A8X為何用3核CPU?蘋果被逼的

  2014年10月16日,當蘋果高管在庫比蒂諾的發佈會現場介紹iPad Air 2使用的A8x芯片時,投影幕佈上依舊隻是簡單的幾個數據對比:30億晶體管、比iPad Air使用的A7芯片的CPU性能強40%,GPU性能達到2.5倍。發佈會結束後,大多數媒體都猜測A8x僅僅是一個月前發佈的A8芯片的簡單增強版本,CPU頻率提升,而GPU從4核心的PowerVR GX6450改為6核心的GX6650。等到iPad Air 2正式發售,媒體拿到真機運行測試後才發現蘋果又一次出乎所有人的意料——它的CPU部分為3核心設計。

  與眾競爭對手不同,蘋果過去幾年來一直在增加手機/平板的CPU核心數量上頗為保守。在高端甚至中端 Android 設備都普遍配備4、6甚至8核心芯片並大肆宣傳時,蘋果卻從2011年iPad 2 開始就堅持在自己的iOS設備中最多隻塞上兩個較低頻率的核心。為瞭在核心數量較少、工作頻率較低的前提下保持一流的性能水平,擁有自主CPU研發能力的蘋果選擇瞭開發規模較龐大、復雜,而同頻率下表現遠超對手的強大CPU架構。雙核1.4G頻率的A8的綜合表現絲毫不遜於高通的4核2.5G頻率的驍龍800或者是8核2G頻率的MTK6595。

  iPad Air 2的散熱能力遠強於尺寸較小的 iPhone 6/6 plus,因而A8x的功耗限制相比後者使用的A8大大放寬。因此,A8x毫無疑問是今年所有的高端ARM芯片中CPU表現最強大的。在幾乎所有的測試中其都可以輕松秒殺諸如驍龍800、Exynos 5430、Tegra 4這類對手。甚至Nvidia 剛剛發佈的Tegra K1 Denver 核心版本都隻能在部分單線程測試中略微勝過A8x而已,三星采用64bit Cortex A57 A53核心的Exynos 7420(亦即之前的5433)也被A8x輕易斬落馬下。

  很顯然,A8x的目標就是登上性能之王的寶座。那麼為什麼蘋果會在A8x上放棄使用瞭幾年的策略,也沒有追隨對手的腳步一步到位用上4核心版本,而是使用瞭3核心這樣特殊的配置呢?從一些評測數據中我們或許能得到答案。

  不久前notebookcheck網站放出瞭iPad Air 2的評測。與其他媒體的評測相比這傢網站多瞭一項過熱降頻的測試項目。測試結果也相當驚人:在連續循環運行Geekbench測試一小時之後iPad Air 2的機身溫度大增,同時A8x的測試分數從4530猛跌到3145,下降31%;同時3D Mark物理測試的分數也下跌瞭27%。此時,A8x的性能僅僅比雙核心的A8略高一點罷瞭。

  對比另一傢網站arstechinca之前對 iPhone 6/6 plus 的評測就很有趣瞭。arstechinca的烤機測試顯示iPhone 6 plus在全速工作一小時後,A8芯片的性能下降幅度大約為25%。

  這個成績比起A8x 來說要理想得多,畢竟後者是配置在散熱能力較強的9.7寸平板上。烤機測試之前A8x相比A8的性能優勢高達50%以上,都烤機一小時後前者的優勢就隻剩40%瞭。看來A8x為瞭提高性能而付出的功耗增加的代價還是很驚人的。第一代iPad Air使用瞭與當時的iPhone 5s相同的A7芯片,隻是主頻略微提升。結果去年Anandtech的測試表明iPad Air在長時間烤機後性能也隻有不足10%的下滑。這一回,蘋果也為瞭跑分豁出去瞭。

  功耗測試的結果也讓我們可以明白A8x 使用3核心配置的主要原因。從之前A8與A7的對比評測中可以發現前者在同頻率下單核心的性能隻有小幅提升,顯示蘋果的CPU研發部門在提升單核心效能的道路上遇到瞭障礙。既然單核心效能沒什麼變化,想要提高CPU性能就隻剩兩條路:增加核心數與提高頻率。後一種策略曾在PC領域被Intel等企業長期使用。從1994年第一代Pentium芯片面世到2004年Pentium 4撞上頻率墻,10年間主流桌面芯片的工作頻率提高瞭50倍之多。

  然而今天的移動設備芯片卻難以再使用類似的策略來一路高歌猛進,因為移動設備有嚴格的功耗及散熱限制。芯片制造工藝沒有換代時,大幅度提升頻率往往意味著功耗與發熱成倍增長:同一顆芯片的功耗正比於芯片頻率,同時正比於芯片電壓的平方;由於頻率提高時往往電壓也要上升,芯片頻率提高一倍,功耗通常會提高一倍半甚至兩倍以上,這對於移動設備來說是相當可怕的事情。但增加核心數量就沒這麼麻煩,通常來說核心數量翻倍,功耗增加可能還不到一倍。如果不是因為常見應用大都隻能充分利用2-4個核心,或許我們早就會見到16核甚至32核,工作頻率較低的手機/平板面世瞭。

  蘋果想要讓iPad Air 2登上性能冠軍的寶座,而9.7寸的平板又不足以為一顆高頻率的雙核A8芯片提供足夠的散熱能力,結果蘋果隻能折衷選擇現在的這樣奇特的3核心方案。在為多線程優化的高負載應用中3核1.5G的A8x可以達到雙核A8工作在2.2G頻率下的性能,但是功耗要低很多。

  另一方面,長時間烤機後的大幅降頻現象表明蘋果想要繼續增加核心數量也不可能瞭,一顆4核心的A8x是無法塞進Air 2這樣尺寸的平板中的。所幸由於單個核心性能出色,3核A8x還是輕松超越瞭一眾4/6/8核的對手。或許等到未來蘋果芯片改用更先進制造工藝,多核的發熱得到控制後,iPad Air也會迎來4核版本。

  A8x芯片的3核心方案是一種妥協,它從側面展示瞭移動設備面臨的性能-功耗矛盾。消費者總是希望自己的設備越快越好,但同時又要求更長的續航時間與更輕薄的機身。種種約束之下的工程師仿佛是帶著鐐銬跳舞的大象,絞盡腦汁追求最優的方案。如今蘋果、ARM、高通、NVIDIA等移動CPU研發廠商選擇的道路各有不同,但隨著技術進步,或許數年後他們會殊途同歸,乃至一同撞上相同的天花板。

  屆時,移動設備的速度大戰也將平息,智能手機的CPU會像今天的PC一樣進步緩慢。對於整個業界來說,這樣的未來並不是什麼值得慶賀的事情。還好,在那樣的天花板到來之前我們還有起碼好幾年的幸福時光。

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