聊聊新款MacBook Air的CPU與奇葩散熱設計

作者 : 黃燁鋒,EDN China

如今的MacBook Air全部採用Intel超低壓Core Y系列處理器。注意是超低壓,而不是低壓U系列(MacBook Pro 13吋一直在用低壓U系列處理器)。也就是說,MacBook Air已經正式成為Mac家族中性能最弱的設備,加上其價格——尤其2020款MacBook Air起價人民幣7,999元,MacBook Air成為了Mac系列中最低階的一個系列。

關注蘋果MacBook Air產品線的讀者應該知道,從前兩年開始,MacBook Air已經換上了Retina顯示器,設計也改頭換面了。不過在產品線佈局上,MacBook系列發生了一些變化:12吋MacBook已經退出人們視野(這個產品系列應該已經開始和iPad Pro打架了,所以退出也是必然的),MacBook Air正式接棒了12吋MacBook的無風扇設計。

說是無風扇設計,其實MacBook Air還是有風扇的,只不過這個設計相當奇特——後面我們再談。但有一個核心資訊是MacBook Air使用者需要在意的:如今的MacBook Air全部採用Intel超低壓Core Y系列處理器。注意是超低壓,而不是低壓U系列(MacBook Pro 13吋一直在用低壓U系列處理器)。也就是說,MacBook Air已經正式成為Mac家族中性能最弱的設備,加上其價格——尤其2020款MacBook Air起價人民幣7,999元,MacBook Air成為了Mac系列中最低階的一個系列。

這也算是產品佈局的一個精準調整了,當年賈伯斯從信封裡拿出MacBook Air之時,這個產品的價格實在是不菲,定位絕對不亞於MacBook Pro。

這篇文章針對輕度技術愛好者,並且具備一定的導購價值,各位可酌情閱讀。不想看我亂彈的,可以直接拉到本文最後看結論。

無風扇設計?

國外很多媒體說MacBook Air是無風扇設計,當然拆機就知道這個說法不正確,MacBook Air還是在內部配了一枚風扇。不過實際上,在很多人的理解中,Intel的超低壓Y系列處理器,的確可以不配風扇,比如當年的12吋MacBook就沒有風扇。

今年Intel超低壓Core Y系列處理器由於首次提升到了四核心,所以TDP提至9W,看起來已經和低壓U系列的TDP 15W非常接近了。TDP功耗上的差異,也讓Core Y系列和U系列在起步的基頻(base clock)方面就不大一樣,Y系列普遍的基礎頻率在1.xGHz的程度(現在的基頻可認為是在TDP功耗下,CPU全核心可長時間堅挺的一個頻率),兩者的睿頻似乎差不多。

這兩者更具體的差別,我沒有具體去研究,但至少包括cache大小差異,以及I/O方面的區別:比如就第十代Core而言,Y系列的PCH高速I/O通道是14條,而U系列是16條;Y系列核心部分支援的USB-C介面數量會略少;還有包括Y系列不支援DDR4(而只支持LPDDR4x);至於核心顯示卡,兩者都是Iris Plus(GT2?),在規模上官方標的都是至多64EU,不過不知道在頻率方面是否有差別。[1]

總之,當代MacBook Air現在使用的處理器是一種更省電的方案。TDP 9W聽起來好像的確可以不需要風扇了,iPad Pro的A12X大概7、8W的平均功耗就沒風扇。當然了,這裡不說,這個TDP本身現在所具備的參考價值,可能越來越脫離於其原本熱設計功耗的意義,畢竟現在大家都把睿頻當基頻在看,連什麼cTDP up/down之類的資料看起來都不靠譜。

(圖片來源:iFixit)

不過MacBook Air從改頭換面以來的風扇設計就相當奇特,上圖是2018款MacBook Air拆開後殼後的內部結構圖[2]。內部左上角位置顯然就有風扇,不過你知道CPU在哪兒嗎?CPU本尊並不在風扇附近,而在中央那塊散熱片下面,下圖用紅框將其標出了。

需要注意的是,從各種拆解來看,CPU之上並沒有一根導熱管連接至風扇。那麼這枚風扇究竟在為誰降溫?迷之風扇!針對這個問題,我查了一些資料,發現網上對此的猜測頗多。YouTube有一些技術向的up主(編註:up主是源自日本的網路用語,意指在影片網站、資源網站等地上傳影片、音訊或其他資源的人)提到,這顆孤獨的風扇「just for ventilation」,它負責帶走MacBook Air內部主機板的整體熱量,而且在內外造成氣壓差,這樣內部也會主動「吸入」一些冷風。【這種設計可能的初衷,歡迎各位指正】

