又要性能好,又要手機電不跑?

題圖|視覺中國

你是否有過這樣的體驗,剛下班,想用手機打開一個王者或吃雞,約上三五好友開黑,準備在刺激的戰場上廝殺一番;但是到了推塔或吃雞時刻,卻發現手機不僅越來越發燙,而且的運行速度變得很慢,甚至出現卡頓、閃退的情況。

上述的情況之所以會發生,是因爲手機性能不足,無法應付我們的日常需要。因此,手機廠商往往巴不得把芯片的性能調到最強。

然而,硬幣的另一面是,性能拉滿,手機功耗也隨之加快。試想想:當我們午飯時間興高采烈地玩了一小時原神,轉頭髮現自己的手機被折騰得剩下 50% 電量;這時候我們就會不顧一切去找充電寶,在插上接線口的那一刻,內心頓時平靜。在這個沒有手機就活不了的年代,過快的功耗會讓用戶產生電量焦慮。

可見,用戶一方面想要更快的手機、另一方面又想要手機能撐得更久,這使廠商在設計芯片時,陷於左右爲難的困局。

能耗爲先,場景爲王

手機芯片,是手機可以進行運算的核心單元。它就好比汽車的發動機一樣:汽車能跑多快、能拉多少貨、能上多斜的山路,就看發動機(芯片)性能有多;但同樣地,汽車發動機性能愈強,它的耗油(耗電量)量也會愈高。因此,如何在性能與功耗之間取得平衡,是現在科技產業的核心關注點所在。

當智能手機剛開始流行之時,大衆尚不太熟悉這種新鮮的科技產品,所以使用場景也比較簡單:用戶往往就用來聽聽音樂、看看新聞等等,所以大衆對手機芯片的性能要沒有太大的要求。

隨着智能手機日潮普及,一部分用戶開始習慣在手機上玩遊戲、看電影,這些應用場景往往需要高性能手機芯片的支持;因此,芯片公司不斷開發新的芯片,提升芯片的性能,以滿足這些用戶的需要。

但尷尬的是,並不是所有用戶也會玩手遊、看電影;他們很可能僅在手機上刷微博、或發微信就可以了,所以對芯片能的要求並不那麼高。在這情況下,廠商不可能光是手遊玩家而開發高性能、高功耗的芯片,而忽視那些只會使用微博、微信等輕應用用戶的長續航需要。

爲了滿足這種矛盾的場景,芯片設計公司 Arm想出一款詭異的架構:大、小核架構,big.LITTLE。這個架構由一組高性能但高功耗的“大核”、以及一組低性能但低功耗的“小核”所組成。

當用戶在工作時發微信、或在洗手間裡刷微博等輕應用時,手機就會調用省電的小核,讓用戶在廁所裡蹲上一天也不致於沒電;但當用戶下班後想打怪升級?大核就會出場提供足夠的性能,讓你有能力“拯救世界”。

結果在這十年來,滿大街的手機裡採用的,都是這種由大小核構成的手機芯片,並暫時滿足當時用戶對於手機各種複雜場景的性能需要。

如何滿足用戶既要又要的需求?

可是,小核真的可以永遠滿足用戶的複雜場景需求,達到一勞永逸?

NO,這僅僅是廠商的幻想而已。

當手機不斷深入我們的生活,其多任務並行的需求越來越高:用戶享受高清畫質,高清屏幕就需要高GPU性能;用戶拿手機拍照,強大的計算攝影就需要更高的算力。

結果,今天手機用戶的日常應用場景,就連高性能、高功電的大核都滿足不了;至於像微信之類的輕應用,也變得不那麼簡單:以往微信就只是收發信息,現在還要手機支付、看公衆號、刷視頻號、用小程序什麼的,光靠小核真的能撐得住嗎?

爲了解決這個問題,一些芯片廠似乎逐漸變得偏執,變本加厲地把架構搞得異常複雜,變成“超大核+大核+小核”三叢架構。然而,也由於芯片公司愈來愈重視大核的研發工作,相對地就不太重視小核的研發。因此,近年小核技術迭代往往慢於大核;儘管小核整體仍然較爲省電,但在同樣功耗的環境下,大核不但性能更強,能源配置效率也在慢慢變好。

在這情況下,小核好比以往用小排量汽車拉貨:雖然小車比較省油,但它拉貨時跑得太慢、載貨量少,不但影響了工作效果,也由於需要多次長時間來回,結果累計的耗油量,竟然比大核更大──換言之,小核從最初那個救世主,搖身一變成爲拖旗艦手機大腿的軟肋。

直至十年後的今天,聯發科終於換了一種思路:化繁爲簡,把旗艦芯片上的小核全部砍掉,全變成大核;然後在大核身上做文章;進一步降低功耗,讓人們看到芯片突破性能桎梏的可能。

性能提高了,更省電?

