手机CPU工艺比电脑先进,但性能落后很多,为什么

文/小伊评科技制约手机SOC性能发展的关键因素有三个——集成度,板载面积和功耗。01.手机SOC的集成度更高手机上的那枚主控芯片其实不能笼统地叫做CPU,而应该叫做SOC(即System on Chip),系统级芯片,什么意思,简单来说,就是只需要这一枚芯片,就能完成一个电子系统所需要的全部运算功能。

一个完整的手机SOC应该包括CPU,GPU,ISP,基带,DSP,缓存,NPU等等组件,是一个功能及其复杂的“缝合怪”,其集成难度更高。而反观PC上的CPU或者GPU,他就只是CPU和GPU,并不需要额外的缝合其他的功能,最多也就是内置一个性能不算很强的GPU模块,仅此而已,对于集成度的要求其实没那么高。

简单来说,手机的SOC需要把所有的资源都分配给不同的模块,对于集成度的要求也就更高。而CPU则不需要,因为他只要一个或者两个模块,对于集成度的要求没那么高。就像继承父辈的遗产一样,当你是独生子女的时候,你可以获得全部的遗产;但是当你有很多兄弟姐妹的时候,你就无法获得全部的资源。举个例子,假设现在有100亿美晶体管被分别用来打造手机SOC以及桌面CPU,在SOC上可能只有20亿枚晶体管会被用在CPU模块的搭建上,而在桌面CPU上,则有80亿颗晶体管可以被用在CPU模块上,你说谁更强?所以,从功能性上就注定,手机SOC中的CPU永远不可能真正超过同时代的顶级CPU。

02.板载面积所限。众所周知,一块芯片的综合性能和它内置的晶体管数量是有直接关系的,芯片工艺的进步本质上就是为了在相同的体积下放入更多的晶体管。但是大家千万不要忽略芯片体积对于晶体管数量的制约因素。下图分别是PC上的CPU和骁龙888的实物图对比,一块电脑上的CPU封装面积大概就有半个手掌那么大,而手机SOC的封装面积一般都在1平方厘米左右,也就是长宽都在1cm左右,和电脑上的CPU差距极大。

具体罗列一下数据:根据测算,i7 11700K的核心面积达到了270平方毫米,而与之对比,苹果a14板载面积仅为88平方毫米,单论板载面积,i7 11700K是苹果A17的三倍。而工艺的进步并不能完全抵消在板载面积上的巨大差别。如下图所示,采用落后的12nm工艺的英伟达 RTX 2080的晶体管数量达到了186亿颗,而目前采用最新,最强的5nm工艺所生产的手机处理器——苹果A15的晶体管数量也才刚刚达到150亿颗,差距依旧明显。

手机芯片之所以对于工艺的要求更苛刻,主要还是因为其宿主本身的体积不可能无线放大所致,因为手机的体积就那么大,芯片的板载面积越大,手机厂商就不得不使用更大的主板来放置它,这样的结果会带来两个后果——手机体积的增加。那么大家想象一下,你会用一款屏幕超过8英寸,厚度超过1.2cm,重量超过250g的手机么?手机毕竟是一个无源的手持设备,对于尺寸会更加敏感。

与之相对,电脑芯片则没有这种限制,可以随意地发挥,如上图所示,RTX2080的板载面积达到了惊人的754平方毫米,是A14的8倍,其中差距可见一斑。03.功耗限制。骁龙888被誉为一代大火龙,然而他的TDP功耗也不过13-15W左右,而这已经是移动SOC的极限水准。而与之相比,桌面级的CPU和显卡的功耗就要高得多了,英特尔最新的I7 12700K的PL1功耗为125W,PL2功耗则达到228W,远比骁龙888高得多,而且这还仅仅只是一枚CPU的功耗(核心显卡的功耗忽略不计),如果再加上显卡的功耗,至少可以达到400W左右的功耗。

高功耗带来的就是高耗电,我们具体来算一下,假设一台手机配备的电池容量是6000毫安时(这已经是目前手机行业最大的电池),也就6安时的电池,手机锂电池的电压普遍为3.7W,那么根据功率等于电流乘以电压即N=IU的公式来换算,400W每小时所耗的电流等于400/3.7=108A(不考虑电池放电量),每分钟的耗电量为1.8A,也就是说,6000毫安时的电池只能供这套设备运行约三分钟,这样的手机有人用么?此外还有发热的问题,功率越大,发热越高,15W的骁龙888都让手机厂商苦不堪言,更何况是几百瓦以上的芯片?手机直接能融化了。