Reddit上也有一張帖子是專門討論此事[3]:這張帖子是針對2019款的MacBook Air,表示這種設計後續沒有變。這張帖子裡有人提到,這種設計可能是依賴於內部的密閉結構,空氣流向通路上會帶到CPU上方的散熱片。不過無論如何,這種設計針對CPU的散熱效率都是比較低的,可能與MacBook Air追求極致輕薄有關(但實際上我們後面還會提到,MacBook Air如今真的不能算薄)。

單就CPU而言,這還真的算是無風扇,因為雖然有風扇但卻不是針對CPU;所以CPU真的仍然可以說是被動散熱;或許在超低壓處理器範疇內,這種設計是合理的,真的是這樣嗎?

與MacBook Pro的性能差距

網上已經有部分up主,包括上周我在參與web view的播客節目時,都談到今年的MacBook Air真的十分超值;主要是因為SSD最低容量升級到256GB,記憶體也換用了LPDDR4x,儲存性能會有較大提升(雖然MacBook Air的SSD速度一直以來都比MacBook Pro慢一截);另外就是處理器更新到了Core第十代,除了最低配的Core i3,更高的Core i5配置都開始改用四核心處理器(所以蘋果宣稱快1倍),核心顯示卡也明顯上了一個台階,而且,價格更便宜。

就紙上數字來看,我之前甚至還提到,2020 MacBook Air已經比2019 MacBook Pro 13吋更牛了。不過當時我並沒有意識到,2020 MacBook Air用的雖然是四核心處理器,但卻是超低壓版的Core Y系列。而MacBook Pro用的是低壓Core U系列(2019款MacBook Pro 13吋用第八代Core低壓U系列)。那麼除了TDP功耗數字差異,這兩者到底如今是個什麼樣的關係呢?

(圖片來源:Max Tech)

另外,Max Tech的拆解已經提到,2020 MacBook Air仍在沿用以前的模具(chassis),所以上述這種加了個風扇,但不吹CPU的設計仍然存在,如上圖所示。

Intel Core Y系列四核心處理器,沒風扇能鎮壓嗎?其實從理論上來說問題也不大,被動散熱中的典範是Surface Pro。之前我花了很大的篇幅來探討無風扇的Surface Pro性能如何,結論是無風扇的Surface Pro相比同配其他有風扇的Ultrabook,持續性能差距大約有25%[4]。即便如此,Surface Pro的表現依然令人滿意,可以認為是被動散熱設計中的楷模。而且Surface Pro用的還是Core U系列即低壓版的處理器,MacBook Air用的Y系列更不成問題了吧?

就已公開的情報來看,2020 MacBook Air最低配的Core i3處理器具體型號為Core i3-1000NG4,Core i5處理器具體型號為Core i5-1030NG7。從這個型號不難發現,這並非Intel公開販售的版本,「N」應該特別指這是給蘋果的特供版,或者合作開發版之類。具體跟公開版本的i3-1000G4、i5-1030G7有何區別,就不知道了。

這裡我們選擇多家測試機構的資料,僅CineBench R20測試:

Luke Miani給MacBook Air Core i3版(Core i3-1000NG4,雙核心)的測試得分為640分,Core i5版(Core i5-1030NG7,四核心)測試得分大約在1,060分左右[5];但Max Tech針對Core i5版的測試得分一次是863分,一次是1,019分[6]——我猜這可能與設備測試前的運作狀態有關(真心是不負責任的up主啊!),這裡的863分很有可能是持續性能成績,而超過1,000分的成績則是在設備溫度較低時第一第二輪跑分能夠獲得的成績。

這兩家機構的測試平均成績960分——恰好和一家日本測試網站PC Watch的結果差不多[7]。另外NoteBookCheck的測試資料則顯示,macOS平台下的CineBench R20多執行緒測試得分987分,也比較接近。上一代的Core i5版(Core i5-8210Y)MacBook Air的CineBench R20得分為601~632分[8]。所以粗略估算,2020 MacBook Air Core i5版相比上一代的CPU性能提升幅度大約是52~60%,也算是很給力的成績了(中國知乎上貌似有數據說是提升200%,不知這個資料是怎麼來的;另Geekbench 5多核心測試成績有將近80%的性能提升)。從NoteBookCheck的測試資料來看,MacBook Air 2020的Core i5版持續性能表現出乎意料得穩定,CineBench R15測試首輪448分,在後續幾十輪的持續測試中,期間有掉到363分的最低分,但最終也基本穩定在390~400分(MacBook Pro 2019的Core i5款持續性能比它高61%),這個穩定程度在Ultrabook中還是不錯的。[11]

