【導讀】智能手機在生活中的作用越來越大，用戶對性能的要求也自然水漲船高，但智能手機與傳統的PC最大的區別就是其移動化的使用習慣，不可能無時無刻連接著電源使用（當然還有移動電源），如何在滿足最低使用要求的前提下延長智能手機的續航時間成為了行業和消費者共同關注的焦點。如何解決手機CPU功耗和發熱的問 題呢？CPU的上游廠商為此不斷在努力，目前來看，降低手機CPU功耗和減少發熱的方法主要有三種，本文將逐一為大家介紹分析。
CPU智能頻技術
現在的手機CPU官方標注的主頻從1.0GHz到2.5GHz的都有，未來手機主頻也會繼續往上提升，為的是榨取CPU更多的性能，而在其他因素不變的前提下，高主頻也必然會導致更高的功耗，所以想要把手機功耗降低，其中一個簡單粗暴的方法就是把CPU的主頻降低。
如一枚手機CPU最高的主頻可以達到2.5GHz，但實際上這CPU真正在2.5GHz主頻運行的使用場景和時間十分有限，如只在跑分以及運用大型應用或游戲時，而且這個性能和功耗峰值維持的時間也是十分有限，在大多數的時間下，這CPU可能只會在較低的主頻下運行，如2.0、1.5甚至是1.0GHz，這些使用場景對性能的要求要低得多，通過CPU內部的控制程序可以在保證用戶體驗的前提下，把CPU主頻降到一個更低的水平，以延長手機的續航時間。
更先進的生產工藝
相比于降頻，通過改善制程工藝帶來的性能和功耗紅利來得多，制程工藝能夠給帶來多大的作用呢？我們舉兩個例子來分析一下。第一，從蘋果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的續航時間依然維持在相同的水平（都是不咋的）。
蘋果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到這樣的均衡呢？蘋果其中一個方式就通過不斷地改進制程工藝來實現，A7上的是28nm制程，A8是20nm，A9則進一步達到了16/14nm的精度。
制程工藝與功耗、性能的關系
從本質上來說，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更低，從而提升它們的開關頻率。那么，由于晶體管在切換電子信號時的動態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，做到更加省電。
當然大家也會想蘋果A7、A8、A9除了制程工藝的改善外，在CPU設計等方面也是有著很大的不同，也許上面的例子無法更好的反映制程工藝的影響，第二個例子是去年高通驍龍810和三星Exynos 7420，一個是20nm的制程工藝，一個是14nm的制程工藝，從去年他們相應的終端手機產品比較來看，14nm的Exynos 7420在性能和功耗上明顯優化得更好。
2016年四款主流處理器工藝比較
而到了今年，無論是華為麒麟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？這是下面介紹的內容。
14nm與16nm
麒麟950采用由臺積電提供16nm FinFET Plus工藝，驍龍820和Exynos 8890是三星提供的14nm FinFET工藝，由于目前沒有實測的數據，我們只能大膽地猜測，這兩種制程工藝處于同一個級別，給予CPU在性能和功耗上更大的空間。
關于制程工藝
正如上面說的蘋果iPhone處理器，制程工藝的改進需要上游代工商的支持，從28nm到20nm，再到14/16nm都是需要長時間和巨大的研發成本，更加涉及到材料科學和其他科學技術，14/16nm后續的進步空間將會越來越小，難度也逐漸增大。
制程工藝對于整個芯片行業來說，目前還是一個相對緊張的資源，無論蘋果、高通還是華為其實都是分別找三星和臺積電進行代工生產，但三星和臺積電的14nm、16nm產線的產能也是有限的，只會為前面介紹的大客戶服務，也只生產最先進的旗艦級芯片。關于芯片工藝介紹，大家可以查看我們之前的文章《手機Soc工藝你知多少?》
新的自主架構
CPU架構可以簡單分為ARM架構和自主架構，我們首先來介紹分析ARM架構，目前我們聽得最多的是Cortex-A53、Cortex-A57和Cortex-A72（以下分別簡稱為A53、A57和A72），他們都是ARM推出的64位架構，前者A53是相對低性能低功耗的架構（俗稱小核心），后倆者是高性能的架構（俗稱大核心），A57在高性能的同時也伴隨著高功耗，而A72是第二代的64位架構，在提升性能的同時，最大的優勢是優于了功耗問題。為了追求更優的性能和功耗組合，往往在手機CPU上采用了big.LITTLE雙核心架構，即小核心加大核心的組合。
關于ARM公司
ARM Holdings 是全球領先的半導體知識產權 (IP) 提供商，并因此在數字電子產品的開發中處于核心地位。ARM公司的總部位于英國劍橋，它擁有1700多名員工，在全球設立了多個辦事處，其中包括比利時、法國、印度、瑞典和美國的設計中心。
如驍龍615由八個核心組成，其中四個是1.0GHz的A53，另外四個是1.7GHz的A53；又如驍龍810，由四個1.5GHz的A53和四個2.0GHz的A57核心組成的。和前面介紹的降頻類似，當用戶只是進行發短信或者刷微博這些操作時，手機里只需要激活四個A53中的兩個或者三個，這時只需要很低的功耗，而當用戶在跑分或者玩游戲時，可能八個大小核心全部激活開啟，手機性能與達到一個峰值，同樣功耗也極高，手機電池續航時間就會變得很有限。
A72架構在功耗下大幅下降（基于16nm工藝）
A72架構在性能上較原來的A15和A57提升不少（基于16nm工藝）
ARM表示A72基于A57來優化，從架構圖和規格表上看，A72和A57并沒有本質的不同，一級二級的緩存容量相同，只是做了一些微調，其中一點是去掉了NEON SIMD引擎的加密擴展功能，總線接口則擴展為128bit。因此，我們猜測A72的性能提升可能來自微架構的改進優化。不過，ARM也表示，A72的性能是A15處理器的3.5倍，相同工作負載下功耗則下降75%，在采用bigLittle（大小核心）架構的情況下，功耗還能降低40%-60%。
驍龍652（左）和驍龍810（右）跑分數據比較
上面的對比更多是官方的數據，這里我們拿驍龍810和驍龍652作一個簡單的比較，前者采用20nm的制程工藝，由四個1.5GHz的A53和四個2.0GHz的A57核心組成的，后者采用28nm制程工藝，由四個1.4GHz的A53和四個1.8GHz的A72核心組成的從跑分數據和實際使用情況來看，中端的驍龍652在單性能跑分上已經很接近上一代旗艦驍龍810，并且發熱問題也得到很好的解決，更加適合移動設備的使用要求。
講完了ARM的標準架構，接下來我們聊聊“豐富多彩”的自主架構.
