终极指南:2013年手机CPU的现状与未来

    什么是技术所无法改变的事物？对于智能手机而言，一是客观存在的物理定律，二是人的生理需求。因为本文的主题是处理器，因此我们把目光集中在处理器系统上。

    可以确定的是，只要技术还没有进步到手机可靠意念操作，那么人体对设备温度的可以接受上限就是确定的；而只要手机还符合物理定律，在一定温度下它所能散发的热量也是固定的（不考虑主动散热，例如内置风扇），这就勾勒出了一条“生死线”——在舒适的前提下，一个确定尺寸的手机，所采用的硬件功耗，或者说处理器系统的功耗是有极限的，只要超越这条线，就必须要降低工作频率，否则将会无法阻止温度的上升，性能自然也就无从谈起。因此我们认为，“手机的极限功耗不应该超过其最大可散热功耗”可以作为衡量产品的准绳。

（Galaxy S4发热量测试，本表格数据来自太平洋电脑网）

    长久以来，业界都习惯于用配置和价格的关系作为评价标准，但是如果联系到配置与性能脱节的现实，这个标准已经濒临失效，因此我们需要提出一个新的评判标准，不妨姑且将其称为“体效值”。

    何谓体效值？我们将体效值定义为设备体积与能耗系数的乘积，它代表了一台手机所可以连续提供的极限性能。将这个参数与理论最大性能联合评价，能得出以下的结论：如果系统的体效值小于最大性能，那么这套系统就必然是错误的，因为存在着浪费。但是如果体效值大于最大性能，那么这套系统有可能陷入“性能不够用”的疑问。非常好的情况是体效值和最大性能相同，这意味着这套系统所蕴含的性能可以全部发挥，做到了设计可以得到的极限。你可以把“体效值”简单理解为“每瓦特性能”。

任何一台手机机体，在有限的时间段内带走热量的能力都是有限的

    手机绝对性能的测量相对简单，因此体效值中最关键的部分是“体”，即手机体积所能容纳的最大功率。这方面目前没有明确的行业标准，因此我们需要做一些假设。首先，我们假设在现在以及将来的一段时间内，手机将主要依靠外壳进行被动散热，不会像电脑一样引入风扇等主动散热手段。其次，我们将人体感温度舒适上限设为40度，而耐受极限设为50度。最后，我们将手机工作时环境温度设为25度，并且假定没有气流存在。

    无外界对流时，手机的热量散发主要依靠空气的自然对流与本身的辐射。假定手机的温度为介于舒适上限与耐受极限之间的45度，那么与环境温度的差值即为20度。相对于手机这个体积的设备而言，四个边侧面的散热贡献可以忽略不计，主要的散热面为前后两个面。计算时假定手机为垂直放置。

    下面计算开始，首先计算对流散热量，我们选择iPhone 5作为标准对象。iPhone 5的尺寸为123.8×58.6×7.6毫米，因此正面的面积为0.0073平方米。垂直放置的情况下，iPhone 5一个正面的传热系数为4.65W/(m2?℃)，也就是说这样一个表面可以靠对流散发的热量是0.68W，由于有两个表面，因此靠机身自然对流可以散发的热量为1.36W。考虑到还有侧边的存在，我们可以认为这个功率是1.5W。

    接下来计算辐射热量。由于iPhone 5的材质是铝合金和玻璃，氧化铝合金的辐射率大约在0.3左右，而玻璃的辐射率大约是0.85，因此整体辐射率取0.6，那么在外壳温度整体为45度的时候，靠辐射可以散发的热量经过计算大约是1.16W。

    也就是说，一台通体45度，垂直置于静态25度的环境中的iPhone 5，可以散发的热量极限是2.66W。

    实际环境中，考虑到用户体验，手机不会也不可能做到整机均匀发热，这无疑会降低手机的散热能力，但由于人体与手机的接触也可以带走一定的热量，因此两者互有增减，相信整体的散热功率不会与计算数值差距过大。因此，大约2.66W就是iPhone 5所能承受的最大整机功率（这里直接使用了整机功率，这是因为目前电子产品除了天线部分以外，消耗的电能绝大部分都转化成了热量，耗电量和发发热量基本相等）。

    曾经广为流传的两个手机CPU温度测试视频：

    再来看看Galaxy S4。由于计算的方式是相同的，因此过程就不给出了，唯一的不同是，作为塑料外壳的Galaxy S4，在热辐射效率上要远高于铝合金的iPhone 5，具体来说在0.9左右（看来塑料机还是有一些好处的）。结果直接给出，Galaxy S4在同等条件下的散热量为4.15W。

    Galaxy S4旗舰安卓手机的代表，因此更大尺寸的机器我们就不计算了。结果显而易见，对于iPhone 5这种尺寸的手机而言，系统的极限功率是2.66W，而Galaxy S4尺寸的产品则为4.15W。体积处于两者之间的产品，散热能力则介于它们之间。至此，体效积中的体就已经有了结论。因为这个参数是不会因为技术提升而改变的，所以它可以作为我们判定未来新技术与新可能的良好标准。也就是说，对于一台5寸手机而言，我们可以得到的最大性能就是4.15W×每瓦特性能，不论这台手机的理论性能有多么强大。换句话说，只要一台5寸手机的整机最大功耗超过了4.15W，那么我们就一定可以判定：它的性能无法发挥。

    进一步的，对于一台手机而言，屏幕所占据的功耗大约从4寸的1.2W到5寸的1.8W不等，因此我们可以得出，极限散热功耗中，留给CPU、GPU、内存等计算系统的功耗上限，对于iPhone 5尺寸的手机而言是1.5W左右，对于Galaxy S4尺寸的手机而言是2.5W左右。

    需要说明的是，在计算散热量时，我们所关注的对象是手机外表面，至于内部是如何传热的，对结果不会有影响。可能你会存在疑问，某手机内含热管，某手机拥有石墨散热膜，散热要好得多——这是错误的，辅助散热措施只是增加了手机内部的热传导效率，最终效果是提高手机整体的温度均匀性，而我们在计算的时候已经假定了这个数值是100%，也就是内部热传递设计为完美状态的极限结果。

    至此，我们可以对智能手机“核战争”带来的问题给出一个精确的描述：由于近年来手机配置的疯狂提升，导致手机的最大性能已经超越了体效值。这个前提下，任何理论性能的提升都是纸面的，功耗已经成为了一堵不可逾越的墙。在可以预见的未来，如果我们希望继续提升手机的性能，那就只能在能耗系数上下功夫。

    OK，带着这个结论，让我们来重新审视一番市面上的主流手机处理器。