終極指南:2013年手機(jī)CPU的現(xiàn)狀與未來(lái)
什么是技術(shù)所無(wú)法改變的事物？對(duì)于智能手機(jī)而言，一是客觀存在的物理定律，二是人的生理需求。因?yàn)楸疚牡闹黝}是處理器，因此我們把目光集中在處理器系統(tǒng)上。
可以確定的是，只要技術(shù)還沒(méi)有進(jìn)步到手機(jī)可靠意念操作，那么人體對(duì)設(shè)備溫度的可以接受上限就是確定的；而只要手機(jī)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(dòng)散熱，例如內(nèi)置風(fēng)扇），這就勾勒出了一條“生死線”——在舒適的前提下，一個(gè)確定尺寸的手機(jī)，所采用的硬件功耗，或者說(shuō)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(huì)無(wú)法阻止溫度的上升，性能自然也就無(wú)從談起。因此我們認(rèn)為，“手機(jī)的極限功耗不應(yīng)該超過(guò)其最大可散熱功耗”可以作為衡量產(chǎn)品的準(zhǔn)繩。
（Galaxy S4發(fā)熱量測(cè)試，本表格數(shù)據(jù)來(lái)自太平洋電腦網(wǎng)）
長(zhǎng)久以來(lái)，業(yè)界都習(xí)慣于用配置和價(jià)格的關(guān)系作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但是如果聯(lián)系到配置與性能脫節(jié)的現(xiàn)實(shí)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)瀕臨失效，因此我們需要提出一個(gè)新的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，不妨姑且將其稱(chēng)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(tái)手機(jī)所可以連續(xù)提供的極限性能。將這個(gè)參數(shù)與理論最大性能聯(lián)合評(píng)價(jià)，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(cuò)誤的，因?yàn)榇嬖谥速M(fèi)。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(wèn)。非常好的情況是體效值和最大性能相同，這意味著這套系統(tǒng)所蘊(yùn)含的性能可以全部發(fā)揮，做到了設(shè)計(jì)可以得到的極限。你可以把“體效值”簡(jiǎn)單理解為“每瓦特性能”。
任何一臺(tái)手機(jī)機(jī)體，在有限的時(shí)間段內(nèi)帶走熱量的能力都是有限的
手機(jī)絕對(duì)性能的測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，因此體效值中最關(guān)鍵的部分是“體”，即手機(jī)體積所能容納的最大功率。這方面目前沒(méi)有明確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，手機(jī)將主要依靠外殼進(jìn)行被動(dòng)散熱，不會(huì)像電腦一樣引入風(fēng)扇等主動(dòng)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(jī)工作時(shí)環(huán)境溫度設(shè)為25度，并且假定沒(méi)有氣流存在。
無(wú)外界對(duì)流時(shí)，手機(jī)的熱量散發(fā)主要依靠空氣的自然對(duì)流與本身的輻射。假定手機(jī)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(duì)于手機(jī)這個(gè)體積的設(shè)備而言，四個(gè)邊側(cè)面的散熱貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，主要的散熱面為前后兩個(gè)面。計(jì)算時(shí)假定手機(jī)為垂直放置。
下面計(jì)算開(kāi)始，首先計(jì)算對(duì)流散熱量，我們選擇iPhone 5作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象。iPhone 5的尺寸為123.8×58.6×7.6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(gè)正面的傳熱系數(shù)為4.65W/(m2?℃)，也就是說(shuō)這樣一個(gè)表面可以靠對(duì)流散發(fā)的熱量是0.68W，由于有兩個(gè)表面，因此靠機(jī)身自然對(duì)流可以散發(fā)的熱量為1.36W?？紤]到還有側(cè)邊的存在，我們可以認(rèn)為這個(gè)功率是1.5W。
接下來(lái)計(jì)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(shí)候，靠輻射可以散發(fā)的熱量經(jīng)過(guò)計(jì)算大約是1.16W。
也就是說(shuō)，一臺(tái)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(shí)際環(huán)境中，考慮到用戶(hù)體驗(yàn)，手機(jī)不會(huì)也不可能做到整機(jī)均勻發(fā)熱，這無(wú)疑會(huì)降低手機(jī)的散熱能力，但由于人體與手機(jī)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(huì)與計(jì)算數(shù)值差距過(guò)大。因此，大約2.66W就是iPhone 5所能承受的最大整機(jī)功率（這里直接使用了整機(jī)功率，這是因?yàn)槟壳半娮赢a(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）。
曾經(jīng)廣為流傳的兩個(gè)手機(jī)CPU溫度測(cè)試視頻：
再來(lái)看看Galaxy S4。由于計(jì)算的方式是相同的，因此過(guò)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(yuǎn)高于鋁合金的iPhone 5，具體來(lái)說(shuō)在0.9左右（看來(lái)塑料機(jī)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(jī)的代表，因此更大尺寸的機(jī)器我們就不計(jì)算了。結(jié)果顯而易見(jiàn)，對(duì)于iPhone 5這種尺寸的手機(jī)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?yàn)檫@個(gè)參數(shù)是不會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)提升而改變的，所以它可以作為我們判定未來(lái)新技術(shù)與新可能的良好標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，對(duì)于一臺(tái)5寸手機(jī)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(tái)手機(jī)的理論性能有多么強(qiáng)大。換句話說(shuō)，只要一臺(tái)5寸手機(jī)的整機(jī)最大功耗超過(guò)了4.15W，那么我們就一定可以判定：它的性能無(wú)法發(fā)揮。
進(jìn)一步的，對(duì)于一臺(tái)手機(jī)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(jì)算系統(tǒng)的功耗上限，對(duì)于iPhone 5尺寸的手機(jī)而言是1.5W左右，對(duì)于Galaxy S4尺寸的手機(jī)而言是2.5W左右。
需要說(shuō)明的是，在計(jì)算散熱量時(shí)，我們所關(guān)注的對(duì)象是手機(jī)外表面，至于內(nèi)部是如何傳熱的，對(duì)結(jié)果不會(huì)有影響。可能你會(huì)存在疑問(wèn)，某手機(jī)內(nèi)含熱管，某手機(jī)擁有石墨散熱膜，散熱要好得多——這是錯(cuò)誤的，輔助散熱措施只是增加了手機(jī)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效率，最終效果是提高手機(jī)整體的溫度均勻性，而我們?cè)谟?jì)算的時(shí)候已經(jīng)假定了這個(gè)數(shù)值是100%，也就是內(nèi)部熱傳遞設(shè)計(jì)為完美狀態(tài)的極限結(jié)果。
至此，我們可以對(duì)智能手機(jī)“核戰(zhàn)爭(zhēng)”帶來(lái)的問(wèn)題給出一個(gè)精確的描述：由于近年來(lái)手機(jī)配置的瘋狂提升，導(dǎo)致手機(jī)的最大性能已經(jīng)超越了體效值。這個(gè)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(yù)見(jiàn)的未來(lái)，如果我們希望繼續(xù)提升手機(jī)的性能，那就只能在能耗系數(shù)上下功夫。
OK，帶著這個(gè)結(jié)論，讓我們來(lái)重新審視一番市面上的主流手機(jī)處理器。
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