【文章內(nèi)容簡介】 器的CPU頻率變化，實(shí)際應(yīng)用中可能有所不同，但有一點(diǎn)可以確定，那就是Exynos 5410在手機(jī)上可以發(fā)揮的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬件設(shè)計(jì)的極限性能。Cortex A7與Cortex A15聯(lián)合的效率，大約和Cortex A9不相上下，這也就意味著配備了Exynos 5 Octa的設(shè)備，其體效值并不會(huì)比Exynos 4412高。然而，這并非Exynos 5 Octa的最佳工作模式。ARM ：整體遷移、非對稱多核心與異構(gòu)多核心。整體遷移模式指Cortex A15或Cortex A7輪流工作，兩者無法同時(shí)激活，具體開啟的核心數(shù)字根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載決定。非對稱多核心則是將Cortex A15四核簇和Cortex A7四核簇看作兩組非對稱多核心簇，依靠外部總線工作在異步模式下，從而啟動(dòng)所有的八個(gè)核心。而第三種是最誘人的，也就是將每一個(gè)A15與A7組合成為一個(gè)“處理器對”，將其看作一個(gè)單獨(dú)的處理器，系統(tǒng)根據(jù)需求開啟若干個(gè)“處理器對”，而每一對處理器究竟使用Cortex A15還是Cortex A7，完全根據(jù)該核心的負(fù)載決定。從理論上來說，Exynos 5 Octa支持全部的三個(gè)模式，但是三星目前在系統(tǒng)中卻只支持了第一種模式，產(chǎn)品中的工作模式也只有整體遷移。這導(dǎo)致一些人認(rèn)為三星這顆CPU的技術(shù)開發(fā)尚未完成，是“半成品”，因此并沒有實(shí)現(xiàn)最佳的工作效果。甚至有一些分析表示，這是源于Exynos 5 Octa的硬件設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的，需要在未來的產(chǎn)品中才能修復(fù)。對此，我們認(rèn)為這樣的說法既是對的，也是錯(cuò)的。為什么這樣說？前提是，單純的降低功耗并沒有意義，只有提升體效值才可以獲得更強(qiáng)的性能。對于Exynos 5 Octa而言，其他的兩種工作模式似乎可以降低功耗，但可以提升每瓦特性能嗎？這是一個(gè)未知數(shù)，而且是一個(gè)相當(dāng)不容樂觀的未知數(shù)，原因之一就在于Exynos 5 Octa的兩組處理器，二級緩存的大小不同。根據(jù)架構(gòu)圖，Exynos 5 Octa的Cortex A15部分，二級緩存為2MB，而Cortex A7部分只有512KB。如果是Cortex A9時(shí)代，這并不是問題，因?yàn)樗械亩壘彺娑际强靠偩€實(shí)現(xiàn)的訪問。但是在Cortex A15和A7時(shí)代，ARM為了提升緩存效能，將L2 Cache整合進(jìn)了多核心控制器SCU中，它的壞處就在這里：一旦系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)存在著激活的Cortex A7和Cortex A15，那么由于二級緩存的大小不同，兩組核心之間的聯(lián)合工作將會(huì)變得非常麻煩。二級緩存是內(nèi)存的映射，所以所有核心所訪問的二級緩存的數(shù)據(jù)必須完全相同。Cortex A15和Cortex A7各自擁有自己獨(dú)占的二級緩存，當(dāng)兩者協(xié)同工作時(shí)，緩存是無法共享的，維護(hù)兩組L2之間的數(shù)據(jù)一致性會(huì)變成一件非常重要同時(shí)也非常影響性能的事情。高通的異步架構(gòu)之所以有性能損失，一致性開銷就是其中很重要的因素之一。在Exynos 5 Octa中，兩組A15和A7核心的二級緩存大小不同，這就意味著即便是在最好的情況下，也會(huì)導(dǎo)致Cortex A15處理器簇的有效L2從2MB縮減到512KB，這對性能的影響極為巨大。所以，三星選擇了只實(shí)現(xiàn)第一種工作模式。