x86架構(gòu)平板電腦續(xù)航分析：能耗明顯優(yōu)于ARM

12月27日消息，自2006年以來，芯片巨人英特爾逐漸在處理器市場(chǎng)占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。然而本世紀(jì)初，它也曾被AMD的Athlon 64處理器打得顏面掃地。為避免重蹈往日的覆轍，英特爾開始采取一種“步步為營(yíng)”的穩(wěn)妥策略?，F(xiàn)在它所取得的輝煌成就，固然離不開其不斷更新的處理器構(gòu)架，以及在芯片制造工廠上的巨額資金投入，但真正起著決定性作用的卻是它的內(nèi)部性能建模團(tuán)隊(duì)。

隨著超薄移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)的興起，業(yè)界對(duì)于處理器性能的關(guān)注重點(diǎn)逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變。為了創(chuàng)造良好的用戶體驗(yàn)，能耗開始變得和絕對(duì)性能一樣重要。英特爾也開始意識(shí)到這一點(diǎn)：在內(nèi)部性能建模團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)的產(chǎn)品構(gòu)架設(shè)計(jì)中，處理器絕對(duì)性能已經(jīng)不是唯一奮斗目標(biāo)，用戶體驗(yàn)以及電源效率都已成為需要優(yōu)先考慮的因素。

不僅如此，為達(dá)成更好的用戶體驗(yàn)，英特爾正在嘗試轉(zhuǎn)變自身角色。在它的緊密合作下，宏碁推出了W510、W700兩款平板產(chǎn)品以及S7超極本。為實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的產(chǎn)品續(xù)航時(shí)間，將Core和Atom處理器的功耗控制到更低的水平，在下一代Haswell處理器平臺(tái)上，主板上應(yīng)采用哪些非英特爾部件，芯片巨人都對(duì)硬件廠商做出了詳細(xì)的規(guī)定。雖然 Haswell處理器要等到2013年二季度后才能上市，目前的Ivy Bridge構(gòu)架實(shí)力也不容小覷。在今年早些時(shí)候英特爾曾宣布，明年年初要將Ivy Bridge產(chǎn)品功耗降至10W以內(nèi)。有理由相信，Ivy Bridge將是近期主導(dǎo)市場(chǎng)變化的主力。雖然暫時(shí)我們還看不到搭載Core處理器的iPad，相信這一天遲早會(huì)出現(xiàn)。

早些時(shí)候，曾有橫向測(cè)評(píng)顯示：雖然三星ATIV Smart PC平板電池電量?jī)H30Wh，小于微軟Surface RT平板的31Wh，且前者屏幕尺寸為11寸（1366×768分辨率），大于后者（10寸，同為1366×768分辨率），但搭載英特爾Atom Z2760處理器的ATIV Smart PC續(xù)航時(shí)間優(yōu)于Surface RT。在持續(xù)網(wǎng)頁(yè)瀏覽測(cè)試中，ATIV Smart PC續(xù)航時(shí)間較對(duì)手長(zhǎng)17%；在視頻回放測(cè)試中，ATIV Smart PC勝出3%。英特爾也曾做過Atom與Tegra 3處理器的比較，在他們的演示中，無論設(shè)備整體或是單個(gè)組件，采用32納米Clover Trail構(gòu)架的Atom處理器功耗都要優(yōu)于Tegra 3。

功耗的降低對(duì)于最終用戶的好處是顯而易見的：英特爾Atom處理器的運(yùn)行速度本身就要優(yōu)于ARM構(gòu)架的Cortex A9內(nèi)核，而Tegra 3處理器中卻采用了4顆臺(tái)積電生產(chǎn)的40納米工藝Cortex A9內(nèi)核。在其他硬件配置相同的情況下，Atom處理器不僅高效，而且節(jié)能。

其實(shí)，英特爾并沒有什么特殊的測(cè)評(píng)方法。他們只是選擇將設(shè)備拆解開來，從單個(gè)組件的水平來測(cè)量能耗，而不是使用某種軟件去評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)。通常，設(shè)備主板含有有顯示、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、系統(tǒng)芯片等多個(gè)不同組件，工程師需要在不同工作負(fù)載的條件下反復(fù)嘗試，分辨出專門針對(duì)CPU或GPU的供電濾波電路。

基本電感電容濾波電路

一般情況下，專為CPU或GPU供電的濾波電路是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LC（電感電容）濾波器。捕捉到該LC濾波器后，只要在電感之前串聯(lián)一個(gè)非常小的電阻（2-20mΩ），測(cè)量電阻兩端電壓的差值，就可利用經(jīng)典的歐姆定律求得電流，并進(jìn)一步算出功率。在外部工具的支持下，某一時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)芯片的特定內(nèi)核功率變化情況也能被記錄下來。

