智慧型手機迭代越來越快,摩爾定律還適用嗎?

2021-01-10 IT之家

據AndroidAuthority報導,早在1965年,英特爾公司聯合創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)就曾提出摩爾定律,預測密實集成電路板上使用的電晶體數量每隔兩年就會翻一番。然而在通常情況下,這個定律被推斷適用於所有技術。也就是說,人們普遍認為技術進步的速度應該每兩年提高一倍。

以我們口袋裡的智慧型手機為例,這種設備可能比幾年前的電腦還要強大。NASA的計算機曾幫助太空人登上月球,而現在的手機比NASA曾經使用的計算機還要強大數百萬倍,這簡直令人難以置信。在過去的幾十年裡,我們確實看到計算能力有了很大增長。我們可以坐在公交車上玩高品質的視頻遊戲,或在忘記帶「單反」的情況下拍攝4K視頻。但我們智慧型手機上的硬體真的還在遵循摩爾定律嗎?

三星Galaxy S8可能不會讓人覺得比Galaxy S7或Galaxy S6強大2倍。在過去幾年裡,我們使用手機的方式並沒有發生太大變化。現在使用普通智慧型手機,你幾乎可以做任何想做的事情,與2年前的旗艦智慧型手機相比沒什麼區別。那麼,智慧型手機技術達到頂峰了嗎?摩爾定律錯了嗎?下面讓我們仔細看看:

1.規格對比

首先,我們可以從智慧型手機的規格方面來看。與以前的智慧型手機相比,最新智慧型手機規格有哪些變化?鑑於本文作者是三星手機的忠實用戶,為此他以三星多款旗艦手機為例,並從Geekbench中添加了部分基準評分,以此來證明這些規格在「真實世界」中的表現。

圖表顯示,手機在漸進式改進,但規格和性能提高都沒有翻倍。這可能會歸結於製造商專注於其他功能,而不是盲目地遵守摩爾定律。智慧型手機不僅要比去年快得多,而且結構也要更漂亮,電池效率、解析度也要更高。CPU性能並不是唯一要優先考慮的因素,這也可以解釋為什麼我們在這些方面沒有看到「翻倍」。當然,還有更多的原因。

2.關於CPU工作原理

看看上面的表格,你可以看到GHz和性能之間的關係並不密切。僅看GHz,你會發現相當扭曲的畫面。給予CPU的指令通常是連續的,並且將會在「管道(隱喻)」中排隊等待計算機執行。時鐘速度可以告訴你CPU能夠多快地獲取並執行每個指令。而GHz是一種測量速度的方法,2GHz的CPU可以執行每秒20億次循環。然後,GHz數越高,CPU執行任務、運行代碼的速度越快。

但實際情況要比這複雜得多,因為CPU可以使用各種各樣的技巧,以便在每個周期中執行更多的指令,或者更有效地執行它們。例如,在當前指令完成之前,CPU就開始獲取下個指令,並將它們的「管道」分解為多個階段,這樣可以更高效地執行。同樣地,執行引擎可以分成兩個獨立的單元,可以並行運行。這種「指令級並行」(ILP)意味著可以同時執行多個指令。

這些提高效率的技巧通常被描述為使「管道更寬、更長」,這兩種方法都可以增加每個周期執行指令的數量和效率。但這裡也存在限制,因為有些任務需要按順序執行,但這是從晶片中擠出更多性能的另一種方法。這意味著,在許多情況下,時鐘速度較慢的CPU仍然可以保持更快的速度。它正在經歷更少的革命,但它正在做更多的工作。

在此之前,我們甚至還沒有提到擁有多個內核來平衡任務、提高效率、節約能源、處理熱量、防止節流或使用緩存等功能,這些方法都能方便地存儲有用的信息。與之類似,我們也忽略了GPU,它能處理特定類型的任務,這些任務對於繪製圖形或內存儲信息都非常有用。設備的整體性能是由許多較小的元素協同工作決定。CPU只是SoC的一小部分,而後者也是整個設備的一小部分。

3.晶片製造工藝

但請記住,摩爾定律所說的是晶片上電晶體的數量。CPU上的電晶體越多,它就越「聰明」。電晶體是一種很小的開關,可以用來創建邏輯門,而邏輯門則可充當你手機的「大腦」。在晶片每平方釐米麵積上安裝的電晶體越多,能夠安裝到設備裡的總數就越多。這就是電晶體的密度,也就是10nm晶片中10所代表的含義。這裡的nm意為「納米」,它測量的距離是單獨電晶體的一半。數字越小,電晶體就越小,所適應的空間也就越小。

