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智能手机迭代越来越快 摩尔定律还适用吗?
来源:环球网  作者:  2017-09-26 13:33:00

  现在的智能手机更迭速度越来越快了,基本上是一年可以更新好几部旗舰手机。据外媒报道,早在1965年,英特尔公司联合创始人戈登摩尔(Gordon Moore)就曾提出摩尔定律,预测密实集成电路板上使用的晶体管数量每隔两年就会翻一番。然而在通常情况下,这个定律被推断适用于所有技术。也就是说,人们普遍认为技术进步的速度应该每两年提高一倍。

  以我们口袋里的智能手机为例,这种设备可能比几年前的电脑还要强大。NASA的计算机曾帮助宇航员登上月球,而现在的手机比NASA曾经使用的计算机还要强大数百万倍,这简直令人难以置信。在过去的几十年里,我们确实看到计算能力有了很大增长。我们可以坐在公交车上玩高品质的视频游戏,或在忘记带“单反”的情况下拍摄4K视频。但我们智能手机上的硬件真的还在遵循摩尔定律吗?

  三星Galaxy S8可能不会让人觉得比Galaxy S7或Galaxy S6强大2倍。在过去几年里,我们使用手机的方式并没有发生太大变化。现在使用普通智能手机,你几乎可以做任何想做的事情,与2年前的旗舰智能手机相比没什么区别。那么,智能手机技术达到顶峰了吗?摩尔定律错了吗?下面让我们仔细看看:

  1.规格对比

  首先,我们可以从智能手机的规格方面来看。与以前的智能手机相比,最新智能手机规格有哪些变化?鉴于本文作者是三星手机的忠实用户,为此他以三星多款旗舰手机为例,并从Geekbench中添加了部分基准评分,以此来证明这些规格在“真实世界”中的表现。

  图表显示,手机在渐进式改进,但规格和性能提高都没有翻倍。这可能会归结于制造商专注于其他功能,而不是盲目地遵守摩尔定律。智能手机不仅要比去年快得多,而且结构也要更漂亮,电池效率、分辨率也要更高。CPU性能并不是唯一要优先考虑的因素,这也可以解释为什么我们在这些方面没有看到“翻倍”。当然,还有更多的原因。

  2.关于CPU工作原理

  看看上面的表格,你可以看到GHz和性能之间的关系并不密切。仅看GHz,你会发现相当扭曲的画面。给予CPU的指令通常是连续的,并且将会在“管道(隐喻)”中排队等待计算机执行。时钟速度可以告诉你CPU能够多快地获取并执行每个指令。而GHz是一种测量速度的方法,2GHz的CPU可以执行每秒20亿次循环。然后,GHz数越高,CPU执行任务、运行代码的速度越快。

  但实际情况要比这复杂得多,因为CPU可以使用各种各样的技巧,以便在每个周期中执行更多的指令,或者更有效地执行它们。例如,在当前指令完成之前,CPU就开始获取下个指令,并将它们的“管道”分解为多个阶段,这样可以更高效地执行。同样地,执行引擎可以分成两个独立的单元,可以并行运行。这种“指令级并行”(ILP)意味着可以同时执行多个指令。

  这些提高效率的技巧通常被描述为使“管道更宽、更长”,这两种方法都可以增加每个周期执行指令的数量和效率。但这里也存在限制,因为有些任务需要按顺序执行,但这是从芯片中挤出更多性能的另一种方法。这意味着,在许多情况下,时钟速度较慢的CPU仍然可以保持更快的速度。它正在经历更少的革命,但它正在做更多的工作。

  在此之前,我们甚至还没有提到拥有多个内核来平衡任务、提高效率、节约能源、处理热量、防止节流或使用缓存等功能,这些方法都能方便地存储有用的信息。与之类似,我们也忽略了GPU,它能处理特定类型的任务,这些任务对于绘制图形或内存储信息都非常有用。设备的整体性能是由许多较小的元素协同工作决定。CPU只是SoC的一小部分,而后者也是整个设备的一小部分。

  3.芯片制造工艺

  但请记住,摩尔定律所说的是芯片上晶体管的数量。CPU上的晶体管越多,它就越“聪明”。晶体管是一种很小的开关,可以用来创建逻辑门,而逻辑门则可充当你手机的“大脑”。在芯片每平方厘米面积上安装的晶体管越多,能够安装到设备里的总数就越多。这就是晶体管的密度,也就是10nm芯片中10所代表的含义。这里的nm意为“纳米”,它测量的距离是单独晶体管的一半。数字越小,晶体管就越小,所适应的空间也就越小。

