智能手机迭代越来越快 摩尔定律还适用吗?

摘要

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?

编者注:本文转载自网易科技,极客公园已获转载授权。

网易科技讯 9 月 25 日消息,据 AndroidAuthority 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。

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