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智能手機:最易因散熱撞牆

和筆記本一樣, 智慧手機也存在看不見的牆, 影響著實際產品的性能發揮。 只是, 有些情況純屬人為, 有些情況就源於手機的設計水準了。

一堵人為的代碼牆

筆記本的各種測試軟體相對公正, 但Android手機的測試軟體可人為操作的空間就比較大了(圖1)。

手機用戶有著強烈的“不服跑個分”情結

代碼引發的迥異結局

早前網上曾曝出很多手機品牌跑分作弊的新聞, 廠商只需在系統設定檔中植入一些代碼和白名單列表(圖2), 只要檢測到當前運行的程式在白名單之中, 就觸發臨時性的超頻操作, 從而獲得更高的跑分成績。

有趣的是, 也有手機廠商不屑于作弊, 甚至針對跑分軟體進行了負優化。 其中最具代表性的就是錘子手機, 搭載驍龍808處理器的Smartisan T2在安兔兔V6測試中只能取得11000左右的分數(圖3), 而這顆處理器的平均性能至少要在45000以上。 至於是如何實現的,

可以參考上面的作弊內容, 只是錘子改為了檢測當前程式為跑分類APP時就自動降頻運行而已。

以提醒之名

雖然如今的手機廠商不敢公然作弊, 但這並不妨礙大家就提升跑分成績而進行一些人性化的提示。 比如當我們運行某跑分APP時, 系統會彈出提醒你以性能模式運行當前的APP(圖4),

以便獲得更好的性能。

如果拋開這種人為設定的代碼牆的影響, 還有哪些牆在制約著手機性能的發揮呢?

源自晶片廠的頻率牆

我們都知道, 像CPU這種半導體晶片, 從生產線下來時每一顆晶片的體質和品質都是存在細微差異的。

在PC領域, 英特爾和AMD會將最好體質的CPU設定在高頻率, 並將其歸類到至尊版高價銷售;體質不好的CPU則會通過遮罩部分電晶體, 以更低端的型號示人。 如果你的運氣夠好, 可以通過開核或超頻的方式, 讓體質好的低端CPU鹹魚翻身。

實際上, 手機領域的CPU也是一樣, 只是它們沒有開核超頻進而翻身的機會。

同芯不同頻的現象

小米5s以搭載高通驍龍821為主打賣點, 但它的性能卻比不上同樣配備驍龍821的樂3 Pro和小米自家小米5s Plus。 原因很簡單, 小米5s的驍龍821最高主頻只有2.15GHz(圖5), 而這顆處理器的標準參數應該為2.35GHz(圖6), 200Mhz的頻率差, 就是導致小米5s“性能縮水”的關鍵。

同樣, 很多國產手機都搭載了聯發科Helio P10處理器(圖7), 但有些型號的主頻為2.0GHz, 但有些型號的主頻卻僅有1.8GHz。 於是, 兩類手機之間的性能同樣出現了差距。 和高通不同的是, 聯發科給不同主頻的Helio P10都起了一個對應的名字, 2.0GHz版叫MT6755, 而1.8GHz版本則為MT6755M。 只是, 有些手機廠商會故意淡化MT6755M, 只以它的家族名稱Helio P10加以宣傳, 所以才會出現頻率上的糾紛。

成本策略都有理

從成本的角度來看,低頻版的驍龍821和MT6755的採購價格肯定要低於標準頻率的版本。但不可否認的是,這些降頻後的CPU的確擁有(相對)更低的功耗和發熱量,有利於延長續航時間。

好消息是,這道源於晶片廠的頻率牆是擺在明面上的,我們可以通過手機官網或包裝說明上的處理器參數中,明確獲知該CPU的實際頻率(圖8)。問題是,哪怕就是兩顆同芯同頻的處理器,當安裝在兩款不同型號手機上時,為何還會出現性能差異?

隱藏在背後的溫度牆

和筆記本一樣,智慧手機的處理器同樣存在一堵看不見的“溫度牆”。一旦系統檢測到CPU溫度超過了設定的溫度牆閾值,就會觸發降頻、重啟甚至關機的機制。

冰箱成為跑分利器

不知道大家有沒有留意到一個現象,將手機放進冰箱運行跑分軟體,其測試結果大都能高於室溫環境。比如機鋒網友@囧帝 就拿三星Note 7進行了測試,在室溫和經過冰箱降溫後的Note 7安兔兔測試成績相差7797分(圖9)!