不過這個成績相較Core低壓版U系列處理器還是有著相當大的差距,比如MacBook Pro 13吋。這裡放上2019款MacBook Pro 13吋(Core i5-8279U,第八代Core低壓處理器),以及我自己測試的Surface Laptop 3(Core i5-1035G7,第十代Core低壓處理器)成績對照。

GPU核心顯示卡部分其實也是這次提升的一個亮點,尤其Core i5版用上了滿血的64EU(不過考慮到Y系列超低壓處理器的TDP限制,我猜其繪圖性能應該還是會低於U系列的低壓版)。不過那些up主的資料感覺都偏離很大,而且也不標測試工具版本和測試環境。PC Watch給的資料是,Unigine Valley Benchmark 1.0測試中,2020 MacBook Air相比上一代平均訊框率提升將近1倍——這也基本符合我們對於這次Iris Plus提升的認知。在Max Tech的Geekbench 5 Metal測試中,2020 MacBook Air相比上一代得分大約有1.2倍的提升。

其實針對GPU,也很想加入Surface Laptop 3對照(就能看看同樣是滿血版G7,低壓版和超低壓版上的Iris Plus核心顯示卡有什麼差別了),不過這些媒體完全不說測試物件,比如測試API是否用的OpenGL,高畫質、抗鋸齒與否等,所以我也沒法測(而且我的測試也一向那麼那麼不嚴謹…)。不過從早前筆吧的第十代Core核心顯示卡測試來看,GPU性能提升的確很多,但實際使用卻沒有這麼給力,原因應該是當CPU也一同跑起來的時候,CPU和GPU會開始爭搶主記憶體資源,造成資料頻寬瓶頸——這在一些需要較多調度CPU的遊戲中就能體現出來。

這裡再多插一句,看到有人對比Unigine Heaven測試,2020 MacBook Air最終平均訊框率8.8幀,2019 MacBook Pro 13吋平均訊框率10.9幀。這個資料僅供參考,或與eDRAM,以及後者28W TDP有關。

如果只看CPU性能的話,即便和2019款MacBook Pro 13吋(配備Core i5-8279U)比,2020 MacBook Air都有著比較大的差距,兩者CineBench R20多核心性能差距在58~65%左右。

說白了,新款MacBook Air在性能上仍然是弱雞,只不過的確比上一版提升很多。與競爭產品比較的話,其性能和Surface Pro 7甚至都有較大差距,這兩者還都是被動散熱(MacBook Air的「被動」散熱打個引號);而價格其實還差不多。

超低壓CPU的發熱很低嗎?

在之前探討過低壓CPU的實質以後,我愈發覺得,其實超低壓和低壓CPU的區別,可能本質上也還是比較小的——只在於給了一個人為限制的TDP,便有了更小的基頻。如果不考慮功耗牆和溫度牆,那麼這兩者大概就僅剩I/O的那點差別了(未深入考察,純個人意見,別當真)。

從Max Tech的發熱測試來看,在2020 MacBook Air(Core i5版)跑CineBench R20的時候,四核心全開,短時睿頻可躥升至2.4~2.7GHz,此時的功率大約為13W(在Max Tech剛剛更新的測試中,據說功率可以一度達到26W,全核心在極短時間內達到更高頻率[9]。這還是超低壓CPU的節奏嗎???或者蘋果的確對其間限制做了改動);但似乎在極短時間內(具體多久不知道)就撞了溫度牆,CPU核心溫度很快躥升到了100℃,全核心便降到1.5GHz左右。

這個時候如果能有主動散熱來努力一把,那麼睿頻還是可以堅持更長時間的。只不過前面也提到了,MacBook Air如今的散熱設計比較奇特,那個獨立的小風扇依靠堅強的毅力來為散熱片吹風。

另外,MacBook輕薄版本(主要包括MacBook Air和MacBook Pro 13吋)在散熱設計上還一直有個傳統,即寧可降低頻率,也要讓風扇保持安靜。所以MacBook用戶應該會發現,風扇是幾乎不發出聲音的,這大概也算保證體驗的一種方案吧。有興趣的同學可以去看看Linus Tech Tips做的一個視訊「Macs are SLOWER than PCs. Here’s why.」[10],裡面提到了MacBook Pro在macOS系統下這種調節機制的特性(不過Linus Tech一直是著名果黑)。