串聯(lián)電阻后的電感電容濾波電路

在本次測(cè)評(píng)中，我們使用的是美國(guó)國(guó)家儀器儀表有限公司（National Instruments）生產(chǎn)的USB-6289數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對(duì)搭載Nvidia Tegra 3處理器的微軟Surface RT平板和搭載英特爾Clover Trail Atom Z2760處理器的宏碁W510平板進(jìn)行比較。兩款設(shè)備均為零售版本，安裝了截止2012年12月21日最新的軟件與驅(qū)動(dòng)，屏幕亮度均被校準(zhǔn)為200尼特，軟件及系統(tǒng)設(shè)置盡可能地保持一致。尤其需要指出的是，宏碁W510安裝了12月18日發(fā)布的1.01版更新，該更新改善了該平板的電池續(xù)航時(shí)間。

Surface RT：黃色區(qū)域?yàn)镚PU功率測(cè)量電路，桔色區(qū)域?yàn)镃PU功率測(cè)量電路

W510：紫色區(qū)域?yàn)橛⑻貭栐O(shè)計(jì)的電池功率測(cè)量電阻，黃色及桔色區(qū)域分別為GPU及CPU功率測(cè)量電路

除開Surface RT以及W510兩臺(tái)平板，我們還使用了一臺(tái)筆記本來運(yùn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備所需的SignalExpress軟件。即使所有的連接線看起來有些凌亂，但所有測(cè)評(píng)的設(shè)備放在一起并沒有想象中的復(fù)雜。雖然測(cè)評(píng)所需的所有產(chǎn)品和儀器設(shè)備均由英特爾提供，但測(cè)評(píng)的各個(gè)步驟均為作者本人設(shè)計(jì)并獨(dú)立完成。

需要提醒讀者注意的是：與Android設(shè)備不同，Surface RT的Tegra 3處理器中第五個(gè)內(nèi)核（協(xié)同內(nèi)核）沒有發(fā)揮作用，其原因是微軟尚不支持異構(gòu)計(jì)算環(huán)境，Windows RT下Nvidia只能禁用協(xié)同內(nèi)核。

每一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果都用三個(gè)曲線圖來表示：第一個(gè)圖顯示在電池電路所測(cè)得的整體系統(tǒng)功耗，它包括了從處理器到顯示系統(tǒng)的每一個(gè)組件；第二個(gè)圖顯示CPU供電電路的功耗；第三個(gè)圖顯示GPU供電電路的功耗。兩個(gè)曲線中，綠色代表微軟Surface RT，藍(lán)色代表宏碁W510，采樣時(shí)間間隔為15ms，功率單位為瓦（Watt）。[!--empirenews.page--]

閑置功耗

所有的測(cè)試中，第一步是了解兩款產(chǎn)品在閑置狀態(tài)下的表現(xiàn)。在打開Wi-Fi但關(guān)閉同步的狀態(tài)下，保持在開始畫面的Windows RT/8系統(tǒng)并非馬上進(jìn)入閑置狀態(tài)，它需要在所有的動(dòng)態(tài)磁貼停止更新以后才能真正閑下來。在下面的曲線圖上，也能看到對(duì)應(yīng)的明顯功耗降低。

首先是整體系統(tǒng)的功耗情況：

相比之下，Surface RT閑置狀態(tài)的功耗較W510高出約28%。曲線圖的后半部分是開始畫面中動(dòng)態(tài)磁貼停止變化后，兩款平板真正進(jìn)入閑置狀態(tài)的表現(xiàn)。

對(duì)應(yīng)CPU的曲線圖能給我們更為細(xì)致的信息。整個(gè)過程中，Tegra 3處理器的峰值功耗較對(duì)手要高，CPU平均功耗為70.2mW，Atom Z2760的CPU平均功耗為36.4mW。

GPU 的功耗曲線圖顯示了非常有趣的現(xiàn)象：閑置狀態(tài)下Tegra 3的GPU功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出Z2760，Atom Z2760處理器的PowerVR SGX 545圖形處理核心表現(xiàn)的非常節(jié)能，渲染開始畫面時(shí)平均功耗為155mW。我沒有參與Tegra 3的設(shè)計(jì)工作，所以不知道其GPU的供電電路是否同接駁了其他組件。

了解以上信息后，我將兩款測(cè)評(píng)設(shè)備都設(shè)為了飛行模式。在他們?cè)俅芜M(jìn)入完全的閑置狀態(tài)后，看看我們能得到什么樣的結(jié)果：

沒有了Wi-Fi連接，兩款設(shè)備無需與無線熱點(diǎn)不斷通訊，進(jìn)入了“真正”的閑置狀態(tài)。在這種情況下，W510的平均功耗降低了約47.8mW。

