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手机 CPU 功耗比电脑 CPU 低是如何做到的?

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你想知道为什么手机CPU比电脑CPU更省电,对吧?这其实涉及到很多技术上的权衡和设计思路。简单来说,手机CPU是为了满足便携设备的特殊需求而生的,它需要在性能和功耗之间找到一个微妙的平衡点。下面我来详细说说,尽量用大白话让你明白:

1. 设计目标就不同,一个追求极致性能,一个追求长效续航

电脑CPU: 电脑是插电的,用户对它的性能期望很高。无论是玩游戏、做视频剪辑、运行大型软件,都需要CPU有强大的计算能力。所以,电脑CPU的设计会更倾向于堆砌核心数量、提升主频、采用更先进但功耗也更高的制造工艺,以换取更快的速度。它就像一辆跑车,动力强劲,但油耗也高。
手机CPU(或者叫SoC System on Chip): 手机是靠电池供电的,续航是生命线。用户不希望手机用几个小时就没电。所以,手机CPU的设计首要考虑的就是低功耗。它需要在保证日常使用流畅(刷社交媒体、看视频、聊微信)的前提下,尽可能地省电。它更像是一辆经济型轿车,虽然动力不如跑车,但能跑得更远。

2. “大核+小核”架构,智能分配工作

这是手机CPU省电的一个关键招数,叫做异构计算。

电脑CPU(早期): 过去,电脑CPU基本上都是同质化的核心,性能都很强,但即便你只做一些简单的事情,这些“大炮”也在全力运转,自然就费电。
手机CPU(现在): 现在的手机CPU,特别是 ARM 架构的(你手机里的很可能就是),普遍采用了“大小核”或者更复杂的“大小大小核”这样的架构。
大核心(Performance Cores): 这些核心性能非常强劲,就像你的“主力部队”,负责处理那些需要大量计算的任务,比如玩大型游戏、运行复杂的应用。它们功耗也高。
小核心(Efficiency Cores): 这些核心性能相对较弱,但效率极高,就像你的“预备役部队”,负责处理那些不那么吃力的任务,比如后台运行的微信、QQ、定时刷新新闻、低功耗传感器数据处理等等。它们功耗非常低。
工作原理: 当你只是刷刷微博,CPU就会调度小核心来工作,它们以较低的主频运行,耗电很少。当你打开一个大型游戏,CPU就会将任务分配给大核心,并适当提升主频,以保证流畅度。这种智能分配,大大降低了整体功耗。

3. 制程工艺更精细,省电的关键

制程工艺: 这是指制造CPU的晶体管的尺寸。数字越小,意味着晶体管越小,越密集。
手机CPU: 手机CPU通常会采用更先进、更精细的制程工艺(比如台积电的5nm、4nm、3nm等)。更小的晶体管意味着:
更低的电压: 晶体管工作需要的电压更低,功耗就更低。
更快的速度(在同等功耗下): 或者在同等频率下,功耗更低。
更小的面积: 可以在同样的芯片面积上塞入更多的晶体管(包括大核和小核)。
电脑CPU: 电脑CPU虽然也在追求先进工艺,但往往受制于成本、散热和对极致性能的需求,可能不会总是使用市场上最精细的工艺。而且,为了驱动更多核心和更高的频率,它们在高负载下的功耗压力依然很大。

4. 主频(频率)的控制更“抠门”

主频: 就是CPU每秒钟能够执行的指令次数,单位是GHz(吉赫兹)。频率越高,运算速度越快,但功耗也越高。
手机CPU: 手机CPU在非高负载状态下,会将主频压得非常低,甚至在待机时会进入极低功耗的休眠状态。只有在需要高性能时,才会瞬间提高主频。这种“按需供给”的模式,大大节省了电量。
电脑CPU: 电脑CPU为了保证响应速度和多任务处理能力,即使在不那么忙碌的时候,主频也相对较高。

5. 集成度更高,减少不必要的“奔波”

手机SoC(System on Chip): 手机里的CPU,其实更准确的称呼是“系统级芯片”。它不仅仅是一个CPU核心,还集成了GPU(图形处理器)、内存控制器、ISP(图像信号处理器)、基带芯片(负责通信)、NPU(神经网络处理单元)等等,几乎手机上所有核心的功能模块都被集成在一块芯片上。
好处: 这样一来,数据在内部传输的路径就大大缩短了,不需要通过主板上的各种芯片组和连接线来回传递。数据传输消耗的电能也随之减少。
电脑: 电脑则通常是“模块化”设计,CPU、GPU、内存控制器、硬盘控制器等很多功能都由独立的芯片负责,它们之间通过总线连接,数据传输的“路程”更长,也更耗电。

6. 内存和缓存的设计也有讲究

手机: 手机的内存(RAM)和缓存(Cache)在设计上也会考虑功耗。例如,某些内存技术本身就比电脑使用的内存功耗更低。同时,CPU如何高效地管理和访问这些内存,也会影响功耗。
电脑: 电脑内存(DDR4、DDR5)虽然速度快,但功耗相对较高。