  从美国版本的Galaxy S8中使用的高通骁龙835来看,它使用了10nm的设计。通过这种方式,它声称比前身缩小了35%,节能25%。Galaxy S7上使用的三星Exynos 8890怎么样?它属于14nm芯片。而Galaxy S6的Exynos 7420也是14nm。这些都是定制的处理器,但它们都基于相同的ARM架构。

  三星和台积电等公司目前正在开发7nm芯片(三星赢得了10nm工艺竞赛),而台积电已经在寻找制造5nm和3nm芯片的工厂!最重要的是,这是另一种衡量设备性能的标准,它与摩尔实际讨论的内容拥有更紧密的联系。很明显,芯片性能仍在以非常快的速度增长,即使没有以每个两年翻一倍的速度加速。

  4.晶体管的数量

  但仅仅因为你能把更多晶体管装进更小的空间,并不一定意味着芯片上会有更多晶体管,这取决于芯片的大小。那么在这些CPU上你能找到多少个晶体管呢?骁龙835上拥有30亿个晶体管。相比而言,人类大脑中大约有1000亿个神经元。

  不幸的是,这些信息对所有智能手机来说都是不可用的,三星此前机型没有具体数据。尽管这是一个不完美的测试,当让我们看看另一个移动SoC,iPhone 5s据说采用了苹果A7双核芯片,拥有10亿个晶体管,仅是Galaxy S8的1/3。A8芯片上的晶体管数量达到了20亿。如果我们把它们的Geekbench分数汇集起来,我们可以看到这个结论:

  当然,将晶体管数量增加一倍,并不一定让性能在现实世界中提高一倍。事实上,在A7和A8之间的性能差异相对较小,尽管后者晶体管数量是前者的2倍,但它们拥有相同的RAM和GHz。更大的晶体管密度并不一定会带来更高的性能和速度,因为制造商有时会“选择”如何最好地使用这些新晶体管。在某些情况下,他们可能专注于与性能没有直接相关的功能。例如,ARM有一个提高SoC的功率效率的系统,叫做“big.Little”。它主要使用两种不同的动力核心来完成更轻更密集的任务。

  这些功能更多地是出于对电池续航时间和热量管理的关注,而不是纯粹的计算速度。这是GPU通常可以比CPU更快地提高速度的原因之一,因为更专注于某些功能。有趣的是,看看iPhone 8和iPhone X上的A11芯片,它有43亿个晶体管。不过,麒麟970于2017年在IFA推出时,号称拥有55亿个晶体管,以支持人工智能功能。

  5.登纳德缩放比例定律

  登纳德缩放比例定律(Dennard scaling)又被称为MOSFET scaling,是另一个类似的摩尔定律。它指出,当晶体管变小时,它们的功率密度保持不变。这意味着功率使用应与区域关联,而与开关的数量无关。我们不仅要在“成本效益最佳”的情况下,每年看到晶体管的数量翻倍,而且这些晶体管应该使用更少的功率,同时不会产生更多热量。

  为了让摩尔定律继续对美国智能手机消费者和制造商有用,登纳德缩放比例定律也需要成立。直到2000年,这个目标才终于实现。登纳德缩放比例定律在每个较低的节点上不再适用,这意味着无法确保这些密集的芯片必然会导致功耗降低。这也证明,虽然晶体管的数量增加了1倍,但其性能却并未相应增强。

  从技术上说,登纳德缩放比例定律已经被打破多年,而摩尔定律也不像以前那样适用。将科技视为“加倍”增强的趋势正变得越来越少,因为现实要复杂得多。不仅如此,摩尔定律也只被严格地限制在晶体管密度的范畴,这对设备性能不再属于完整的测量。许多人没有意识到的是,摩尔本人在1995年修改了他的定律,称晶体管的密度每两年翻一番。而且,这个定律总是被认为是“近似值”。

  手机里的硬件还在快速改进,虽然还没有翻倍。这在一定程度上是因为OEM厂商在其他方面投入更多注意力和预算,部分原因是衡量性能远比计算晶体管的数量要复杂得多。无需觉得这个消息太糟糕!你的手机速度或内存可能没有提升两倍,但它肯定比之前的手机更强大。像移动VR和4K屏幕这样的新技术很可能会以更快的速度推动事物向前发展。

标签:晶体管;智能手机;摩尔定律;cpu;芯片;galaxi;

责任编辑:秦倩清(实习)

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