手机芯事:性能与功耗续航必定矛盾?

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。

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
　　
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。