x86/ARM开战!Atom、S4、A15功耗深入对比
  • 上方文Q
  • 2013年01月05日 14:41
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年前,通过Intel提供的硬件底层精密测量方法,我们看到了Atom Z2760相比于Tegra 3的巨大功耗优势。虽然数据是可靠的,但和很多读者一样我们也感到不满足,毕竟Atom在工艺上更新一些(32nm VS. 40nm),而且对比其它移动处理器又会怎样呢?

经过一番努力,AnandTech又从Intel那里拿到了另外两款平板机:戴尔XPS 10,配备高通S4 APQ8060A,28nm工艺,Krait CPU架构双核,主频1.5GHz,Adreno 225 GPU图形核心,操作系统Windows RT;Google Nexus 10,配备三星Exynos 5250,32nm工艺,Cortex-A15 CPU架构双核,主频1.7GHz,Mali-T604 GPU图形核心,操作系统Android 4.2。它们都是当下新工艺的产物,32nm Atom不再有额外优势了。

XPS 10的改造要困难一些,因为宏碁W510、微软Surface RT里为CPU模块供电的电路上都只有一个电感,而高通的多核心CPU都为每个核心使用了单独的频率和电压层,APQ8060A的两个核心就有各自的供电电路和电感。

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测试中在每个电路中都串联接入一个20毫欧姆的电阻(上图中两个橙色标识),所得的功耗值就是二者的叠加。黄色标识对应的是GPU测量电阻。

这还不算完。高通的Krait架构中二级缓存也有独立的频率和电压层,APQ8060A CPU频率最高1.5GHz的时候二级缓存最高则是1.3GHz,不幸的是,二级缓存供电电路无从寻找,所以以下数据中APQ8060A CPU功耗是不包含二级缓存部分的,平台功耗自然包含。

下边通过两个例子看看高通这种异步核心的实际功耗表现。

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SunSpider这种多核心负载不均匀的项目中,第一个核心全速运行,第二个的速度则慢很多,但也没有完全休息。如果两个核心捆绑在相同的频率和电压上,第二个核心自然就会浪费不少资源。当然,这需要超快的微控制器来掌管切换。

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Kraken又是另一回事儿了,两个核心的负载很平衡,功耗也差不多,异步模式就没什么用了。

Exynos 5250的测试就没什么好说的了,不过AnandTech显示加入APQ8060A进行对比,然后加入Exynos 5250重新对比了一遍,为了节省篇幅我们就直接看四个参赛选手的对比了。

测试方法和之前的完全相同,所有数据也都是独立得来的,也分为平台功耗、CPU功耗、GPU功耗三部分,而且除了实时曲线,这次还增加了平台消耗能量,以及三部分的最高、最低、平均功耗的确切数值,对比更加清晰。——要知道单纯的功耗指标是没有太大意义的,还得结合完成任务的时间,综合衡量总的能耗才最有对比意义。

为方便表述,以下分别将Tegra 3、Atom Z2760、APQ8060A、Exynos 5250(包括对应平台)简称为T3、Atom、S4、A15。

【待机功耗】

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A15的平台待机功耗明显偏高,不过Android系统的主屏幕上来就是稳定的,不像Windows那样需要一段时间,所以紫线很快就结束了。S4比较稳定,介于T3、Atom之间。

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现代CPU的电源门控(Power Gating)都几近完美,空闲的时候基本没什么消耗,A15、S4都要比T3、Atom 更优秀一点。

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Mali-T604更加出色,待机功耗几乎为零,相信这也有三星32nm LP HKMG工艺的功劳。Adreno 225也不错,曲线不够平滑,但比Atom更低。

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飞行模式下的平台功耗更低了一些,尤其是Wi-Fi很差劲的Atom W510,但总体趋势都差不多。Mali-T604的曲线几乎都全程为零了。

【SunSpider测试功耗】

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无论从实时曲线还是总能耗(单位焦耳)来看,S4的平台功耗都和Atom差不多。A15就高多了,平均比T3多了五分之一,而且可能是系统优化问题,A15多花了不少时间才完成测试,总能耗多了60%。

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CPU功耗S4峰值也未超过1W,总能耗也是最低,虽然这其中少了二级缓存(估计大约0.1-0.2W),但优势体现出来了。A15就疯了,峰值超过了3W,总能耗也是T3的两倍!

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GPU功耗S4、A15都还说得过去,T3依然高高在上,只不过A15的曲线也太“凌乱”了,波动非常厉害。

【Kraken测试功耗】

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不同于SunSpier,这个环节里A15性能表现很给力,只用了其他平台大约四分之一的时间就完成了测试,因此虽然平台平均功耗接近7W,但总能耗也是最少的,只相当于Atom的三分之二。

S4的平均功耗和Atom差不多,但因为完成得慢一点,总能耗也稍高。

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A15的峰值突破了4W,平均也有2.4W,而其它峰值基本都没过1.5W,S4的平均更是不到0.6W而取得领先。

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A15 GPU快速搞定,大部分时间都是空闲的,所以功耗、总能耗都非常低。S4这方面胜过了T3但是不如Atom。

【RIABench测试功耗】

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A15平台功耗依然是最高的,再次为性能付出代价。S4、Atom基本不相上下,功耗稍低,但总能耗略高。

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A15 CPU功耗仍旧高高在上,但因为性能好、时间段,总的能耗反而略低于T3。S4相当优秀,功耗最低,能耗也最少。

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单看GPU的话,A15又赢了,S4高于Atom,不过我们知道Mali-T604的性能其实很一般,而这种测试对GPU基本没什么依赖,所以并不能反映太多问题。