與Nvidia Tegra 3處理器比較，Atom Z2760的GPU單元閑置功耗更低。而較低的閑置功耗是延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間的關(guān)鍵因素之一。

啟動(dòng)功耗

下一步，測(cè)試的是設(shè)備從完全關(guān)閉狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)的功耗情況。下面是從關(guān)機(jī)直到進(jìn)入Windows開始畫面的過程：

從上面的結(jié)果看出，英特爾在整個(gè)過程中表現(xiàn)明顯占優(yōu)，W510的整機(jī)功耗峰值為5W，而Surface RT則達(dá)到了8W。下面的圖會(huì)對(duì)兩者差距的真正原因做出解釋：

兩款設(shè)備CPU的平均功耗差別明顯，Tegra 3處理器為1.29W，Atom處理器僅為0.48W。且Atom處理器能在更快的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)啟動(dòng)過程，更早進(jìn)入休眠狀態(tài)，進(jìn)一步幫助其減少了能耗。

兩款設(shè)備GPU功耗相差同樣明顯，Tegra 3的平均值為0.80W，Atom為0.22W。

啟動(dòng)Word 2013

作為另一項(xiàng)測(cè)試，我們記錄了兩款設(shè)備啟動(dòng)Word 2013過程中的表現(xiàn)：

測(cè)試中兩款平板耗時(shí)大致相等，仔細(xì)觀察曲線圖會(huì)發(fā)現(xiàn)，W510實(shí)際所花時(shí)間要稍長(zhǎng)一些。從CPU單元來看，Nvidia產(chǎn)品的平均功耗為0.60W，英特爾為0.48W，兩者差異不大。

然而，GPU單元的結(jié)果再次讓我感到吃驚，二者如此巨大的差異再次讓我感到懷疑：Tegra 3平臺(tái)的GPU供電電路是否還有其他負(fù)載。否則，其能效設(shè)計(jì)與Atom處理器的圖形處理核心比較實(shí)在相差許多。平均功耗上，Nvidia產(chǎn)品為0.73W，英特爾為0.23W。

為了在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)良好的續(xù)航時(shí)間，處理器往往需要在短時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)算后快速回到閑置狀態(tài)，從而減少耗電。為進(jìn)一步了解兩款產(chǎn)品在峰值性能與平均功耗間的平衡性，我們進(jìn)行了以下幾項(xiàng)JavaScript測(cè)試。

SunSpider 0.9.1測(cè)試

基于Cortex A9構(gòu)架優(yōu)秀的內(nèi)存子系統(tǒng)，英特爾平臺(tái)產(chǎn)品會(huì)更快的完成SunSpider測(cè)試。從上面的結(jié)果可以看出，平均整體能耗上，Atom處理器（3.70W）也好于Tegra 3（4.77W）。與Surface RT比較，W510能更快進(jìn)閑置狀態(tài)是降低功耗的一個(gè)重要原因。

在兩款設(shè)備電量充足，且均由充電器供電的情況下，我在充電器端測(cè)試了兩款設(shè)備的功耗情況，結(jié)果與前面基本一致，圖表如下：

[!--empirenews.page--]

在CPU單元方面，Tegra 3與Atom處理器表現(xiàn)勢(shì)均力敵，但英特爾產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)在于能更快完成整個(gè)測(cè)試任務(wù)，前者平均功耗為0.72W，后者為0.52W。

GPU單元功耗上，我們?cè)僖淮慰吹搅薚egra 3與Atom處理器的巨大差異。

Kraken測(cè)試

與SunSpider比較，Mozilla開發(fā)的Kraken測(cè)試負(fù)載更高，花費(fèi)的時(shí)間也更長(zhǎng)，但結(jié)果基本一致。

RIABench測(cè)試

小巧的RIABench Focus Tests僅需數(shù)秒即可完成，它給我們帶來了更為細(xì)致的能耗信息：

WebXPRT測(cè)試

WebXPRT是Principled Technologies公司新開發(fā)的HTML5/js網(wǎng)頁(yè)性能測(cè)試。與其他測(cè)試一樣，英特爾處理器較Nvidia產(chǎn)品功耗更低，而其中的重要原因仍是后者GPU單元表現(xiàn)相對(duì)不佳。

TouchXPRT測(cè)試

TouchXPRT 是一款支持Windows、Windows RT系統(tǒng)的跨平臺(tái)測(cè)試軟件，沒有針對(duì)英特爾處理器的原生優(yōu)化代碼。由于該測(cè)試無法一次運(yùn)行所有項(xiàng)目，我們只能分別給出測(cè)試結(jié)果。但整體來說，Atom和 Tegra 3的表現(xiàn)與之前類似。在CPU單元上，英特爾產(chǎn)品在擁有較好性能的同時(shí)又保持了較低的能耗；GPU方面，Atom的性能也可應(yīng)付每一項(xiàng)測(cè)試任務(wù)，且同樣較為節(jié)能。

