智能手機(jī)迭代越來(lái)越快，摩爾定律還適用嗎？

　　據(jù)AndroidAuthority報(bào)道，早在1965年，英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)就曾提出摩爾定律，預(yù)測(cè)密實(shí)集成電路板上使用的晶體管數(shù)量每隔兩年就會(huì)翻一番。然而在通常情況下，這個(gè)定律被推斷適用于所有技術(shù)。也就是說(shuō)，人們普遍認(rèn)為技術(shù)進(jìn)步的速度應(yīng)該每?jī)赡晏岣咭槐丁?/p>本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201709/364802.htm

　　以我們口袋里的智能手機(jī)為例，這種設(shè)備可能比幾年前的電腦還要強(qiáng)大。NASA的計(jì)算機(jī)曾幫助宇航員登上月球，而現(xiàn)在的手機(jī)比NASA曾經(jīng)使用的計(jì)算機(jī)還要強(qiáng)大數(shù)百萬(wàn)倍，這簡(jiǎn)直令人難以置信。在過(guò)去的幾十年里，我們確實(shí)看到計(jì)算能力有了很大增長(zhǎng)。我們可以坐在公交車上玩高品質(zhì)的視頻游戲，或在忘記帶“單反”的情況下拍攝4K視頻。但我們智能手機(jī)上的硬件真的還在遵循摩爾定律嗎?

　　三星Galaxy S8可能不會(huì)讓人覺(jué)得比Galaxy S7或Galaxy S6強(qiáng)大2倍。在過(guò)去幾年里，我們使用手機(jī)的方式并沒(méi)有發(fā)生太大變化。現(xiàn)在使用普通智能手機(jī)，你幾乎可以做任何想做的事情，與2年前的旗艦智能手機(jī)相比沒(méi)什么區(qū)別。那么，智能手機(jī)技術(shù)達(dá)到頂峰了嗎?摩爾定律錯(cuò)了嗎?下面讓我們仔細(xì)看看：

　　1.規(guī)格對(duì)比

　　首先，我們可以從智能手機(jī)的規(guī)格方面來(lái)看。與以前的智能手機(jī)相比，最新智能手機(jī)規(guī)格有哪些變化?鑒于本文作者是三星手機(jī)的忠實(shí)用戶，為此他以三星多款旗艦手機(jī)為例，并從Geekbench中添加了部分基準(zhǔn)評(píng)分，以此來(lái)證明這些規(guī)格在“真實(shí)世界”中的表現(xiàn)。

　　圖表顯示，手機(jī)在漸進(jìn)式改進(jìn)，但規(guī)格和性能提高都沒(méi)有翻倍。這可能會(huì)歸結(jié)于制造商專注于其他功能，而不是盲目地遵守摩爾定律。智能手機(jī)不僅要比去年快得多，而且結(jié)構(gòu)也要更漂亮，電池效率、分辨率也要更高。CPU性能并不是唯一要優(yōu)先考慮的因素，這也可以解釋為什么我們?cè)谶@些方面沒(méi)有看到“翻倍”。當(dāng)然，還有更多的原因。

　　2.關(guān)于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(guān)系并不密切。僅看GHz，你會(huì)發(fā)現(xiàn)相當(dāng)扭曲的畫(huà)面。給予CPU的指令通常是連續(xù)的，并且將會(huì)在“管道(隱喻)”中排隊(duì)等待計(jì)算機(jī)執(zhí)行。時(shí)鐘速度可以告訴你CPU能夠多快地獲取并執(zhí)行每個(gè)指令。而GHz是一種測(cè)量速度的方法，2GHz的CPU可以執(zhí)行每秒20億次循環(huán)。然后，GHz數(shù)越高，CPU執(zhí)行任務(wù)、運(yùn)行代碼的速度越快。

