用智能多核設(shè)計(jì)改善安卓設(shè)備的性能和功耗

　　摘要: 基于博通推出的新四核(2+2)智能手機(jī)平臺(tái)，本文詳細(xì)闡述了多核移動(dòng)設(shè)備的性能未必是所有器件性能之和的研發(fā)理念。

　　談到計(jì)算，尤其是中央處理單元(CPU)，多核有優(yōu)勢(shì)的看法在公眾意識(shí)中已經(jīng)根深蒂固了。從單核、雙核到四核以及更多內(nèi)核的進(jìn)步并未引起人們的憂慮，大眾認(rèn)可這是技術(shù)升級(jí)的必然過程，這種觀念在很大程度上是因PC市場(chǎng)的影響而形成的，同時(shí)，期望性能穩(wěn)步提高也是一個(gè)原因。多核已經(jīng)成為一個(gè)市場(chǎng)宣傳點(diǎn)，是引導(dǎo)消費(fèi)者購(gòu)買決策的關(guān)鍵，在我們這個(gè)世界上，隨著互連變得越來越普及、便攜性逐漸達(dá)到極致，多核有優(yōu)勢(shì)的看法已經(jīng)延伸到了移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域。不過，核越多就越好嗎?我認(rèn)為，而且測(cè)試也將顯示，對(duì)于主流安卓應(yīng)用情況而言，實(shí)際上，采用更先進(jìn)的、專門開發(fā)的內(nèi)核架構(gòu)，再結(jié)合低功率硬件加速器，可以產(chǎn)生性能更高、功率更低的解決方案，而且能滿足甚至超過最終用戶的預(yù)期。

　　用智能內(nèi)核提高性能

　　無論最終用戶有什么樣的看法，在特定使用情況下的性能都是由設(shè)備中采用的所有技術(shù)合起來決定的，須通盤考慮系統(tǒng)架構(gòu)、存儲(chǔ)器可用帶寬、延遲和圖形處理單元(GPU)硬件，才有可能提供最高性能。工程師們都會(huì)同意，使用更加智能的內(nèi)核是平衡移動(dòng)設(shè)備所有要求的關(guān)鍵，例如平衡視頻性能、圖像處理和功耗要求。通過采用智能的雙核解決方案，同時(shí)采用為卸載某些高性能任務(wù)而開發(fā)的處理器，相對(duì)于具有可比性的四核解決方案，設(shè)備可以更加便利地提供全面平衡的性能。在很多情況下，定制的雙核解決方案在運(yùn)行時(shí)，還可以提供充足的峰值儲(chǔ)備，以允許靈活處理新的移動(dòng)任務(wù)和應(yīng)用，同時(shí)既不超過功率預(yù)算，又不減少設(shè)備的總體待機(jī)或通話時(shí)間。

　　另外，所有芯片都是不一樣的。ARM處理器可以提供面向安卓設(shè)備的CPU基本構(gòu)件，但是制造商憑借技術(shù)領(lǐng)先地位和多年研發(fā)積累的經(jīng)驗(yàn)，可以進(jìn)行大量修改，從而實(shí)現(xiàn)差異化性能。

　　評(píng)估真實(shí)的移動(dòng)性能

　　我們也應(yīng)該周密地考慮智能手機(jī)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。Quadrant或Antutu等CPU基準(zhǔn)測(cè)試的目的是，充分利用所有CPU內(nèi)核，在這類測(cè)試中，四核CPU的測(cè)試得分高于雙核CPU。不過，在實(shí)際使用智能手機(jī)時(shí)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于一個(gè)以1.2GHz運(yùn)行的雙核ARM A9 CPU，在各種不同的智能手機(jī)使用情況下，第二個(gè)CPU內(nèi)核的平均利用率僅為21%。這證實(shí)，對(duì)某些架構(gòu)而言，更多的CPU內(nèi)核(超過兩個(gè))不會(huì)直接轉(zhuǎn)換成用戶體驗(yàn)的提升，或者不會(huì)轉(zhuǎn)換成更高的實(shí)際性能，因?yàn)檫@些多出來的內(nèi)核處于閑置狀態(tài)。

　　最重要的是，這些雙核CPU的性能數(shù)字顯示，在大部分移動(dòng)設(shè)備使用情況下，CPU都遠(yuǎn)未達(dá)到其峰值處理能力。在一些更具挑戰(zhàn)性的使用情況下，例如視頻錄制，處理器實(shí)際上不到10%的總體負(fù)載。　　