蘋果
蘋果iPhone初期與三星合作推出定制版的處理器，不過為了更好的表現，蘋果逐漸走上了自主研發處理器的道路。蘋果的A系列處理器基于ARM的指令集，但蘋果進行了大量的修改和優化，除了更好地與自家的iOS系統匹配外，還在性能和功耗達到了行業領先的水平。
在Android手機從四核、八核發展到今年即將推出的十核心架構的時候，蘋果依然任性地沿用“祖傳”的雙核架構，但蘋果的雙核架構也是不過在改變，A7更是首次將64位處理器引進到手機產品上，后續的A8和A9處理器除了在工藝上提升，以得到更高的能耗比外，同時得益于新的核心架構，他們的性能也大幅提升，在競爭對手的四核、八核和十核心產品前面依然毫不示弱，甚至蘋果CEO庫克稱搭載A9處理器（增強版）的iPad Pro在性能上已經超越不少傳統的PC產品。
高通與MTK
蘋果A系列處理器和iOS是一個封閉的軟硬件生態系統，但對于大多數手機廠商和用戶來說，Android平臺的硬件發展才是真正關心的。目前高通和MTK（聯發科技）是Android平臺主要的處理器供應商（公開渠道），而三星和華為雖然也有研發自家的處理器，但只有少量或者不對外銷售處理器，所以本文暫時不討論。
vivo Xplay5旗艦版采用驍龍820處理器
從Scorpion、Krait到今年的Kryo架構，高通一直在努力研發自主的核心架構，盡管去年高通為了滿足市場對64位處理器的需求而不得不推出ARM標準的驍龍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，四核心的處理器性能上超過了去年旗艦級的驍龍810，在今年競爭對手的八核或者十核產品面前也是信心十足，而其功耗表現要優于驍龍810，更能滿足旗艦移動設備對于性能與功耗的要求。目前，三星S7/S7 edge的國行版本、樂視Max Pro、vivo Xplay5旗艦版和小米5等產品已經使用上驍龍820處理器，未來也會有更多的中高端產品陸續采用。
驍龍652
目前來看，高通在中高端產品上會采用了Kryo這類的自主架構，而定位稍低的產品仍然會采用ARM標準的架構方案，如今年主推的驍龍652/650產品。正如前面所說的，得益于A72在功耗上的紅利，驍龍652解決了功耗的問題，同時在單性能跑分也與去年的驍龍810接近。
Helio X20
最近，MTK最終發布了旗下最新的Helio X20處理器，采用Tri-Cluster十核心架構，由兩個主頻2.5GHz的A72，四個主頻2.0GHz的A53和四個主頻1.4GHz的A53等三個叢集組成，專為處理移動設備的各種高度、中度及輕度負載工作項目所設計。Helio X20基于20nm工藝生產（臺積電代工），同時還支持聯發科技CorePilot異構運算技術，可以調配CPU和GPU的工作，能同時管理處理器性能及功耗，可以在產生更低熱力的情況下，達到更好的性能表現。 根據去年的合作情況以及最新的消息來推斷，魅族、樂視、360手機這些廠商有望成為Helio X20處理器首批的用戶，在今年的第二季度，采用Helio X20處理器的產品終端將會越來越多。
總結
雖然目前手機處理器的續航功耗問題已經得到了很大的緩解，但在電池技術沒有突破性發展以及手機使用需求越來越大的情況下，手機如何才能更加省電，續航時間如何才能更加持久依然是行業共同的問題。在追求性能的同時，筆者更加希望無論是廠商還是用戶都把關注的重點從原來的性能向功耗續航轉變，或者說從單純的性能跑分向使用體驗的轉變。
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