　　但實(shí)際情況要比這復(fù)雜得多，因?yàn)镃PU可以使用各種各樣的技巧，以便在每個(gè)周期中執(zhí)行更多的指令，或者更有效地執(zhí)行它們。例如，在當(dāng)前指令完成之前，CPU就開(kāi)始獲取下個(gè)指令，并將它們的“管道”分解為多個(gè)階段，這樣可以更高效地執(zhí)行。同樣地，執(zhí)行引擎可以分成兩個(gè)獨(dú)立的單元，可以并行運(yùn)行。這種“指令級(jí)并行”(ILP)意味著可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令。

　　這些提高效率的技巧通常被描述為使“管道更寬、更長(zhǎng)”，這兩種方法都可以增加每個(gè)周期執(zhí)行指令的數(shù)量和效率。但這里也存在限制，因?yàn)橛行┤蝿?wù)需要按順序執(zhí)行，但這是從芯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(shí)鐘速度較慢的CPU仍然可以保持更快的速度。它正在經(jīng)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(méi)有提到擁有多個(gè)內(nèi)核來(lái)平衡任務(wù)、提高效率、節(jié)約能源、處理熱量、防止節(jié)流或使用緩存等功能，這些方法都能方便地存儲(chǔ)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(wù)，這些任務(wù)對(duì)于繪制圖形或內(nèi)存儲(chǔ)信息都非常有用。設(shè)備的整體性能是由許多較小的元素協(xié)同工作決定。CPU只是SoC的一小部分，而后者也是整個(gè)設(shè)備的一小部分。

　　3.芯片制造工藝

　　但請(qǐng)記住，摩爾定律所說(shuō)的是芯片上晶體管的數(shù)量。CPU上的晶體管越多，它就越“聰明”。晶體管是一種很小的開(kāi)關(guān)，可以用來(lái)創(chuàng)建邏輯門，而邏輯門則可充當(dāng)你手機(jī)的“大腦”。在芯片每平方厘米面積上安裝的晶體管越多，能夠安裝到設(shè)備里的總數(shù)就越多。這就是晶體管的密度，也就是10nm芯片中10所代表的含義。這里的nm意為“納米”，它測(cè)量的距離是單獨(dú)晶體管的一半。數(shù)字越小，晶體管就越小，所適應(yīng)的空間也就越小。

　　從美國(guó)版本的Galaxy S8中使用的高通驍龍835來(lái)看，它使用了10nm的設(shè)計(jì)。通過(guò)這種方式，它聲稱比前身縮小了35%，節(jié)能25%。Galaxy S7上使用的三星Exynos 8890怎么樣?它屬于14nm芯片。而Galaxy S6的Exynos 7420也是14nm。這些都是定制的處理器，但它們都基于相同的ARM架構(gòu)。

　　三星和臺(tái)積電等公司目前正在開(kāi)發(fā)7nm芯片(三星贏得了10nm工藝競(jìng)賽)，而臺(tái)積電已經(jīng)在尋找制造5nm和3nm芯片的工廠!最重要的是，這是另一種衡量設(shè)備性能的標(biāo)準(zhǔn)，它與摩爾實(shí)際討論的內(nèi)容擁有更緊密的聯(lián)系。很明顯，芯片性能仍在以非?？斓乃俣仍鲩L(zhǎng)，即使沒(méi)有以每個(gè)兩年翻一倍的速度加速。

4.晶體管的數(shù)量

　　但僅僅因?yàn)槟隳馨迅嗑w管裝進(jìn)更小的空間，并不一定意味著芯片上會(huì)有更多晶體管，這取決于芯片的大小。那么在這些CPU上你能找到多少個(gè)晶體管呢?驍龍835上擁有30億個(gè)晶體管。相比而言，人類大腦中大約有1000億個(gè)神經(jīng)元。

　　不幸的是，這些信息對(duì)所有智能手機(jī)來(lái)說(shuō)都是不可用的，三星此前機(jī)型沒(méi)有具體數(shù)據(jù)。盡管這是一個(gè)不完美的測(cè)試，當(dāng)讓我們看看另一個(gè)移動(dòng)SoC，iPhone 5s據(jù)說(shuō)采用了蘋(píng)果A7雙核芯片，擁有10億個(gè)晶體管，僅是Galaxy S8的1/3。A8芯片上的晶體管數(shù)量達(dá)到了20億。如果我們把它們的Geekbench分?jǐn)?shù)匯集起來(lái)，我們可以看到這個(gè)結(jié)論：

