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“快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

“快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

与如今手机不断追求的性能不同的是,2016年末,数款“非旗舰”处理器逐渐走进了用户的视野。

11月30日,魅族发布了新智能手机魅蓝X,同时也带来了Helio P20芯片的全球首发。作为联发科的P系列新品,这也是一款“非旗舰”移动芯片。

今天我们就来聊一聊,为什么这些““非旗舰”处理器”会如此备受关注?

目前市面上各家新推出的“非旗舰”移动处理器,比较知名除了新发布的Helio P20,还有来自于高通的骁龙625、来自于(华为)海思的麒麟650。

在厂商的宣传中,性能多数被轻描淡写,而“省电”“续航”“能效比”等词汇被厂商浓墨重彩地强调。仿佛在说市面上的手机”光(处理器)快是不行的,重要的是(电池)要持久“。

“快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

厂商使用“非旗舰”芯片只是为了省电吗?是,但不全是。

“快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

总览这些芯片,它们全部采用了64位A53架构的bigLITTLE(大小核)设计,由四颗低频A53核心和四颗高频A53核心构成。但是在ARM公版架构中,A53只能算是小核心,并非主打性能的大功率A72、A73核心。

所以与其说这些“八核A53”的非旗舰处理器“省电”,倒不如说无法耗更多的电,来提供更高的性能。 能耗上限这个“天花板”掉下来了,想多耗电也是件困难的事。

先进的工艺

为了将“省电”进行到底:这三颗移动处理器都采用了最新的三星14nm/台积电16nm FinFET制程。基于最新制程的红利,在相同的处理器频率下,耗电量要比早前的20nm、28nm都要更省电。

为什么制程进步会让处理器更加省电呢?

首先所谓“XX纳米制程”,就是IC(Integrated Circuit,集成电路)中晶体管的栅极长度。说得通俗些,就是衡量电路集成程度的一项指标。一般来说数字越小,代表电路的集成度也就越高。例如14nm制程理论上要比前代20nm更加先进。

我们目前所使用的手机与电脑芯片,都是一种电容性质的元件。其内部是由无数的晶体管所组成,晶体管之间会形成电容。

“快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

而更加先进的制程代表着晶体管大小以及元器之间距离的缩短。根据电容器的性质,缩减元器件之间的距离之后,晶体间的电容也会降低。随着电容的降低,晶体管所需要的导通电压也会相应降低,而晶体管动态功耗又与导通电压的平方成正比。

也就是说,更为先进的制程,使得芯片在切换信号时更加灵活,需要的功率越小,能效比也就提高了。

除此之外, Helio P20还支持了最新型的LPDDR4X
(Low Power Double Data Rate 4X,低功耗双倍速率4X),也就是我们所说的LPDDR4X运行内存(Synchronous Dynamic Random Access Memory,SDRAM同步动态随机存储器)。

“快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

LPDDR4X内存规格相比前代LPDDR4有两项提升:

  • 第一是内存带宽从3733Mbps提高到4266Mbps(分别对应双通道1866MHz 和 双通道2133MHz);
  • 第二是实现了输出供电电压(VDDQ)与工作电压(VDD)的分离,VDDQ 0.6V相比VDD 1.1V相差了近一半,降低了内存运行时的功耗,提高了能效比。
  • 不过,作为一款“非旗舰”芯片,Helio P20只做到了第二条,而在内存带宽上,仅支持最大双通道1200MHz(2400Mbps),并没有超过旗舰芯片(以骁龙820为例)的双通道1866MHz。

    也就是说,P20并没有实质提高内存速度,而是铁了心将“省电”进行到底。

    “低廉”的制造成本

    作为面向非旗舰手机的“主流”处理器,这些芯片的价格通常也不会太高,一般仅有旗舰处理器价格的一半或更低。

    “快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

    首先,由于处理器使用的是ARM公版架构A53,支付授权费即可使用,节约了部分研发成本。

    其次,处理器并非只由CPU组成,从成本角度考虑,在其他元件相对“旗舰”也存在一定缩水:例如GPU从四核换成双核,基带网络制式从顶级的LTE Cat.12换成了稍差一些的LTE Cat.7/Cat.6,支持的闪存规格也从UFS 2.1降为了eMMC 5.1。

    最后,采用了全小核心的设计以及更为紧凑的制程,单片晶圆上可以切下来的处理器也就更多,这就摊薄了每块芯片的物料成本。

    “快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

    虽然硬件规格相比旗舰处理器有所“缩水”,但这并不代表无法满足日常的需求。对于刷微博、聊微信、逛淘宝、听音乐这种几年前“老爷机”都能胜任的应用(相信很多人用手机只用这几个应用),这些处理器自然也不在话下。加上前代处理器技术的下沉,例如全网通基带的跟进,上网也更加爽快。而对于目前逐步流行的双摄像头,Helio P20也进行了支持。

    所以我们再来看芯片厂商在设计“旗舰”与“非旗舰”处理器时的思路,貌似已经产生了微妙的变化: “非旗舰”处理器已经不再单纯的“旗舰”处理器的缩水版本,而是强化了“非旗舰”处理器在“节能续航”方面的优势。

    可以说,随着手机芯片性能发展的突飞猛进, “旗舰”芯片拼极限性能,“非旗舰”芯片拼日常续航 的模式“分化”已经初步成型了。

    手机处理器如此“演进”并非无迹可循,近年来,PC处理器也遵循着同样的规律:

