降低30%——这差不多几乎是同一代工艺能够存在的最大差距——这也远不足以抵消CortexA15和CortexA9近乎200%的差距，更况且Tegra4的主频高达1.9GHz，这进一步降低了它的功耗能够低于2W/核心的可能性。
这也就意味着，即便只有一颗核心工作，Tegra4的功耗就差不多靠近了4寸手机的散热功耗极限，而四核同时工作，假如不加限制，CPU部分的总功耗必将轻松突破8W。
Tegra4功耗有多大NV专门清晰，因此给自家的Shield游戏机装上了风扇！
既然能耗比如此之低，那么技术有何改变、理论性能有何提升、在哪里提升就完全没有意义了。
在手机上，Tegra4的四枚CortexA15所能发挥出的长期性能，除了极少数情形下，能够几乎确信的说，将远不如一个设计优秀的四核CortexA9处理器。
那么辅助的拌核部分呢？
NV没有公布拌核的细节资料，我们假设它工作在1GHz，由于HPL工艺带来的低漏电，估量能够让这枚核心的功耗降低到0.6W左右，大约等同于一颗1.6GHz的CortexA9。
在那个工作条件下，CortexA15的能耗比和CortexA9比较接近，因此它们具备了接近的体效值。
然而现在的Tegra4，绝对性能只有四核CortexA9的四分之一，体效值远远高于绝对性能，这也就意味着现在的Tegra4会因为过慢而无法满足用户需求。
综上所述，Tegra4不论在哪个模式下，所能提供的最大性能都难以超越四核心CortexA9处理器，把如此一颗处理器做进手机唯独的意义也许只有一个——想方设法让手机坚持满载运行三分钟，跑出一个惊世骇俗的基准测试分数，给手机发烧友作茶余饭后跑分攀比的资本，就好比购买超级跑车内下班，除了炫耀以外没有任何意义。
至于Tegra4的GPU部分，由于目前资料较少，因此无法给出分析对比。
因此我们也需要明白，Tegra4的悲剧并不全是由于Tegra4本身或是nVIDIA的技术实力导致的，究其全然，元凶依旧CortexA15核心过低的能耗比。
这也决定了不仅是nVIDIA，其他任何试图在产品中引入标准CortexA15架构的厂家，例如以后的华为海思K3V3，最终都将难逃〝性能超只是A9〞的魔咒。
关于手机等便携式设备而言，CortexA15毫无疑问是一个失败的设计，也无怪乎高通和苹果在几年前就决定舍弃那个架构，自行以CortexA9为基础进展自己的强化核心。
这也从另一个方面看出，至少在目前能够看到的ARM产品中，CortexA9依旧是能够提供最强实际性能的产品，即便它差不多问世超过了2年。
最后提一下Tegra4i。
相信NVIDIA规划如此一个产品，也是因为NV实际上专门明白CortexA15是一颗如何样的核心。
因此，我们甚至能够明白得为，Tegra4i才是针对手机市场所推出的高性能产品。
改进的CortexA9r3p1核心能够带来最多15%的同功耗性能提升，也确实是更高的体效值与实际性能。
然而Tegra4i却如同骁龙800一样选择了HPM工艺，同时因为需要集成基带而无法在2021年上市，这关于Tegra4i和NVIDIA而言无疑是彻头彻尾的悲剧，专门是现在CortexA12箭在弦上的情形下。
假如说CortexA15能够看作ARM在被成功冲昏了头脑之后的大跃进，那么后者就能够看作是ARM在大跃进失败后的反省之作，肩负了CortexA9正统继任者的使命。
关于它，我们在后面予以讨论，那个地点暂不多言。
产品审查：
三星Exynos5Octa
最后来谈一谈技术最为复杂，同时争议也最大的三星Exynos5Octa〔Exynos5410〕。
那个芯片最大的特色确实是整合了ARM的big.LITTLE技术，内部集成了8个核心——四个CortexA15为一组，四个CortexA7为一组，从而成为了手机上第一枚超越四核的片上系统。
也许你会提出质疑，NV的Tegra3和Tegra4实际上也拥有5个核心，什么缘故它不能算作是五核SoC呢？
缘故专门简单，因为Tegra多出来的那一枚核心事实上设计上是作为四个主核心其中之一的映射，在实际工作中系统是识别不出这一颗核心的。
但Exynos5Octa不同，它的八颗核心在某些情形下是能够同时运行的，因此能够称之为八核SoC，尽管实际情形下如此的工作模式不一定会被用上，关于这点，即Exynos5Octa是否是伪八核，同样也是围绕这颗芯片的众多争议中最大的一个，对此后面我们会详细讨论。
除了big.LITTLE以外，Exynos5Octa本质上是一颗专门典型的处理器，它拥有标准的CortexA15核心、标准的ARM系统IP，支持的规格与系统配置也一如三星以往的风格，顶级而不顶尖。
LPDDR31600的内存支持与12.8GB/s的理论带宽在手机SoC中实为翘楚，而PowerVRSGX544MP3运行在533MHz的高频下，假如不考虑信息尚不明确的Tegra4，性能也足以进入ARM世界的前三：
仅次于iPad4的SGX554MP4和骁龙800的Adreno330。
工艺方面，三星使用了自家最新的28nmHKMGLP，依照三星的宣传资料，相关于32nmHKMG，28nmHKMG要紧的提升在于集成度，也确实是单位面积下能够实现更多的晶体管，提升幅度大约在35%左右。
至于漏电
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