　　當(dāng)然，將晶體管數(shù)量增加一倍，并不一定讓性能在現(xiàn)實(shí)世界中提高一倍。事實(shí)上，在A7和A8之間的性能差異相對(duì)較小，盡管后者晶體管數(shù)量是前者的2倍，但它們擁有相同的RAM和GHz。更大的晶體管密度并不一定會(huì)帶來(lái)更高的性能和速度，因?yàn)橹圃焐逃袝r(shí)會(huì)“選擇”如何最好地使用這些新晶體管。在某些情況下，他們可能專注于與性能沒(méi)有直接相關(guān)的功能。例如，ARM有一個(gè)提高SoC的功率效率的系統(tǒng)，叫做“big.Little”。它主要使用兩種不同的動(dòng)力核心來(lái)完成更輕更密集的任務(wù)。

　　這些功能更多地是出于對(duì)電池續(xù)航時(shí)間和熱量管理的關(guān)注，而不是純粹的計(jì)算速度。這是GPU通?？梢员菴PU更快地提高速度的原因之一，因?yàn)楦鼘Ｗ⒂谀承┕δ?。有趣的是，看看iPhone 8和iPhone X上的A11芯片，它有43億個(gè)晶體管。不過(guò)，麒麟970于2017年在IFA推出時(shí)，號(hào)稱擁有55億個(gè)晶體管，以支持人工智能功能。

　　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(gè)類似的摩爾定律。它指出，當(dāng)晶體管變小時(shí)，它們的功率密度保持不變。這意味著功率使用應(yīng)與區(qū)域關(guān)聯(lián)，而與開(kāi)關(guān)的數(shù)量無(wú)關(guān)。我們不僅要在“成本效益最佳”的情況下，每年看到晶體管的數(shù)量翻倍，而且這些晶體管應(yīng)該使用更少的功率，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生更多熱量。

　　為了讓摩爾定律繼續(xù)對(duì)美國(guó)智能手機(jī)消費(fèi)者和制造商有用，登納德縮放比例定律也需要成立。直到2000年，這個(gè)目標(biāo)才終于實(shí)現(xiàn)。登納德縮放比例定律在每個(gè)較低的節(jié)點(diǎn)上不再適用，這意味著無(wú)法確保這些密集的芯片必然會(huì)導(dǎo)致功耗降低。這也證明，雖然晶體管的數(shù)量增加了1倍，但其性能卻并未相應(yīng)增強(qiáng)。

　　從技術(shù)上說(shuō)，登納德縮放比例定律已經(jīng)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(qiáng)的趨勢(shì)正變得越來(lái)越少，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)要復(fù)雜得多。不僅如此，摩爾定律也只被嚴(yán)格地限制在晶體管密度的范疇，這對(duì)設(shè)備性能不再屬于完整的測(cè)量。許多人沒(méi)有意識(shí)到的是，摩爾本人在1995年修改了他的定律，稱晶體管的密度每?jī)赡攴环?。而且，這個(gè)定律總是被認(rèn)為是“近似值”。

　　手機(jī)里的硬件還在快速改進(jìn)，雖然還沒(méi)有翻倍。這在一定程度上是因?yàn)镺EM廠商在其他方面投入更多注意力和預(yù)算，部分原因是衡量性能遠(yuǎn)比計(jì)算晶體管的數(shù)量要復(fù)雜得多。無(wú)需覺(jué)得這個(gè)消息太糟糕!你的手機(jī)速度或內(nèi)存可能沒(méi)有提升兩倍，但它肯定比之前的手機(jī)更強(qiáng)大。像移動(dòng)VR和4K屏幕這樣的新技術(shù)很可能會(huì)以更快的速度推動(dòng)事物向前發(fā)展。