似乎蘋果更相信,讓風扇盡可能保持低轉速,而在一定限度內犧牲性能,是一種可達成體驗加成的方式(其實我也這麼認為…)。實際上2020 MacBook Air的情況也很類似,即CineBench R20測試期間,所有核心全開,CPU核心溫度到100℃了,風扇轉速也才4,000RPM(全速是8,000RPM)——不過由於這風扇離CPU這麼遠,估計就算轉更快、效果也就那樣了。

而蘋果在Mac設備散熱上的黑歷史,也實在是一言難盡;也包括大尺寸的MacBook Pro行動工作站。實際上,蘋果在尋找散熱設計與極致輕薄間的平衡點時,指標始終在向後者偏移。或許在蘋果看來,如果那麼在意性能,為什麼不買台桌上型電腦呢?好像也有點道理。

OEM廠商的市場定位把戲

看看,MacBook Air性能和MacBook Pro 13吋還是存在實質上的差距的(更不用提螢幕亮度和色域覆蓋差別)。所以以更低的價格購買一台MacBook Air,並不能獲得MacBook Pro 13吋那樣的硬體水準,而且實際上,追求輕薄性的各位不妨去蘋果官網看一看MacBook Pro 13吋與MacBook Air在重量和厚度上的差別,這兩者不僅最厚處是一樣厚的,而且Pro只比Air稍重了一點點(當然Air還有楔形設計)…

在市場策略上,以Intel Core超低壓處理器(Y系列,MacBook Air)與低壓處理器(U系列,MacBook Pro 13吋)拉開性能差距,再加上前者散熱上的負最佳化(誤),這兩條線的產品不會存在性能上打架的情況。另外,如果今年MacBook Pro 13吋(或14吋)開始採用AMD Ryzen 4000處理器,則這種差距還能被進一步拉大。於是,MacBook Air成為名副其實Mac系列產品中性能最差的存在,優勢就是價格便宜。

從OEM廠商的層面做產品定位的明確差別,還有一例其實是微軟。Surface Pro的Core i5版不帶風扇,而Core i7版帶風扇——原本在低壓處理器這個層面上,Core i5和i7的性能差距是相當小的(除了這次核心顯示卡規模上選擇的差別),不過微軟在這個散熱抉擇間,硬生生讓i7比i5性能提了一檔,這才是讓選擇了Core i7的Surface Pro用戶真正感覺物有所值的一種方法…(至於i5,那就當時靜音體驗吧)花樣還真是多。

最後,提出本文的一些推論:

1.Book Air性能比2019 MacBook Pro仍然有著很大差距;

2.Book Air模具沒換,仍然用了2019款的設計;

3.如今MacBook Air的散熱設計是個悲劇,而且非常奇特(雖然有風扇,但CPU依然算是被動散熱);

4.相比上一代MacBook Air,2020 MacBook Air的CPU(多核心)性能提升至少60%,圖形運算力提升100%(實際可能沒有);

5.導購建議1:如果在意性能的話,不要考慮MacBook Air;如果在意輕薄性的話,也不要考慮MacBook Air,因為MacBook Pro 13吋其實和MacBook Air的厚度、重量差不多;

6.導購建議2:如果是舊版MacBook Air用戶,那麼十分推薦升級,因為這次的硬體提升十分給力;

7.導購建議3:不建議購買最低配Core i3款MacBook Air,因為i3款仍使用雙核心,而多加點錢就能用上四核心。

參考資料

[1]Intelligent Performance 10th Gen Intel® Core™ Processors Brief – Intel 

[2]MacBook Air 13″ Retina 2018 Teardown – iFixit 

[3]New macbook air fan cooling system doesn’t make sense – Reddit 

[4]聊聊無風扇的Surface Pro:性能比一般筆記本差多少? – 麵包板 

[5]The CHEAPEST MacBook is better than ever: Base model 2020 MacBook Air – Luke Miani 

[6]2020 MacBook Air Benchmarks & Thermal Throttling Tested! – Max Tech 

[7]「MacBook Air 2020」を一足早く開封。前モデルと性能を簡単に比較してみた – PC Watch 

[8]Intel Core i5-8210Y – Benchmark and Specs – cpu-monkey

[9]2019 vs 2020 MacBook Air – Every Difference Tested! – Max Tech 

[10]Macs are SLOWER than PCs. Here’s why. – Linus Tech Tips

[11]Apple MacBook Air 2020 Core i5 Review – The best MacBook you can get? – No – NoteBookCheck

 

 

本文為EDN China原創文章

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