7. 散热系统的限制也影响设计

手机: 手机内部空间非常宝贵,散热能力有限(通常就是金属中框和少量石墨烯散热)。如果CPU功耗过高,会产生大量热量,导致手机烫手,甚至影响性能。所以,为了避免过热降频,手机CPU在设计时就必须严格控制功耗。
电脑: 电脑有风扇、散热片,甚至水冷系统,散热能力远超手机。这使得电脑CPU可以承受更高的功耗和温度,从而释放更高的性能。

总结一下,手机CPU之所以功耗低,是因为:

设计目标明确: 以续航为优先。
异构计算: 大小核智能分配任务,用“小能手”处理轻活。
精细制程工艺: 小晶体管,低电压,低功耗。
灵活的主频控制: 按需提速,其他时间“蛰伏”。
高度集成SoC: 数据传输路径短,省电。
内存与缓存优化: 选用更省电的技术。
散热限制: 倒逼厂商设计低功耗芯片。

这些因素共同作用,才使得手机CPU能够在有限的电池容量下,提供足够流畅的日常使用体验,并让手机能够坚持一整天。当然,随着手机性能的不断提升,手机CPU的功耗也在逐渐增加,但与电脑CPU相比,它始终是在一个更“节俭”的轨道上运行。

网友意见

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主流手机CPU的功耗比很多电脑CPU低,主要有几个原因:

①. CPU频率低
②. 有小核心
③. 用了更先进的制程。

你要是用8个Coretx X1,然后设计全核3.2GHz,你哪怕用台积电5nm来造满载功耗也不会多么好看,甚至这玩意就已经可以算一个桌面级处理器了,用三星5nm造我估计这样一个处理器满载随便过20W。如果用Intel 14nm来造,那就更高了。

像台式机这边,主流CPU基本上频率都挺高的,

CPU的功耗分静态功耗和动态功耗,静态功耗和该产品所用制程的漏电率以及该处理器规模有关系,动态功耗则是和频率/电压有着直接的关系,甚至电压还是平方级影响。(参考P=cv²f)

然后制程方面也不如手机,

像Intel处理器,14nm不用说,10nm则低频能效不如台积电7nm

AMD这边,7nm Ryzen 非APU这边暂时还带这个12nm io Die,这玩意跑起来随便15W+,然后Renoir和Cezanne系列就用7nm整合了,下面可以看一下Renoir的待机功耗情况:

这颗R5 4600G的待机功耗成功进入10W以内,和我之前的10600KF待机功耗差不多,

而这是一颗6C12T的处理器,此时的空载电压也还是巨高,

和手机端待机功耗还是比不了,手机端待机有小核撑着,小核规模小缓存小,频率也低,估计电压也很低,实在比不过,倘若上面那颗4600G能把CPU频率降低到2GHz,然后电压压到0.8v以下去,估计功耗还能下去一些。

当然其实还有一颗功耗更低的CPU——L16G7

这是一颗用Intel初代10nm造的电脑处理器,用了大小核设计,一个3GHz的Sunny Cove大核(砍了AVX),然后四个1.8GHz的Tremont小核。GPU则是一个64EU的Gen12

这颗处理器从产品上来说是失败的,能效差,性能低

还有一个7W的功耗墙,一般情况下你怎么跑整颗处理器的功耗都过不了这个限制,

当然这还是整体功耗,实际分给CPU的估计也就3-4W的样子吧,这就让它的CPU绝对不可能全核运行,但是这个功耗跑小核是够的。

所以现阶段也并不是造不出功耗媲美手机处理器的电脑处理器,只要你愿意锁那么低的功耗墙,就出的来。不过此时性能还有多少那就是另一回事了。


“手机都不需要独立散热”

如果说待机都需要用独立散热的话,那这颗处理器干脆退出历史舞台吧,

目前的性能比较强大的手机SOC在没有外置散热器的情况下运行负载略大的应用都满血坚持不了多久,跑到后面都降频了,降频不就降功耗了,就压得住了

“也可以做到电脑的几乎所有功能”

—— 宁就是荣誉骑士吧?帮我跑个孤岛惊魂5呗?帮我用Houdini做个特效呗?帮我跑遍机器推理吧。

真不是刻意欺负人,手机不要随便说出挑战电脑所有功能这种话,因为现在电脑能做的事实在是太多太多了。


“但是电脑即使是最低端的也需要散热器”

最低端的赛扬其实可以不压散热器进系统的,比如说G4900,而且如果你愿意把频率降低到2GHz去,那就更凉快了。

我其实听说一些电脑商贩在寄电脑之前会不装散热器,然后直接进BIOS,高端CPU也有这样干的,看看能不能读取到CPU,确定没事之后再把散热器装好。

只不过如果这样去跑FPU之类的高压力测试,还是无异于紫砂,高温可是处理器最直接的鲨手。

如果赛扬G4900这种处理器可以用台积电7nm/5nm来造的话,那功耗就更低了。

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