在這個(gè)模式下，緩存一致性無需維持，只需要在切換時(shí)通過內(nèi)存將緩存數(shù)據(jù)復(fù)制即可（A7到A15可以視作部分填充，而A15到A7可以丟棄超出512KB的部分），甚至可以更簡單的直接丟棄L2數(shù)據(jù)，令其重新填充。因?yàn)橄鄬τ诼?lián)合工作所需要的一致性維護(hù)需求（其頻繁程度與緩存命中率相關(guān)，可能只比處理器時(shí)鐘頻率低2～3個(gè)量級）而言，由于動(dòng)態(tài)頻率控制導(dǎo)致的核心切換要少的多，至多只有每秒百次的水平，因此這樣的損失是最少的，換句話說，但實(shí)際上反而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率的降低，從而進(jìn)一步降低搭載Exynos 5 Octa設(shè)備的體效值，使其變得比Cortex A9更慢。從這個(gè)意義上說，如果你需要一顆手機(jī)處理器，至少在CPU部分，Exynos 5 Octa實(shí)際上相對于Exynos 4412而言是倒退的。這無疑是對于畸形市場需求的最佳打臉：超高的規(guī)格，強(qiáng)大的指標(biāo)，性能卻在偷偷的后退，不知道這到底迎合了誰的需求。當(dāng)然，Exynos 5 Octa也不全都是壞處。由于LPDDR3的引入，翻倍的內(nèi)存帶寬可以極大提升系統(tǒng)在日常使用中的感受，因此總體而言Exynos 5 Octa的體驗(yàn)不會(huì)有之前評價(jià)的那么悲觀，只是會(huì)距離你所認(rèn)為的強(qiáng)大相去甚遠(yuǎn)罷了。至于另一個(gè)好處則來源于PowerVR SGX544MP3這枚GPU。就如同PC一樣，手機(jī)對于GPU的需求也慢慢超過了CPU。不客氣的說，現(xiàn)在的日常需求，一枚四核心Cortex A7就可以滿足了，但是游戲所需要的性能卻是永無止境的。在Exynos 4210“獵戶座”剛剛發(fā)布的時(shí)候，Mali400MP4幾乎可以滿足所有游戲，這枚GPU不僅速度飛快，而且極為省電，能耗比相當(dāng)高。但是隨著手機(jī)游戲的進(jìn)步，在Exynos 4412上這枚GPU已經(jīng)顯出了疲態(tài)。三星在Exynos 5 Octa上作出更換GPU的決定非常及時(shí)。Exynos 5 Octa的3D性能達(dá)到了目前手機(jī)處理器的頂級水平，在日常使用中你有很多機(jī)會(huì)可以體驗(yàn)到它帶來的提升。根據(jù)粗略測試，搭載Exynos 5 Octa的Galaxy S4在運(yùn)行3Dmark的時(shí)候。這無疑是一個(gè)非常振奮人心的數(shù)據(jù)，這意味著PowerVR SGX544MP3在維持了Mali 400MP4能耗比的基礎(chǔ)上（嚴(yán)格來說仍然有一定的下滑，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于繼任者M(jìn)ali T604）將其的最大性能擴(kuò)展了幾乎四倍，這樣的提升才是符合用戶需求的提升。對于這樣的進(jìn)步，我們需要高舉雙手給予掌聲。新一代處理器性能對比分析雖然說我們之前通篇都在論述的觀點(diǎn)是目前旗艦手機(jī)平臺(tái)的性能受限于功耗，無法在日常使用中體現(xiàn)，但是不得不承認(rèn)基準(zhǔn)測試也是部分用戶日常使用的功能之一，而且這些芯片“不管實(shí)際情況，就跑分到底誰最快”也是很多人很有興趣的問題之一。當(dāng)然，相對于前幾年的產(chǎn)品而言，現(xiàn)在的平臺(tái)下跑分的意義不論如何都在變得越來越小，因此我們不會(huì)再像上篇一樣做連篇累牘的深入分析。取而代之的，我們只會(huì)從幾個(gè)理論測試軟件的成績里大概的看一下它們之間的勝負(fù)關(guān)系與潛力。由于新一代手機(jī)處理器的降頻問題十分嚴(yán)重，因此我們不能簡單的去比較頻率與分?jǐn)?shù)，因?yàn)闊o法確定在實(shí)際測試中它們運(yùn)行在什么頻率下。