但是,並非所有手機在冰箱的幫助下都能明顯提升成績,有些手機的提升幅度可能微乎其微,有些甚至會出現負增長。這又是為什麼呢?

散熱設計決定撞牆幾率

和桌上型電腦相比,筆記本的散熱模組是無比寒酸的。但如果拿筆記本和智慧手機相比,後者的散熱結構就更搬不上檯面了。但是,我們也不能因此而小瞧手機的散熱設計,一些細微的差異,就會引起處理器容易因高溫而撞上溫度牆的幾率。

那麼,手機的散熱方式都有幾種,哪種效果最好?

智慧手機的散熱方式

受限於輕薄的機身,想在智慧手機裡面塞進散熱風扇肯定是不現實的。從機身材質的導熱性而言,在內部散熱結構相同的情況下,採用全金屬機身設計的手機,其散熱效果一定優於玻璃材質或塑膠材質。而下面的內容,則是拋開手機材質,從內部設計加以探究。

石墨貼片輔助散熱

石墨是一種良好的導熱材料,它的導熱性甚至超過了鋼、鐵、鉛等多種金屬材料。拆開手機,我們會看到很多手機都在CPU對應的位置貼有一層薄薄的黑色貼紙,而這張貼紙,就是石墨貼片。我們可以將它理解為散熱片,CPU發出的熱量傳遞至大面積石墨貼片的各個位置進行擴散,從而間接起到了散熱作用。石墨貼片的面積越大,導熱/散熱性能越好。

金屬背板輔助散熱

在手機還是以塑膠為主要材質的年代,有些產品會在石墨貼片的基礎上,加入一層嵌入到手機後蓋內側的金屬背板(圖10),CPU發出的熱量會通過石墨貼片傳遞到金屬背板上,進一步增加散熱面積。如今,採用金屬材質的手機,我們可以將它的整個機身都理解為金屬背板。

填充材料輔助散熱

為了保護CPU晶片,智慧手機通常會在CPU表面加上一層金屬的遮罩罩,而石墨貼紙則是位於遮罩罩的上層。為了提高導熱效率,在CPU和金屬遮罩罩的夾層中加入填充材料的方法便出現了(圖11)。至於填充材料,則以導熱凝膠和類液態金屬的相變材料為主。

熱管輔助散熱

為了鎮壓驍龍810這類公認的“火爐”,逼得智慧手機不得不引入筆記本領域盛行的熱管技術:將內部充滿液體的導熱銅管頂點覆蓋在CPU表面,熱管另一端則與石墨貼片或金屬後蓋相連。CPU產生的溫度會讓熱管內的液體氣化,這些氣體會移動到熱管的另一端的散熱區域降溫凝結,冷凝後變成液體再次回到CPU部分,周而復始進行散熱(圖12)。

看到了吧?手機領域的散熱方案也有不少講究。搭載同款處理器的手機,在不同散熱方案的影響下,全速運行時的CPU溫度增幅和最高溫度是存在差異的。散熱效果不好的產品自然更容易裝上溫度牆而觸發降頻機制;散熱好的手機則可讓CPU一直滿血運行。如此一來,你還能指望兩款手機都能跑出最好的成績嗎?

小結

隨著金屬材質成為手機設計的主流趨勢後,手機的散熱壓力已降低了很多。此外,受驍龍810失敗案例的影響,無論是高通自身,還是聯發科、麒麟等晶片廠都開始注重能耗比,再加上最新16nm/14nm工藝的引入,手機處理器猶如火爐的時代也將一去不返。

成本策略都有理

從成本的角度來看,低頻版的驍龍821和MT6755的採購價格肯定要低於標準頻率的版本。但不可否認的是,這些降頻後的CPU的確擁有(相對)更低的功耗和發熱量,有利於延長續航時間。

好消息是,這道源於晶片廠的頻率牆是擺在明面上的,我們可以通過手機官網或包裝說明上的處理器參數中,明確獲知該CPU的實際頻率(圖8)。問題是,哪怕就是兩顆同芯同頻的處理器,當安裝在兩款不同型號手機上時,為何還會出現性能差異?