【WebXPRT 2013测试功耗】

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A15取得了246的历史性高分,领先Atom 9%左右,但后者是最节能的,A15都快赶上T3了。

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CPU峰值功耗接近4W,S4、Atom都不超过1.5W,总的能耗上S4非常低,只有Atom的一半多点。

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GPU和之前类似,A15的相当相当低,S4略高于Atom,T3很疯狂。

【TouchXPRT 2013测试功耗】

这个项目还没有Android版本,所以看不到A15的了。

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这一次,S4、Atom在很多项目里都相当接近,细看的话前者CPU表现稍好,后者平台和GPU更强一些。

【GPU 3D游戏功耗】

之前各个项目重点突出的其实都是CPU功耗(以及平台功耗),都和GPU图形负载关系不大,这块儿还得靠专门的3D游戏负载来考察。

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A15平台的曲线始终高高在上,波动也依然很厉害,无论能耗还是最高、最低、平均功耗都超过了其他平台。S4正好在Atom、T3之间。

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单看CPU,A15峰值超过了2.5W,平均功耗和总能耗也都是T3的两倍了。

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Mali-T604 GPU低功耗的假象被戳穿了,远远高过了其它对手,而最少的最低功耗只不过是因为它波动得太狠了而已。S4更接近Atom,也不赖。

【Exynos 5250的热设计功耗】

最后解决一个小问题。测试中可以发现,A15架构的Exynos 5250无论CPU部分还是GPU部分,峰值功耗都经常达到4W左右,但不会同时跑到这么高,那么如果CPU、GPU都运行在最高状态会消耗多少呢?我们上Nexus 10同时跑CoreMark、《现代战争3》,分别以红线、蓝线、绿线代表平台、CPU、GPU功耗,并按颜色将整个过程分成五段。

ARM/x86开战!Atom、S4、A15功耗深入对比

在第一段(黄色),很吃显卡的《现代战争3》让GPU功耗接近4W,CPU功耗则不到1W;几分钟后切换出去,GPU功耗迅速下去了,CPU功耗比第一段后程略有提高;第二段(橙色),启动多线程测试工具CoreMark,CPU功耗很快就超过了4W,GPU则基本不活动。

接下来第三段(粉色),CoreMark保持运行,切回《现代战争3》,GPU全速开动接近4W(电压也上去了),而此时因为CoreMark变成了后台程序,CPU为它将频率降低到了800MHz,功耗也慢慢下来了,把资源让给GPU。

第四段(蓝色)重新切回CoreMark,CPU、GPU再次交替;第五段(绿色),又回到《现代战争3》,第三段场景重现,CPU+GPU合计功耗有一段时间达到了8W左右,但随后因为散热达到极限而降了下来。

这样一来我们就可以说,Exynos 5250的日常最大功耗在4W左右,峰值可以冲到8W。为什么要测试这两个数据呢?因为Intel Haswell就准备把热设计功耗降到8W,到了再下一代14nm Broadwell完全可以轻松做到4W以下,那时候ARM、x86的性能和功耗对比就会非常有意思了。

ARM/x86开战!Atom、S4、A15功耗深入对比 Haswell冲击8W

【最后的话】

我们已经知道,Atom Z2760的性能要比Krait S4好不少,但从功耗角度看,二者可谓针锋相对。平台层面上(至少是宏碁这款W510),Intel占优一些,但如果其它平板对屏幕和其它元件进行改良,这种优势很容易被逆转。

CPU核心方面高通领先,但这没有算上二级缓存,不过考虑到缓存的功耗并不会太大,即便加上的话相信高通也会更好一些。

GPU这边么,Imagination PowerVS SGX545的功耗确实很低,但是在3D性能上Adreno 225要好得多,玩个小游戏跑个加速什么的还得是后者。Intel在低功耗高性能GPU方面确实需要好好下功夫。

高通S4的待机功耗也非常惨出色,说明在面对台积电28nm LP工艺的时候,Intel 32nm也有点“落后”了,不过别忘了Atom架构已经有五年历史了,Intel 32nm也快三年了,二者结合仍能有如此表现你不得不佩服。今年Intel还会拿出崭新的22nm SoC,这会让ARM阵营很恐慌的。

Cortex-A15当然更值得说说。它在性能上可以挽回Cortex-A9不低Atom的局面,但也在功耗上付出了很大的代价,功耗是高通、Intel的少则一倍、多则四倍。夸张的曲线和数字一直令人心惊。

无论是从测试数据还是从现实情况看,Cortex-A15短期内更适合轻薄笔记本、高端平板机,想进入智能手机的话一则要大幅度降频,但性能也就下来了,二则就是配合Cortex-A7核心组成big.LITTILE,从而兼顾性能与功耗,事实上ARM就是这么推行的,三星等也在这么做。不知道苹果下一步会怎么设计自己的CPU核心?

至少就短期内而言,ARM、x86两大阵营可以以4W为分界线,向下是ARM的天地,向上则是Intel的地盘。放长远了看么,14nm时代的x86或许就完全有能力把酷睿架构带到智能手机里,再不行2017年左右的10nm总可以了,那时候或许就能在手机上看到主流级别Sandy Bridge/Ivy Bridge处理器的性能了呢。

有趣的是,Intel拼命降低功耗的同时,ARM却在走一条相反的路,努力提升性能而慢慢牺牲功耗,这样对于其进军桌面乃至服务器是必要的,但要想稳住智能手机和平板机阵营,恐怕就得认真对待Intel了。

高通卖出了有力的一步,苹果的下代架构有可能带来惊喜。如果将ARM比作新的AMD,高通和苹果就是做新Athlon 64的,只不过这一次,Intel不会再弄个Pentium 4出来了。

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