從美國版本的Galaxy S8中使用的高通驍龍835來看,它使用了10nm的設計。通過這種方式,它聲稱比前身縮小了35%,節能25%。Galaxy S7上使用的三星Exynos 8890怎麼樣?它屬於14nm晶片。而Galaxy S6的Exynos 7420也是14nm。這些都是定製的處理器,但它們都基於相同的ARM架構。

三星和臺積電等公司目前正在開發7nm晶片(三星贏得了10nm工藝競賽),而臺積電已經在尋找製造5nm和3nm晶片的工廠!最重要的是,這是另一種衡量設備性能的標準,它與摩爾實際討論的內容擁有更緊密的聯繫。很明顯,晶片性能仍在以非常快的速度增長,即使沒有以每個兩年翻一倍的速度加速。

4.電晶體的數量

但僅僅因為你能把更多電晶體裝進更小的空間,並不一定意味著晶片上會有更多電晶體,這取決於晶片的大小。那麼在這些CPU上你能找到多少個電晶體呢?驍龍835上擁有30億個電晶體。相比而言,人類大腦中大約有1000億個神經元。

不幸的是,這些信息對所有智慧型手機來說都是不可用的,三星此前機型沒有具體數據。儘管這是一個不完美的測試,當讓我們看看另一個移動SoC,iPhone 5s據說採用了蘋果A7雙核晶片,擁有10億個電晶體,僅是Galaxy S8的1/3。A8晶片上的電晶體數量達到了20億。如果我們把它們的Geekbench分數匯集起來,我們可以看到這個結論:

當然,將電晶體數量增加一倍,並不一定讓性能在現實世界中提高一倍。事實上,在A7和A8之間的性能差異相對較小,儘管後者電晶體數量是前者的2倍,但它們擁有相同的RAM和GHz。更大的電晶體密度並不一定會帶來更高的性能和速度,因為製造商有時會「選擇」如何最好地使用這些新電晶體。在某些情況下,他們可能專注於與性能沒有直接相關的功能。例如,ARM有一個提高SoC的功率效率的系統,叫做「big.Little」。它主要使用兩種不同的動力核心來完成更輕更密集的任務。

這些功能更多地是出於對電池續航時間和熱量管理的關注,而不是純粹的計算速度。這是GPU通常可以比CPU更快地提高速度的原因之一,因為更專注於某些功能。有趣的是,看看iPhone 8和iPhone X上的A11晶片,它有43億個電晶體。不過,麒麟970於2017年在IFA推出時,號稱擁有55億個電晶體,以支持人工智慧功能。

5.登納德縮放比例定律

登納德縮放比例定律(Dennard scaling)又被稱為MOSFET scaling,是另一個類似的摩爾定律。它指出,當電晶體變小時,它們的功率密度保持不變。這意味著功率使用應與區域關聯,而與開關的數量無關。我們不僅要在「成本效益最佳」的情況下,每年看到電晶體的數量翻倍,而且這些電晶體應該使用更少的功率,同時不會產生更多熱量。

為了讓摩爾定律繼續對美國智慧型手機消費者和製造商有用,登納德縮放比例定律也需要成立。直到2000年,這個目標才終於實現。登納德縮放比例定律在每個較低的節點上不再適用,這意味著無法確保這些密集的晶片必然會導致功耗降低。這也證明,雖然電晶體的數量增加了1倍,但其性能卻並未相應增強。

從技術上說,登納德縮放比例定律已經被打破多年,而摩爾定律也不像以前那樣適用。將科技視為「加倍」增強的趨勢正變得越來越少,因為現實要複雜得多。不僅如此,摩爾定律也只被嚴格地限制在電晶體密度的範疇,這對設備性能不再屬於完整的測量。許多人沒有意識到的是,摩爾本人在1995年修改了他的定律,稱電晶體的密度每兩年翻一番。而且,這個定律總是被認為是「近似值」。

手機裡的硬體還在快速改進,雖然還沒有翻倍。這在一定程度上是因為OEM廠商在其他方面投入更多注意力和預算,部分原因是衡量性能遠比計算電晶體的數量要複雜得多。無需覺得這個消息太糟糕!你的手機速度或內存可能沒有提升兩倍,但它肯定比之前的手機更強大。像移動VR和4K屏幕這樣的新技術很可能會以更快的速度推動事物向前發展。

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