GPU負(fù)載測(cè)試

與英特爾的Clover Trail構(gòu)架產(chǎn)品比較，Nvidia處理器唯一的性能優(yōu)勢(shì)在于其圖形處理單元，Tegra 3處理器的GPU也較Atom的PowerVR SGX 545更快。由于目前還沒有針對(duì)Windows RT/8系統(tǒng)的GPU性能測(cè)試軟件，我們采用了同一款游戲同樣路線下，記錄兩款設(shè)備不同表現(xiàn)的測(cè)試方式：[!--empirenews.page--]

結(jié)果是，Tegra 3的GPU能耗幾乎是Atom的兩倍，但性能優(yōu)勢(shì)卻并非后者的兩倍。PowerVR SGX 545圖形處理核心的開發(fā)商Imagination Technologies一直以生產(chǎn)高能效GPU著稱，從我們的測(cè)試結(jié)果來看，他們的確不負(fù)盛名。

無線網(wǎng)頁(yè)瀏覽續(xù)航測(cè)試

為了解兩款設(shè)備的整體能耗表現(xiàn)，我們選擇了2013版的網(wǎng)頁(yè)瀏覽電池續(xù)航時(shí)間測(cè)試。該款測(cè)試包含了階段性的CPU及網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載活動(dòng)，能更好的模擬用戶日常使用過程。

圖中曲線連續(xù)的陡峰對(duì)應(yīng)測(cè)試過程中的階段性任務(wù)。兩款設(shè)備完成任務(wù)所需的時(shí)間基本一致，排除了某一方因運(yùn)算速度快而導(dǎo)致完成任務(wù)數(shù)增多，能耗增加的偏倚。

可以看到，W510在曲線的最后階段任務(wù)完成得比Surface RT晚，造成這一現(xiàn)象得主要原因是W510的Wi-Fi連接性能不佳。

我過去認(rèn)為，只有在游戲過程中，圖形處理單元的能耗才需要考慮。通過這一測(cè)試可以看出，與我一直的觀點(diǎn)不同，簡(jiǎn)單的更新屏幕畫面內(nèi)容也會(huì)產(chǎn)生大量的能耗。

結(jié)語(yǔ)

本次測(cè)評(píng)結(jié)果與已有的媒體報(bào)道基本一致：Clover Trail構(gòu)架的Atom處理器在能耗上優(yōu)于Nvida Tegra 3。完整的測(cè)試結(jié)果見下表：

整體而言，英特爾處理器的能耗明顯優(yōu)于Nvidia Tegra 3，其中一個(gè)主要原因在于前者的32納米工藝較后者40納米工藝領(lǐng)先，但兩者的競(jìng)爭(zhēng)遠(yuǎn)未結(jié)束。在不到一年的時(shí)間內(nèi)，英特爾即將發(fā)布針對(duì)平板設(shè)備的22納米 Atom處理器，Nvidia也將在明年上半年開始發(fā)售Cortex A15構(gòu)架28納米Wayne處理器。明年，英特爾會(huì)將Core酷睿處理器的能耗降至10W，而Haswell產(chǎn)品則已經(jīng)達(dá)到了功耗低至8W的水平。雖然目前搭載英特爾處理器的平板產(chǎn)品領(lǐng)先Surface RT，未來鹿死誰(shuí)手仍難以預(yù)料。對(duì)于芯片巨人來說，將Core酷睿處理器帶入平板和手持設(shè)備市場(chǎng)，將會(huì)是它與AMD和Nvidia爭(zhēng)奪市場(chǎng)的一個(gè)重要砝碼。

另外值得深思的是，雖然英特爾擁有更好的處理器，但微軟生產(chǎn)了更好的設(shè)備，而這款設(shè)備搭載的卻是Tegra 3芯片。對(duì)于英特爾來說，僅靠CPU打天下的好日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。它需要與OEM廠商建立更加緊密的合作關(guān)系，才能研發(fā)出更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，與蘋果的合作就是最好的例證。即使有了英特爾的幫助，宏碁W510仍然在觸屏、Wi-Fi連接以及穩(wěn)定性上存在缺憾。如果聽任OEM廠商我行我素，其產(chǎn)品也許難成大器。Clover Trail處理器已經(jīng)相對(duì)成熟，但缺乏蘋果、谷歌或者微軟這樣的慧眼伯樂，明年英特爾在平板市場(chǎng)上恐怕仍難有問鼎之勢(shì)。

不過我們?nèi)杂泻孟ⅲ何④浺呀?jīng)在為Surface Pro上市做準(zhǔn)備，搭載Haswell處理器的型號(hào)也應(yīng)該指日可待?，F(xiàn)在芯片巨人需要的，是一款有著英特爾之心的iPad或Nexus。