芯片里那些傻傻分不清的物理单位和指标

问题背景

最近看了很多文章，也有很多朋友问我关于芯片的功耗，能耗，性能，能效，能效比等一大推专有名词。大家用的很杂乱，我写一篇文章从头给大家梳理一下，清晰的解释和理解这些名词是最关键的。

初中物理单位回顾

大家还记得初中物理学的电学吗？我们先从最简单的两个单位回顾。Energy和 Power

Energy

中文简称能量，国际单位为焦耳（J）。在营养学里又是也有卡路里（cal）做为能量单位。

1cal=4.183J。

我们来看一段英文的解释：

Energy is the ability to create a change, for example, creating motion. Tasks (like lifting a box) require an amount of energy to complete. A battery will hold a particular amount of energy; so will a given amount of fuel, like food.

The base unit of energy is the joule. This means that a task, like lifting a box in figure 1, takes a certain number of joules regardless of how quickly the box is picked up.

Lifting a box requires a specific amount of energy, no matter how quickly the box is picked up. Lifting faster will change the amount of power but not the amount of energy.[1]

能量是人们日常生活的根源，人活着就需要能量，人类汽车的驾驶，工作和生产都需要能量。人类睡觉都在消耗能量。光说单位，大家可能没有概念，打一个比方：一个水煮鸡蛋热量大概是80卡路里（545焦耳）左右。

一个30岁成年男性每天消耗8400KJ，大概是2007卡的热量，女性为1000卡。（1大卡=1000calories=1kcal）

Power

中文简称功率，国际单位为瓦特（W）。定义为能量转换或使用的速率，以单位时间的能量大小来表示，即是作功的率

我们来看一段英文的解释：

Power is how fast energy is used or transmitted - power is the amount of energy divided by the time it took to use the energy. Its unit is the watt, which is one joule per second of energy used.

所以从上边的解释我们可以看出来Energy是个容量，Power是个效率。他们之间的关系用一个公式表达就是：

Energy = Power x Time.

or

上图中W代表做功，或者叫能耗，也就是Energy。

那么，现在我们再回来看看文章开头给的几个术语

能耗，其实说的是Energy，也就是能量消耗。例如kWh（千万小时），表示一件功率为一千瓦的电器在使用一小时之后所消耗的能量。1kW·h = 3,600,000 焦耳= 3.6 百万焦耳，也就是一度电。

功耗，其实说的是Power，功率的损耗，在单位时间中所消耗的能源的数量，单位为 W。

所以当我们评估一个电子器件是不是省电，我们更在乎的是他的功耗，功耗越低，那么它在一段时间内的能耗就越低，也就是说更省电。这一点在移动终端的SoC的设计中非常重要，因为手机的电池Engergy往往是很难提高的。

什么是性能（Performance）

之前提到了能量和功率的问题。那么我们再看看什么是性能。英文对这个词的表达是最直接的。 Performance，即表现。

例如CPU的算力，或者表现可以从一下几个角度来评估：是不是时钟频率更高，指令所需周期（Cycles Per Instruction ）更低，浮点计算能力（FLOPS）更强等。

什么是能耗比

能耗比， 是性能功耗比的缩写，也可称为能效比 ，或者就简称为能效。即Performance per Watt，中文翻译为“每瓦性能”或者“性能功耗比”。 至于手机SoC，一般不说功耗，一般卖点都是提能效。 即Performance/Power 的值。 比如下面某厂的CPU性能提升75%，能效（或能效比）提升58%，意思就是用高一点的功耗换来更高的性能。那么1.75/1.58=1.1，也就是“性能的提升值”除以“能效比”可以求出来功耗（Power）相比之前提高到了1.1。 换句话就是说，新一代产品能耗开销提高了10%，但是性能提高了75%。 能效比为58%.

一般我们也会反过来这么计算，一个SoC的性能提升了75%, 它的功耗升高了10%，那么他的能效比是1.75/1.1=1.58，也就是能效提高了58%。 大部分厂商其实是希望降低功耗，并提升性能。让分母降低，分子提高。进而提高能效比（能耗比）的数值。

以上是对SoC的性能和能效的一个具体的举例。 一般商家卖SoC，展示芯片的性能和能效的时候，都主要集中在CPU这块。我们再看一下GPU这块。如图，性能提升46%， 能效提升178%。 那么1.46/2.78=0.52. 那么0.52-1=-48%。也就是说，GPU在功耗下降了48%的情况下，性能还提升了46%。 这个是一个非常牛逼的提升。

但是，GPU的还有还会多一些数据作为亮点，那就是FPS。

总结

最后我们来归纳相关术语如表

术语	描述	单位
Energy、能量、能耗	一段时间内的所做的功	J（焦耳）
Power、功耗，功率	单位时间内的做功，也就是每秒中所消耗的焦耳	W（瓦特）
Performance、性能	一种计算器件的表现，CPU通过时钟频率，CPI，FLOP等来表现，GPU通过 FPS， mW/frame 等来表示。	一般都是%来对比
Power Efficiency, 能效，能效比、能耗比	Performance÷Power，即性能跟功耗的对比。一般是个%数值，例如能效提升30%等。 注意：能效提升不代表功耗就下降。只是将性能跟功耗对比来开跟上一代同类产品或同一代竞品的比对。	一般都是%来对比