ARM新一代多核技術可延長智能手機電池壽命

智能手機和平板終端配備雙核與四核處理器已成為一種趨勢。新一代應用處理器的CPU內核將會如何發(fā)展？在CPU內核領域占有絕對市場份額的英國ARM公司，公開了今后幾年內的多核技術發(fā)展藍圖。其戰(zhàn)略是通過組合使用大小各異的內核，同時兼顧高性能和低功耗。而且，異質內核的并用將成為在移動領域引進虛擬化技術的基礎。

智能手機及平板終端用CPU內核開發(fā)商英國ARM公司2011年秋季發(fā)布的內核“Cortex-A7”，配備了很多乍一看有些奇特的功能。

Cortex-A7是一款用于100美元以下低價位智能手機的CPU內核。在設計時最注重降低耗電量和成本，因此其電力效率與美國蘋果公司“iPhone 4”中配備的ARM現(xiàn)有CPU內核“Cortex-A8”相比，提高至約5倍注1）。

注1）ARM公司Cortex系列產品名稱中的數(shù)字，代表該CPU內核的相對性能。而不是像蘋果公司的應用處理器“A4”和“A5”那樣，代表發(fā)布順序和產品工藝。

Cortex-A7內核徹底實現(xiàn)了“環(huán)保運行”，并配備了許多移動領域一般并不需要的先進技術和功能。包括虛擬化技術，用于主存儲器的ECC功能，以及40bit的物理地址擴展（LPAE：Large Physical Address Extensions）等。

即使為了徹底提高電力效率、削減電路面積，也沒有必要在用于低價位智能手機的Cortex-A7中配備虛擬化技術等。為什么ARM公司要在Cortex-A7內核中配備這些功能呢？

兼顧高性能和低功耗

之所以在Cortex-A7中大量配備先進功能，是為了實現(xiàn)一項稱為“big.LITTLE”的技術，該技術可在未來的智能手機中兼顧高性能和低功耗這兩個完全相反的特性。這項技術是ARM公司在發(fā)布Cortex-A7的同時推出的，將注重電力效率的內核Cortex-A7與ARM公司性能最高的CPU內核“Cortex-A15”組合使用（見圖1）。正如字面意思一樣，同時采用了性能不同的“大小”兩種內核。

圖1
：2013年以后智能手機也將采用虛擬化技術

圖中是ARM公司的CPU內核“Cortex-A”系列，在用于智能手機等便攜終端時的內核數(shù)量以及內核種類等。由本雜志根據(jù)ARM公司的資料制作而成。

big.LITTLE技術可根據(jù)電力和性能等情況，將Cortex-A15和Cortex-A7動態(tài)地分開使用。比如，像瀏覽器的屏幕渲染等需要高性能時，就會通過并行性較高、擁有較長管線的CPU內核——Cortex-A15來高速運行相關應用。反之當收發(fā)郵件等不需要太高性能時，則會切斷Cortex-A15的電源，將整個系統(tǒng)轉移到管線更短、電力效率較高的CPU內核——Cortex-A7中運行（圖2）注2）。

圖2：通過異構多核實現(xiàn)節(jié)能的big.LITTLE技術

ARM公司的big.LITTLE技術將注重性能的“A15”與注重耗電量的“A7”這兩種CPU內核分開使用，由此可降低耗電量。CPU負荷較低時，將OS等整個系統(tǒng)轉移到A7內核，并切斷A15內核的電源（a、b）。由本雜志根據(jù)ARM公司的資料制作而成。

注2）在何時將某個應用和OS轉移至其他內核的判斷，與動態(tài)控制CPU內核工作頻率與電源電壓的“DVFS（Dynamic Voltage And Frequency Scaling）”以相同的原理進行。如果Cortex-A15F的電源電壓和工作頻率降至下限，就會啟動Cortex-A7并轉移系統(tǒng)。無法從軟件看到內核的切換。另外，big.LITTLE技術可實現(xiàn)同時持續(xù)驅動異質內核的SMP利用方式。

在big.LITTLE技術中，兩種內核間采用的SoC上的電源域（區(qū)域）和晶體管也不同。Cortex-A7的電路區(qū)域采用閾值電壓較高的晶體管，通過降低電源電壓來減少工作電流和漏電流。而Cortex-A15的電路區(qū)域則采用閾值電壓較低的晶體管，通過提高電源電壓來追求性能。