    PC处理器的演进

    “快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

    从1964年世界上第一台计算机ENIAC那灯泡大小的电子管,到2015年最小的晶体管已经仅有0.167纳米大小,可以说在芯片领域,技术人员从未停止对于电路集成化的探索。

    回顾到上个世纪90年代,那时电脑还刚刚开始普及,人们购买电脑时主要通过“数字”的大小,来分辨计算机的好坏:例如“奔腾3一定比奔腾2好”,“128M内存一定比64M内存强(当时电脑内存只有这么大)”。

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    而到了2003年,Intel 推出3.06GHz的Pentium 4(奔腾4)处理器,在一块芯片集成了两个逻辑处理器,实现了所谓“超线程(HT)”技术,从此人们挑选处理器不仅要看“数字”和“主频”,还要看处理器的特性。

    相比特性,处理器的“核战”则更加符合消费者对于“大数字”的追求:自2001年IBM推出首款双核CPU:IBM Power4,到芯片老大Intel 2005年推出首款双核CPU至尊版840,加上AMD的入局,正式打响了处理器的“核心数大战”。这种在一个处理器上集成多个运算核心的做法,突破了当时单核主频提升但性能提升不大的“瓶颈”。如今已发展到16核、32核的工作站级别。

    随着计算机的进一步普及,人们对于计算机CPU的理解也更加深入,挑选PC处理器已经从之前的看“数字”,到看处理器架构(例如Intel微处理器的Nehalem、Sandy Bridge、Ivy Bridge、Haswell、SkyLake、KabyLake)、看CPU体制和超频能力、L2和L3缓存、晶体管数量等。

    “快”和“持久”对弈:非旗舰处理器的破局之路

    另一方面,近几年来移动互联网的高速发展,“移动办公”的需求日益凸显,笔记本电脑开始普及。相对于桌面级PC,移动办公设备通常拥有独立的电源(电池)。受限于有限的机身体积和电池容量,笔记本CPU不仅要追求性能,还要追求低热量和低耗电,于是低压版CPU应运而生(处理器后缀“U”)。相对于标压版(后缀“M”),低压版CPU通过牺牲一部分性能为代价,换来体积小、重量轻、省电等特性,不足14W的功率往往不足标压CPU(35-45W)的一半。

    2013年,Intel推出了针对于移动处理器的“Core M”平台,该平台处理器功耗已经低至惊人的4.5W,在电池续航时间方面,实现了历史上最大幅度的提升。

    可以看到, 如今PC处理器市场,桌面电脑处理器哦继续朝着“高性能”大步迈进,而笔记本电脑处理器则走着性能与续航兼顾的“能效比”路线。

    PC处理器遵循着如此演进规律,手机移动处理器亦然。

    “非旗舰”处理器的“旗舰”制程

    回到我们的手机处理器,其实近几年芯片厂商称自己的“中端”处理器都是“为续航而生”,但为什么直到今年才说 “旗舰”芯片拼极限性能,“非旗舰”芯片拼日常续航
    的模式“分化”已经初步成型呢?

    这主要源于厂商首次在“非旗舰”处理器上使用“旗舰”的制程,让芯片的性能与稳定性都达到了高度可用的状态。

    这就要从处理器的工作原理开始讲起了:

    我们所常见的手机(晶体管)处理器都是通过施加电压,让晶体管产生一定频率的晶振才可以传输信号的。理论上讲,电压越强,晶振的频率越高,处理器的主频也就越快,同时也更加耗电。

    提高导通电压不仅会直接提升处理器耗电,让电池早日耗尽关机;处理器内部通过更大的电流也会增加元器件的发热,长此以往会缩短元件寿命,甚至损坏元件影响使用体验。所以每颗处理器的主频并不能被无限地提高。

    但得益于使用了先进的14nm/16nm FinFET工艺制程,降低了晶体管电容所需要的导通电压、也降低了芯片内部的电流,从而让芯片在相同的频率下运行时,比旧工艺制程更加省电、发热更低。

    换个思路讲,在相同的电压下,14nm/16nm制程的处理器会拥有更高的频率。而更低的发热可以保证处理器在运行时不会因为温度过高而导致处理器“保护性降频”,提高了体验的稳定性。

    在“电池”和“体验”双重“持久”的保证下,可以说如今的“非旗舰”处理器达到了高度可用的状态。低廉的价格也更加符合普通消费者的购买力,被大众所关注自然也是理所应当。

    在“非旗舰”处理器成功的背后,芯片厂商思路的转变功不可没。“非旗舰”处理器不再总是“慢半拍”,我们甚至在Helio P20上,看到为了节能而支持最先进的LPDDR4X内存。

    当然,处理器固然是影响手机体验的重要一环,“非旗舰”处理器性能虽然能够满足日常应用,但是相比于“旗舰”处理器,面对大型3D游戏以及建模时表现差距还是比较明显的。况且“非旗舰手机”与“旗舰手机”相差的不仅是处理器,在屏幕、拍照、音响等方面也会存在一定差距,购买时还得按需选择。

    不可否认的是, 随着移动处理器的发展,“旗舰”芯片追求极限性能,“非旗舰”芯片追求日常续航的模式还将进一步“分化”,通过不同的处理器定位,便于厂商对目标用户画像,区分消费层级地开发产品。

    另一方面,在未来,想要留住高低端全部用户,“旗舰”与“非旗舰”两手都要抓、都要硬。

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