天璣 9300 芯片雖然沿用了以往的8 核心設計,但當中 4 個核心是超大核(編號 Cortex-X4),另外 4 個核心是大核(編號 Cortex-A720)的設計。而當中最特別是處,就是並沒有像其他芯片公司一樣,同時用上了性能低但較省電的小核心(編號 Cortex A520)。

你沒看錯,天璣旗艦非常果斷地將小核一個不留地全部砍掉,只保留大核和超大核,並在這基礎上進一步作出改良。對比只有 6 個高性能核心的同級對手來說,擁有 8 個高性能核心的天璣 9300,在性能上真的可算是遙遙領先。

從上圖可見,它絕對是目前手機芯片裡的性能天花板;但有趣的是,根據聯發科公開的數據表示,儘管天璣 9300 性能比上一代快了 40%,但耗電量卻少了 33%。性能提高了,反而更省電?這無疑顛覆了大衆對手機芯片“性能愈強、功耗愈大”的傳統認知。

到底天璣 9300 是怎樣做到“性能愈強、功耗反而變小”?原理也很簡單。我們剛纔說過:現在即便是小型的手機任務,對性能也有較大的需求;旗艦芯片用小核跑這種“輕”任務,就像用小排量汽車去拉貨一樣沒效率。但天璣 9300 卻是選擇用大貨車去拉貨,這其中的原理也比較好解釋:儘管大貨車比較耗油,但只要拉貨拉得快,就可以更早回家休息。

對比以往,“小核”所代表的小車,由於在技術不及“大核”先進;它在拉貨時往往是空車拉貨、運到目的地後再空車回家,白白把汽油浪費在空載的路上。但大核有着“亂序執行”等更靈活、更先進的“貨運”調度設計,要不就是一程車就完成任務,然後回家休息;要不就是來回都會帶點私貨,把每一口汽油都用在運貨上,拉貨變得更有效率,貨車就更更快回家休息。

通過數據也可以看出,儘管這臺“全大核”大貨車單程的耗油量較高,但它也能能比“小核”這種低效的小車更快休息,累計耗油量反而比小車要低了(上圖)。基於此,聯發科才決定在旗艦上狠狠地對這枚欠缺效率的小核開刀,才能研發出天璣 9300 這枚顛覆傳統性能和耗電量關係的手機芯片。

高能效比的另一關鍵:AI

所以砍掉旗艦芯片上的小核,就是手機產業的未來嗎?是的,但也不全是。因爲手機產業還要面對另一個很特殊的未來,就是人工智能。

衆所周知,我們的手機裡很早就引入了大量的人工智能應用,例如手機裡的語音助手、相機裡的高動態範圍照片合成、各種應用裡的推薦算法,也是人工智能技術在背後技撐着。因此,以往的手機芯片均加入了針對人工智能而設計人工智能處理器(APU),讓用戶可以更快、更省電地獲得人工智能的服務。

然而在去年年底,ChatGPT成爲科技產業的焦點所在,大衆均預計未來我們將可用到用到用更聰明的語音助手、更聰明的文字生成圖片/視頻能力、以及各種通過 AI 來實現的新功能。

然而,以往手機採用的人工智能,其實是 “分辨式人工智能”(Discriminative AI),只能識別需求,卻不能產出內容;但以 ChatGPT 爲代表的新式人工智能,我們稱之爲“生成式人工智能”(Generative AI),不僅能夠智能識別需求,還能產生圖文甚至是視頻內容,兩者在技術路線和規模上完全不同。

這些能跑生成式人工智能的模型,我們一般稱之爲“語言大模型”(Large Language Model, LLM)。它的最大特徵,是擁有海量的參數;爲了載入這海量的參數,必然對內存有着極高的需求。偏偏手機內存本來遠比電腦要少,面對語言大模型在內存上的巨大需求,顯得捉襟見肘。

當我們通過傳統的手機芯片跑語言大模型,執行效率難免極低,速度自然較慢、當然也更爲耗電。

因此,天璣 9300 加入了針對生成式人工智能而設計的第七代人工智能處理器 AP790。針對較爲重要的整數運算和浮點運算作出改良,提高了 2 倍的性能、降低了 45% 的功耗。它更內置了硬件級的生成式人工智能引擎,深度適配大模型進行算子加速,處理速度是上一代的 8 倍,1 秒內可讓人工智能生成圖片。

此外,我們需要知道,人工智能的參數愈大,語音助手的迴應能力愈強,生成圖畫的速度也愈大。天璣 9300 更針對基於億級參數大語言模型特性,開發了混合精度 INT4 量化技術,結合其內存硬件壓縮技術,可以大幅減少大模型對終端內存的佔用,支持最高可達 330 億參數的 AI 大語言模型。

最後,人工智能可以在手機終端運行,不再經過雲端傳輸信息,這實際上實現了從AI在雲到AI在設備端的轉變,人工智能能更便捷地響應用戶的需求,而且隱私信息也不再上傳雲端,減少信息安全的風險。

所以,當天璣 9300 爲生成式人工智能做了足夠的優化,消費者才能在手機上體驗到滿血的ChatGPT,這樣,我們就能在任何時候都有一個知心的語音助手,在任何地方也能讓人工智能幫你發揮創意。

天璣 9300 的出現,證明了砍掉旗艦芯片上的小核是手機芯片的未來的一個方向,我們相信未來半導體產業,會逐漸朝着全大核方向發展,以往的大小核時代的市場格局或許會迎來改變。因爲過去安卓手機陣營其中一個最大弱點,就是手機芯片性能比不上蘋果。當未來安卓手機陣營的芯片獲得巨大提升,在高端崛起的進程上,有了與蘋果抗衡的基礎。

在這基礎下,當手機生態變得更豐富時,消費者自然是最終的受益者。可以預計未來消費者將可以享受到更好的手機服務,包括手機設備的效率提高,手機端的人工智能也將得到重大突破等,消費者既要又要的需求將會被滿足。以至於,我們將不再需要對手機進行繁複的操作,單靠語音就能像科幻小說一樣,進入科技世界之內。

而這一切的起點,可能就是從旗艦上砍掉這“小小小小”核開始。