這個(gè)問題對于驍龍800而言相對小一些，因?yàn)镵rait 400核心的實(shí)際功耗并沒有超越設(shè)備散熱極限太遠(yuǎn)，因此我們有理由認(rèn)為在諸如Antutu跑分這類間歇性滿載，且滿載時(shí)間不超過一分鐘的測試程序中，（除非廠商設(shè)定的溫度控制閾值極為激進(jìn)，）。Exynos 5 Octa的情況在之前已經(jīng)有所說明，但是由于Antutu的滿載壓力并沒有系統(tǒng)穩(wěn)定性測試軟件那么高，、 Cortex Cortex A7各占1/3時(shí)間。這樣根據(jù)DMIPS的數(shù)據(jù)折算， A15?？紤]到Cortex A7在整數(shù)部份的同頻性能與Cortex A15的差距并沒有DMIPS所顯示的大，但是浮點(diǎn)性能方面的差距非常明顯，因此在整數(shù)部分。至于Tegra 4，但是我們找到了nVIDIA Shield的測試結(jié)果。由于Shield擁有足夠的空間安裝散熱片，因此可以避免頻率的下降，因此在測試全程中。下面就讓我們來看看結(jié)果。只采集CPU的整數(shù)和浮點(diǎn)部分。結(jié)果一如我們的預(yù)料。如果不降頻，那么Cortex A15的絕對性能將是最為強(qiáng)大的，它也不是全速運(yùn)行的Tegra 4的對手。同時(shí)，和Cortex A9的代表Exynos 4412比較的話，我們發(fā)現(xiàn)驍龍800的整數(shù)性能領(lǐng)先幅度并沒有頻率所表現(xiàn)的那么大，而Exynos 5 Octa由于過高的功耗，也沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的性能。下面我們計(jì)算一下每MHz下各個(gè)平臺(tái)的對應(yīng)性能：這個(gè)結(jié)果就比較有意思了?？梢钥吹?，Tegra 4在整數(shù)和浮點(diǎn)性能方面，單位功率的性能都沒有超過Cortex A9，甚至整數(shù)方面的能耗比下降了一半。而Exynos 5 Octa在整數(shù)方面相對于Tegra 4的效率進(jìn)步，更多的歸功于能耗比更高的Cortex A7內(nèi)核，畢竟不論是AA9還是A15，整數(shù)運(yùn)算單元都是兩個(gè)，理論上同頻整數(shù)吞吐量沒有區(qū)別，但是依然沒能對Cortex A9實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的提升。而驍龍800延續(xù)了之前產(chǎn)品在整數(shù)性能方面能耗比不如Cortex A9的傳統(tǒng)。因此，結(jié)論就十分清晰了：在限制運(yùn)行在相同功耗的前提下，以對日常使用影響最大的整數(shù)性能而言，不論是驍龍800還是Exynos 5 Octa，都無法表現(xiàn)得比Cortex A9更好。當(dāng)然這是理論測試，實(shí)際運(yùn)行App時(shí)，由于處理器內(nèi)部亂序執(zhí)行和分支預(yù)測等方面的增強(qiáng)，幾大主流新產(chǎn)品的表現(xiàn)會(huì)還是比上一代Exynos 4412強(qiáng)大一些，但是我們要重復(fù)之前說過的話：你不可能得到像測試分?jǐn)?shù)那樣巨大的體驗(yàn)提升，尤其是考慮到Tegra 4的跑分成績已經(jīng)高達(dá)40000分，驍龍800的跑分成績超過了33000分，Exynos 5 Octa雖然不及以上兩者但也接近29000分，而Exynos 4412只有區(qū)區(qū)16500分?？傮w來說，雖然有著諸如GPU性能的良性提升與內(nèi)存性能的良性提升，但是星星點(diǎn)點(diǎn)的美好并不能掩蓋新一代處理器所面臨的整體的問題。在我們已經(jīng)分析過的三個(gè)產(chǎn)品中，實(shí)際上沒有一個(gè)實(shí)現(xiàn)了效率的明顯進(jìn)步。這意味著雖然它們每一個(gè)都宣稱自己比前一代提速xx%，但是實(shí)際使用中由于體效值的原地踏步，我們實(shí)際上無法感受到所宣稱的速度。