 

　　卸載可以提高處理性能

　　在這些情況下，CPU加載較輕的原因是，大部分復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)都卸載到了設(shè)備的定制硬件中，包括高性能GPU和雙矢量處理單元(VPU)。由于將任務(wù)從CPU卸載下來，因此提高了性能、降低了功耗，釋放的CPU周期可用于在主內(nèi)核上運(yùn)行的增值應(yīng)用。

　　例如，博通的新概念四核(2 + 2)架構(gòu)具備向GPU和VPU卸載任務(wù)的智能卸載功能，這些富有創(chuàng)意的節(jié)能功能可實(shí)現(xiàn)高性能，例如實(shí)現(xiàn)高達(dá)1080p的高清視頻、支持高達(dá)4200萬像素的相機(jī)解決方案。這種卸載可降低功耗，釋放的CPU可用于多種應(yīng)用，還可以越來越緊密地將用戶體驗(yàn)與包括軟硬件在內(nèi)的單芯片系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，而不是僅與CPU相聯(lián)系。隨著安卓系統(tǒng)一代一代向前發(fā)展，業(yè)界也會(huì)看到，這類卸載方法會(huì)越來越多。

　　為了更清晰地說明卸載這件事，我們測(cè)試了基于領(lǐng)先的四核A9的智能手機(jī)和博通的新概念四核(2 + 2)BCM28155，并寫了一個(gè)簡(jiǎn)要介紹，以理解在幾種常見的圖像處理情況下，峰值和平均CPU利用率。在大多數(shù)使用情況下，CPU利用率都非常低，從用戶角度來看，在新概念四核(2+2)與四核A9 CPU之間，沒有哪一個(gè)有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。這些使用情況顯示，在四個(gè)A9 CPU內(nèi)核中，有兩個(gè)極少或根本沒有使用，博通的新概念四核(雙A9 + 雙VPU)解決方案實(shí)現(xiàn)了更低的總體功耗。

　　多核處理僅對(duì)小部分使用情況有顯著影響。實(shí)際上，在雙核系統(tǒng)中，大量使用第二個(gè)處理器的實(shí)例幾乎沒有。類似地，四 核架構(gòu)中的第三個(gè)和第四個(gè)處理器也常常處于閑置狀態(tài)。

　　公平地說，在有些實(shí)例中，四核處理器可以提高性能，這類例子大多數(shù)是在進(jìn)行多媒體密集型處理，例如視頻編緝、轉(zhuǎn)碼、面部識(shí)別或3D立體聲游戲。盡管這類例子可以配置為使用四核處理器，但是在大多數(shù)情況下，諸如博通的新概念四核解決方案也可以有效卸載主處理器任務(wù)，實(shí)現(xiàn)低得多的功耗和高得多的吞吐量。

　　例如，高端游戲使用情況可以受益于四核CPU，但是熱量限制可能使四核A9與GPU無法同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間以很高的利用率運(yùn)行。隨著SoC芯片溫度的升高，泄漏功率也會(huì)增大，這實(shí)際上降低了CPU和GPU內(nèi)核的總體可用有效功率預(yù)算。

　　基于GPU的架構(gòu)在安卓設(shè)備中占據(jù)核心位置

　　手機(jī)制造商嚴(yán)重依賴原始應(yīng)用處理能力，這導(dǎo)致他們的設(shè)備一般功耗更大、電池壽命更短、圖形功能更弱。隨著安卓向以GPU為中心的架構(gòu)轉(zhuǎn)變，開發(fā)人員對(duì)于性能的側(cè)重點(diǎn)也必須隨之改變。

　　實(shí)際上，今天基于安卓的設(shè)備從四核架構(gòu)獲得的優(yōu)勢(shì)很小，事實(shí)上，這類設(shè)備還有很大的峰值性能儲(chǔ)備可用，不過這要以增大尺寸和功耗為代價(jià)。目前，即使在活動(dòng)密集或頻繁使用時(shí)，大多數(shù)應(yīng)用處理器內(nèi)核的負(fù)載仍然非常輕，第三個(gè)和第四個(gè)內(nèi)核常常處于閑置狀態(tài)。未來，設(shè)備開發(fā)人員必須考慮，怎樣更好地平衡設(shè)備的性能和處理能力，這樣，就不必為了能在其設(shè)備市場(chǎng)宣傳材料上鉤選“四核”復(fù)選框，而犧牲電池壽命了。