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科普:iPad Air 2为何采用3核CPU?

本文作者:王强 2014-11-20 15:37
导语:iPad Air 2正式发售时,我们惊奇发现iPad Air 2的CPU部分为3核心设计。一直以来,苹果在CPU核心数量使用方面颇为保守,为何这苹果会在A8x上放弃使用了几年的策略,也没有追随对手的脚步一步到位用上4核心版本,而是使用了3核心这样特殊的配置呢?

2014年10月16日,当苹果高管在库比蒂诺的发布会现场介绍iPad Air 2使用的A8x芯片时,投影幕布上依旧只是简单的几个数据对比:30亿晶体管、比iPad Air使用的A7芯片的CPU性能强40%,GPU性能达到2.5倍。发布会结束后,大多数媒体都猜测A8x仅仅是一个月前发布的A8芯片的简单增强版本,CPU频率提升,而GPU从4核心的PowerVR GX6450改为6核心的GX6650。等到iPad Air 2正式发售,媒体拿到真机运行测试后才发现苹果又一次出乎所有人的意料——它的CPU部分为3核心设计。

科普:iPad Air 2为何采用3核CPU?

与众竞争对手不同,苹果过去几年来一直在增加手机/平板的CPU核心数量上颇为保守。在高端甚至中端 Android 设备都普遍配备4、6甚至8核心芯片并大肆宣传时,苹果却从2011年iPad 2 开始就坚持在自己的iOS设备中最多只塞上两个较低频率的核心。为了在核心数量较少、工作频率较低的前提下保持一流的性能水平,拥有自主CPU研发能力的苹果选择了开发规模较庞大、复杂,而同频率下表现远超对手的强大CPU架构。双核1.4G频率的A8的综合表现丝毫不逊于高通的4核2.5G频率的骁龙800或者是8核2G频率的MTK6595。

iPad Air 2的散热能力远强于尺寸较小的 iPhone 6/6 plus,因而A8x的功耗限制相比后者使用的A8大大放宽。因此,A8x毫无疑问是今年所有的高端ARM芯片中CPU表现最强大的。在几乎所有的测试中其都可以轻松秒杀诸如骁龙800、Exynos 5430、Tegra 4这类对手。甚至Nvidia 刚刚发布的Tegra K1 Denver 核心版本都只能在部分单线程测试中略微胜过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轻易斩落马下。

很显然,A8x的目标就是登上性能之王的宝座。那么为什么苹果会在A8x上放弃使用了几年的策略,也没有追随对手的脚步一步到位用上4核心版本,而是使用了3核心这样特殊的配置呢?从一些评测数据中我们或许能得到答案。

不久前notebookcheck网站放出了iPad Air 2的评测。与其他媒体的评测相比这家网站多了一项过热降频的测试项目。测试结果也相当惊人:在连续循环运行Geekbench测试一小时之后iPad Air 2的机身温度大增,同时A8x的测试分数从4530猛跌到3145,下降31%;同时3D Mark物理测试的分数也下跌了27%。此时,A8x的性能仅仅比双核心的A8略高一点罢了。

对比另一家网站arstechinca之前对 iPhone 6/6 plus 的评测就很有趣了。arstechinca的烤机测试显示iPhone 6 plus在全速工作一小时后,A8芯片的性能下降幅度大约为25%。

这个成绩比起A8x 来说要理想得多,毕竟后者是配置在散热能力较强的9.7寸平板上。烤机测试之前A8x相比A8的性能优势高达50%以上,都烤机一小时后前者的优势就只剩40%了。看来A8x为了提高性能而付出的功耗增加的代价还是很惊人的。第一代iPad Air使用了与当时的iPhone 5s相同的A7芯片,只是主频略微提升。结果去年Anandtech的测试表明iPad Air在长时间烤机后性能也只有不足10%的下滑。这一回,苹果也为了跑分豁出去了。

功耗测试的结果也让我们可以明白A8x 使用3核心配置的主要原因。从之前A8与A7的对比评测中可以发现前者在同频率下单核心的性能只有小幅提升,显示苹果的CPU研发部门在提升单核心效能的道路上遇到了障碍。既然单核心效能没什么变化,想要提高CPU性能就只剩两条路:增加核心数与提高频率。后一种策略曾在PC领域被Intel等企业长期使用。从1994年第一代Pentium芯片面世到2004年Pentium 4撞上频率墙,10年间主流桌面芯片的工作频率提高了50倍之多。

然而今天的移动设备芯片却难以再使用类似的策略来一路高歌猛进,因为移动设备有严格的功耗及散热限制。芯片制造工艺没有换代时,大幅度提升频率往往意味着功耗与发热成倍增长:同一颗芯片的功耗正比于芯片频率,同时正比于芯片电压的平方;由于频率提高时往往电压也要上升,芯片频率提高一倍,功耗通常会提高一倍半甚至两倍以上,这对于移动设备来说是相当可怕的事情。但增加核心数量就没这么麻烦,通常来说核心数量翻倍,功耗增加可能还不到一倍。如果不是因为常见应用大都只能充分利用2-4个核心,或许我们早就会见到16核甚至32核,工作频率较低的手机/平板面世了。

苹果想要让iPad Air 2登上性能冠军的宝座,而9.7寸的平板又不足以为一颗高频率的双核A8芯片提供足够的散热能力,结果苹果只能折衷选择现在的这样奇特的3核心方案。在为多线程优化的高负载应用中3核1.5G的A8x可以达到双核A8工作在2.2G频率下的性能,但是功耗要低很多。另一方面,长时间烤机后的大幅降频现象表明苹果想要继续增加核心数量也不可能了,一颗4核心的A8x是无法塞进Air 2这样尺寸的平板中的。所幸由于单个核心性能出色,3核A8x还是轻松超越了一众4/6/8核的对手。或许等到未来苹果芯片改用更先进制造工艺,多核的发热得到控制后,iPad Air也会迎来4核版本。

A8x芯片的3核心方案是一种妥协,它从侧面展示了移动设备面临的性能-功耗矛盾。消费者总是希望自己的设备越快越好,但同时又要求更长的续航时间与更轻薄的机身。种种约束之下的工程师仿佛是带着镣铐跳舞的大象,绞尽脑汁追求最优的方案。如今苹果、ARM、高通、Nvidia等移动CPU研发厂商选择的道路各有不同,但随着技术进步,或许数年后他们会殊途同归,乃至一同撞上相同的天花板。

届时,移动设备的速度大战也将平息,智能手机的CPU会像今天的PC一样进步缓慢。对于整个业界来说,这样的未来并不是什么值得庆贺的事情。还好,在那样的天花板到来之前我们还有起码好几年的幸福时光。

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