終極指南:2013年手機CPU的現狀與未來

    什么是技術所無法改變的事物？對于智能手機而言，一是客觀存在的物理定律，二是人的生理需求。因為本文的主題是處理器，因此我們把目光集中在處理器系統上。

    可以確定的是，只要技術還沒有進步到手機可靠意念操作，那么人體對設備溫度的可以接受上限就是確定的；而只要手機還符合物理定律，在一定溫度下它所能散發的熱量也是固定的（不考慮主動散熱，例如內置風扇），這就勾勒出了一條“生死線”——在舒適的前提下，一個確定尺寸的手機，所采用的硬件功耗，或者說處理器系統的功耗是有極限的，只要超越這條線，就必須要降低工作頻率，否則將會無法阻止溫度的上升，性能自然也就無從談起。因此我們認為，“手機的極限功耗不應該超過其最大可散熱功耗”可以作為衡量產品的準繩。

（Galaxy S4發熱量測試，本表格數據來自太平洋電腦網）

    長久以來，業界都習慣于用配置和價格的關系作為評價標準，但是如果聯系到配置與性能脫節的現實，這個標準已經瀕臨失效，因此我們需要提出一個新的評判標準，不妨姑且將其稱為“體效值”。

    何謂體效值？我們將體效值定義為設備體積與能耗系數的乘積，它代表了一臺手機所可以連續提供的極限性能。將這個參數與理論最大性能聯合評價，能得出以下的結論：如果系統的體效值小于最大性能，那么這套系統就必然是錯誤的，因為存在著浪費。但是如果體效值大于最大性能，那么這套系統有可能陷入“性能不夠用”的疑問。非常好的情況是體效值和最大性能相同，這意味著這套系統所蘊含的性能可以全部發揮，做到了設計可以得到的極限。你可以把“體效值”簡單理解為“每瓦特性能”。

任何一臺手機機體，在有限的時間段內帶走熱量的能力都是有限的

    手機絕對性能的測量相對簡單，因此體效值中最關鍵的部分是“體”，即手機體積所能容納的最大功率。這方面目前沒有明確的行業標準，因此我們需要做一些假設。首先，我們假設在現在以及將來的一段時間內，手機將主要依靠外殼進行被動散熱，不會像電腦一樣引入風扇等主動散熱手段。其次，我們將人體感溫度舒適上限設為40度，而耐受極限設為50度。最后，我們將手機工作時環境溫度設為25度，并且假定沒有氣流存在。

    無外界對流時，手機的熱量散發主要依靠空氣的自然對流與本身的輻射。假定手機的溫度為介于舒適上限與耐受極限之間的45度，那么與環境溫度的差值即為20度。相對于手機這個體積的設備而言，四個邊側面的散熱貢獻可以忽略不計，主要的散熱面為前后兩個面。計算時假定手機為垂直放置。

    下面計算開始，首先計算對流散熱量，我們選擇iPhone 5作為標準對象。iPhone 5的尺寸為123.8×58.6×7.6毫米，因此正面的面積為0.0073平方米。垂直放置的情況下，iPhone 5一個正面的傳熱系數為4.65W/(m2?℃)，也就是說這樣一個表面可以靠對流散發的熱量是0.68W，由于有兩個表面，因此靠機身自然對流可以散發的熱量為1.36W。考慮到還有側邊的存在，我們可以認為這個功率是1.5W。

    接下來計算輻射熱量。由于iPhone 5的材質是鋁合金和玻璃，氧化鋁合金的輻射率大約在0.3左右，而玻璃的輻射率大約是0.85，因此整體輻射率取0.6，那么在外殼溫度整體為45度的時候，靠輻射可以散發的熱量經過計算大約是1.16W。

    也就是說，一臺通體45度，垂直置于靜態25度的環境中的iPhone 5，可以散發的熱量極限是2.66W。

    實際環境中，考慮到用戶體驗，手機不會也不可能做到整機均勻發熱，這無疑會降低手機的散熱能力，但由于人體與手機的接觸也可以帶走一定的熱量，因此兩者互有增減，相信整體的散熱功率不會與計算數值差距過大。因此，大約2.66W就是iPhone 5所能承受的最大整機功率（這里直接使用了整機功率，這是因為目前電子產品除了天線部分以外，消耗的電能絕大部分都轉化成了熱量，耗電量和發發熱量基本相等）。

    曾經廣為流傳的兩個手機CPU溫度測試視頻：

    再來看看Galaxy S4。由于計算的方式是相同的，因此過程就不給出了，唯一的不同是，作為塑料外殼的Galaxy S4，在熱輻射效率上要遠高于鋁合金的iPhone 5，具體來說在0.9左右（看來塑料機還是有一些好處的）。結果直接給出，Galaxy S4在同等條件下的散熱量為4.15W。

    Galaxy S4旗艦安卓手機的代表，因此更大尺寸的機器我們就不計算了。結果顯而易見，對于iPhone 5這種尺寸的手機而言，系統的極限功率是2.66W，而Galaxy S4尺寸的產品則為4.15W。體積處于兩者之間的產品，散熱能力則介于它們之間。至此，體效積中的體就已經有了結論。因為這個參數是不會因為技術提升而改變的，所以它可以作為我們判定未來新技術與新可能的良好標準。也就是說，對于一臺5寸手機而言，我們可以得到的最大性能就是4.15W×每瓦特性能，不論這臺手機的理論性能有多么強大。換句話說，只要一臺5寸手機的整機最大功耗超過了4.15W，那么我們就一定可以判定：它的性能無法發揮。

    進一步的，對于一臺手機而言，屏幕所占據的功耗大約從4寸的1.2W到5寸的1.8W不等，因此我們可以得出，極限散熱功耗中，留給CPU、GPU、內存等計算系統的功耗上限，對于iPhone 5尺寸的手機而言是1.5W左右，對于Galaxy S4尺寸的手機而言是2.5W左右。

    需要說明的是，在計算散熱量時，我們所關注的對象是手機外表面，至于內部是如何傳熱的，對結果不會有影響。可能你會存在疑問，某手機內含熱管，某手機擁有石墨散熱膜，散熱要好得多——這是錯誤的，輔助散熱措施只是增加了手機內部的熱傳導效率，最終效果是提高手機整體的溫度均勻性，而我們在計算的時候已經假定了這個數值是100%，也就是內部熱傳遞設計為完美狀態的極限結果。

    至此，我們可以對智能手機“核戰爭”帶來的問題給出一個精確的描述：由于近年來手機配置的瘋狂提升，導致手機的最大性能已經超越了體效值。這個前提下，任何理論性能的提升都是紙面的，功耗已經成為了一堵不可逾越的墻。在可以預見的未來，如果我們希望繼續提升手機的性能，那就只能在能耗系數上下功夫。

    OK，帶著這個結論，讓我們來重新審視一番市面上的主流手機處理器。