這樣的情況維持一兩代還可以勉強(qiáng)接受，但是如果一直持續(xù)下去，相信消費(fèi)者終究會(huì)疲勞，就像現(xiàn)如今陷入困境的PC市場一樣，最終不再有人愿意為新產(chǎn)品買單，而這顯然是手機(jī)廠家所不愿意看到的。從核心上尋找提高能耗比的方式，以ARM的技術(shù)實(shí)力似乎已經(jīng)走到了盡頭。那還有什么辦法可以推進(jìn)效率的進(jìn)步呢？答案也許只有工藝了。關(guān)鍵之中的關(guān)鍵：半導(dǎo)體工藝通過改進(jìn)處理器微架構(gòu)來獲得性能提升是最體面的方法，也是最難的方法。從40年前的英特爾4004，再到今天的酷睿i7，IPS（每周期指令吞吐量）也就是從1提升到2再提升到3的進(jìn)步。再往上，就撞到了難以逾越的功耗之墻。如何打破這堵高高的墻壁？答案只有一個(gè)：更好的工藝。對于ARM而言尤其如此。5年前的ARM11處理器還在使用老掉牙的130nm普通CMOS工藝。而最近一到兩年，由于無法從核心上榨取更多的油水，業(yè)界開始用越來越新的工藝制作最先進(jìn)的ARM處理器，從45nm到32nm甚至現(xiàn)在的28nm，ARM處理器在工藝上的進(jìn)步速度要遠(yuǎn)超同期PC處理器。正是這些新工藝，支撐著ARM處理器在近幾年內(nèi)以每年200%的速度在提升。但是提到工藝，我們就不得不再一次提到一個(gè)詞：極限。沒錯(cuò)，通過超量應(yīng)用工藝，我們獲得了超量的性能提升，但是工藝的儲(chǔ)備并不是無窮無盡的，現(xiàn)在的我們已經(jīng)走在了工藝的極限上。如果是傳統(tǒng)的工程極限，隨著新技術(shù)和新方法的發(fā)明，最終都可以實(shí)現(xiàn)突破，但是工藝面臨的這道極限的背后是物理定律。在28nm以后，晶體管實(shí)在是太小了，小到我們必須重新梳理物理定律，才能準(zhǔn)確掌握它的物理性質(zhì)。隨著半導(dǎo)體工藝線寬邁入20nm以下，集成電路中的某些結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始邁入介觀和微觀之間的灰色地帶。對于微觀世界，也就是量子世界，人們目前所掌握的物理學(xué)，并不能給出太多具備足夠工程價(jià)值的答案。也許你很難想象，現(xiàn)代為處理器所使用的晶體管，其柵極漏電的很大一部分原因已經(jīng)是量子隧穿效應(yīng)。這是因?yàn)閷τ谝粋€(gè)線寬只有30nm的晶體管而言，它的柵極絕緣材料的厚度只有不到2nm，也就是說，只有不到10層原子的厚度。而工藝最先進(jìn)的英特爾，其量產(chǎn)晶體管的柵極絕緣層厚度已經(jīng)不到1nm，只有5層原子的厚度。在這樣的規(guī)模下，宏觀的物理定律已經(jīng)有相當(dāng)程度的失效，這個(gè)規(guī)模的晶體管會(huì)做出什么行為？更多的只能靠猜測，靠無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)經(jīng)典物理定律失效，人們需要在盲目的實(shí)驗(yàn)中找到解決方案時(shí)，進(jìn)步的速度就變得不再可以預(yù)測。2013年已經(jīng)是28nm的時(shí)代，按照預(yù)測，2014年業(yè)界就將往20nm邁進(jìn)。但是這一步能順利走出去么？相信沒人對此能有足夠的信心。作為世界上最大的代工廠，臺(tái)積電TSMC的工藝路線對于業(yè)界的影響力是最為巨大的，早在2009年，TSMC就已經(jīng)宣布將要量產(chǎn)28nm邏輯電路工藝，但是實(shí)際情況是直到2011年底，TSMC都沒能拿出哪怕只用于性能測試的樣品芯片，而最終的量產(chǎn)一直到2012年6月才在跌跌撞撞中開始，前后延期達(dá)三年。那么，面對TSMC“2013年底量產(chǎn)20nm”的豪言壯語，你又能相信多少呢？TSMC的下一代20納米工藝還面臨一個(gè)問題——性能提升將非常有限。從官方演示文檔中我們可以看到，TSMC的20nm規(guī)劃中，針對移動(dòng)設(shè)備的工藝——也就是LP、HPL和HPM——被整合成了一種，名為20SoC。它的性能，以TSMC官方的預(yù)計(jì)，僅能實(shí)現(xiàn)漏電比28HPM降低20%、性能比28H