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【新技术研习社】2013年手机处理器终极指南(下)

“不可逾越之墙”

什么是技术所无法改变的事物?对于智能手机而言,一是客观存在的物理定律,二是人的生理需求。因为本文的主题是处理器,因此我们把目光集中在处理器系统上。

可以确定的是,只要技术还没有进步到手机可靠意念操作,那么人体对设备温度的可以接受上限就是确定的;而只要手机还符合物理定律,在一定温度下它所能散发的热量也是固定的(不考虑主动散热,例如内置风扇),这就勾勒出了一条“生死线”——在舒适的前提下,一个确定尺寸的手机,所采用的硬件功耗,或者说处理器系统的功耗是有极限的,只要超越这条线,就必须要降低工作频率,否则将会无法阻止温度的上升,性能自然也就无从谈起。因此我们认为,“手机的极限功耗不应该超过其最大可散热功耗”可以作为衡量产品的准绳。

【新技研】2013年手机处理器终极指南(下)
(Galaxy S4发热量测试,本表格数据来自太平洋电脑网)

长久以来,业界都习惯于用配置和价格的关系作为评价标准,但是如果联系到配置与性能脱节的现实,这个标准已经濒临失效,因此我们需要提出一个新的评判标准,不妨姑且将其称为“体效值”。

何谓体效值?我们将体效值定义为设备体积与能耗系数的乘积,代表了一台手机所可以连续提供的极限性能。将这个参数与理论最大性能联合评价,能得出以下的结论:如果系统的体效值小于最大性能,那么这套系统就必然是错误的,因为存在着浪费。但是如果体效值大于最大性能,那么这套系统有可能陷入“性能不够用”的疑问。最佳情况是体效值和最大性能相同,这意味着这套系统所蕴含的性能可以全部发挥,做到了设计可以得到的极限。你可以把“体效值”简单理解为“每瓦特性能”。

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任何一台手机机体,在有限的时间段内带走热量的能力都是有限的

手机绝对性能的测量相对简单,因此体效值中最关键的部分是“体”,即手机体积所能容纳的最大功率。这方面目前没有明确的行业标准,因此我们需要做一些假设。首先,我们假设在现在以及将来的一段时间内,手机将主要依靠外壳进行被动散热,不会像电脑一样引入风扇等主动散热手段。其次,我们将人体感温度舒适上限设为40度,而耐受极限设为50度。最后,我们将手机工作时环境温度设为25度,并且假定没有气流存在。

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无外界对流时,手机的热量散发主要依靠空气的自然对流与本身的辐射。假定手机的温度为介于舒适上限与耐受极限之间的45度,那么与环境温度的差值即为20度。相对于手机这个体积的设备而言,四个边侧面的散热贡献可以忽略不计,主要的散热面为前后两个面。计算时假定手机为垂直放置。

下面计算开始,首先计算对流散热量,我们选择iPhone 5作为标准对象。iPhone 5的尺寸为123.8×58.6×7.6毫米,因此正面的面积为0.0073平方米。垂直放置的情况下,iPhone 5一个正面的传热系数为4.65W/(m2•℃),也就是说这样一个表面可以靠对流散发的热量是0.68W,由于有两个表面,因此靠机身自然对流可以散发的热量为1.36W。考虑到还有侧边的存在,我们可以认为这个功率是1.5W。

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接下来计算辐射热量。由于iPhone 5的材质是铝合金和玻璃,氧化铝合金的辐射率大约在0.3左右,而玻璃的辐射率大约是0.85,因此整体辐射率取0.6,那么在外壳温度整体为45度的时候,靠辐射可以散发的热量经过计算大约是1.16W。

也就是说,一台通体45度,垂直置于静态25度的环境中的iPhone 5,可以散发的热量极限是2.66W。

实际环境中,考虑到用户体验,手机不会也不可能做到整机均匀发热,这无疑会降低手机的散热能力,但由于人体与手机的接触也可以带走一定的热量,因此两者互有增减,相信整体的散热功率不会与计算数值差距过大。因此,大约2.66W就是iPhone 5所能承受的最大整机功率(这里直接使用了整机功率,这是因为目前电子产品除了天线部分以外,消耗的电能绝大部分都转化成了热量,耗电量和发发热量基本相等)。

曾经广为流传的两个手机CPU温度测试视频:


(看不到视频点这里


(看不到视频点这里

再来看看Galaxy S4。由于计算的方式是相同的,因此过程就不给出了,唯一的不同是,作为塑料外壳的Galaxy S4,在热辐射效率上要远高于铝合金的iPhone 5,具体来说在0.9左右(看来塑料机还是有一些好处的)。结果直接给出,Galaxy S4在同等条件下的散热量为4.15W。

Galaxy S4旗舰安卓手机的代表,因此更大尺寸的机器我们就不计算了。结果显而易见,对于iPhone 5这种尺寸的手机而言,系统的极限功率是2.66W,而Galaxy S4尺寸的产品则为4.15W。体积处于两者之间的产品,散热能力则介于它们之间。至此,体效积中的体就已经有了结论。因为这个参数是不会因为技术提升而改变的,所以它可以作为我们判定未来新技术与新可能的良好标准。也就是说,对于一台5寸手机而言,我们可以得到的最大性能就是4.15W×每瓦特性能,不论这台手机的理论性能有多么强大。换句话说,只要一台5寸手机的整机最大功耗超过了4.15W,那么我们就一定可以判定:它的性能无法发挥。

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进一步的,对于一台手机而言,屏幕所占据的功耗大约从4寸的1.2W到5寸的1.8W不等,因此我们可以得出,极限散热功耗中,留给CPU、GPU、内存等计算系统的功耗上限,对于iPhone 5尺寸的手机而言是1.5W左右,对于Galaxy S4尺寸的手机而言是2.5W左右。

需要说明的是,在计算散热量时,我们所关注的对象是手机外表面,至于内部是如何传热的,对结果不会有影响。可能你会存在疑问,某手机内含热管,某手机拥有石墨散热膜,散热要好得多——这是错误的,辅助散热措施只是增加了手机内部的热传导效率,最终效果是提高手机整体的温度均匀性,而我们在计算的时候已经假定了这个数值是100%,也就是内部热传递设计为完美状态的极限结果。

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至此,我们可以对智能手机“核战争”带来的问题给出一个精确的描述:由于近年来手机配置的疯狂提升,导致手机的最大性能已经超越了体效值。这个前提下,任何理论性能的提升都是纸面的,功耗已经成为了一堵不可逾越的墙。在可以预见的未来,如果我们希望继续提升手机的性能,那就只能在能耗系数上下功夫。

OK,带着这个结论,让我们来重新审视一番市面上的主流手机处理器。

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