隱藏在背後的溫度牆

和筆記本一樣,智慧手機的處理器同樣存在一堵看不見的“溫度牆”。一旦系統檢測到CPU溫度超過了設定的溫度牆閾值,就會觸發降頻、重啟甚至關機的機制。

冰箱成為跑分利器

不知道大家有沒有留意到一個現象,將手機放進冰箱運行跑分軟體,其測試結果大都能高於室溫環境。比如機鋒網友@囧帝 就拿三星Note 7進行了測試,在室溫和經過冰箱降溫後的Note 7安兔兔測試成績相差7797分(圖9)!

但是,並非所有手機在冰箱的幫助下都能明顯提升成績,有些手機的提升幅度可能微乎其微,有些甚至會出現負增長。這又是為什麼呢?

散熱設計決定撞牆幾率

和桌上型電腦相比,筆記本的散熱模組是無比寒酸的。但如果拿筆記本和智慧手機相比,後者的散熱結構就更搬不上檯面了。但是,我們也不能因此而小瞧手機的散熱設計,一些細微的差異,就會引起處理器容易因高溫而撞上溫度牆的幾率。

那麼,手機的散熱方式都有幾種,哪種效果最好?

智慧手機的散熱方式

受限於輕薄的機身,想在智慧手機裡面塞進散熱風扇肯定是不現實的。從機身材質的導熱性而言,在內部散熱結構相同的情況下,採用全金屬機身設計的手機,其散熱效果一定優於玻璃材質或塑膠材質。而下面的內容,則是拋開手機材質,從內部設計加以探究。

石墨貼片輔助散熱

石墨是一種良好的導熱材料,它的導熱性甚至超過了鋼、鐵、鉛等多種金屬材料。拆開手機,我們會看到很多手機都在CPU對應的位置貼有一層薄薄的黑色貼紙,而這張貼紙,就是石墨貼片。我們可以將它理解為散熱片,CPU發出的熱量傳遞至大面積石墨貼片的各個位置進行擴散,從而間接起到了散熱作用。石墨貼片的面積越大,導熱/散熱性能越好。

金屬背板輔助散熱

在手機還是以塑膠為主要材質的年代,有些產品會在石墨貼片的基礎上,加入一層嵌入到手機後蓋內側的金屬背板(圖10),CPU發出的熱量會通過石墨貼片傳遞到金屬背板上,進一步增加散熱面積。如今,採用金屬材質的手機,我們可以將它的整個機身都理解為金屬背板。

填充材料輔助散熱

為了保護CPU晶片,智慧手機通常會在CPU表面加上一層金屬的遮罩罩,而石墨貼紙則是位於遮罩罩的上層。為了提高導熱效率,在CPU和金屬遮罩罩的夾層中加入填充材料的方法便出現了(圖11)。至於填充材料,則以導熱凝膠和類液態金屬的相變材料為主。

熱管輔助散熱

為了鎮壓驍龍810這類公認的“火爐”,逼得智慧手機不得不引入筆記本領域盛行的熱管技術:將內部充滿液體的導熱銅管頂點覆蓋在CPU表面,熱管另一端則與石墨貼片或金屬後蓋相連。CPU產生的溫度會讓熱管內的液體氣化,這些氣體會移動到熱管的另一端的散熱區域降溫凝結,冷凝後變成液體再次回到CPU部分,周而復始進行散熱(圖12)。

看到了吧?手機領域的散熱方案也有不少講究。搭載同款處理器的手機,在不同散熱方案的影響下,全速運行時的CPU溫度增幅和最高溫度是存在差異的。散熱效果不好的產品自然更容易裝上溫度牆而觸發降頻機制;散熱好的手機則可讓CPU一直滿血運行。如此一來,你還能指望兩款手機都能跑出最好的成績嗎?

小結

隨著金屬材質成為手機設計的主流趨勢後,手機的散熱壓力已降低了很多。此外,受驍龍810失敗案例的影響,無論是高通自身,還是聯發科、麒麟等晶片廠都開始注重能耗比,再加上最新16nm/14nm工藝的引入,手機處理器猶如火爐的時代也將一去不返。

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