兼顧處理器效能與功耗　大小核設(shè)計(jì)架構(gòu)突起

圖4 big.LITTLE切換模式DVFS曲線(xiàn)圖

big.LITTLE MP支援非對(duì)稱(chēng)叢集運(yùn)作

至于big.LITTLE MP模式則進(jìn)一步將軟體堆疊分配到兩個(gè)叢集中各個(gè)處理器，如此一來(lái)，所有CPU皆可同時(shí)運(yùn)作，將系統(tǒng)效能提升到最高點(diǎn)。

由于big.LITTLE系統(tǒng)可經(jīng)由CCI-400達(dá)到快取記憶體的一致性，因此有另一種模式能讓Cortex-A15及Cortex-A7處理器同時(shí)運(yùn)作并同步執(zhí)行程式碼，稱(chēng)為big.LITTLE MP，基本上可看作一種異質(zhì)性多工處理模型。這是big.LITTLE系統(tǒng)最先進(jìn)且最具彈性的模式，能跨越兩個(gè)叢集調(diào)整單一執(zhí)行環(huán)境。

在這種使用模式下，若執(zhí)行緒有上述處理效能方面的需求，便可開(kāi)啟Cortex-A15處理器核心并同時(shí)透過(guò)Cortex-A7處理器核心執(zhí)行任務(wù)。如果沒(méi)有這方面需求，則只須開(kāi)啟Cortex-A7處理器，在實(shí)際應(yīng)用上，不同叢集的處理器核心不一定一致，而big.LITTLE MP比較容易支援非對(duì)稱(chēng)的叢集。

調(diào)降低頻運(yùn)算多余功耗　big.LITTLE嶄露頭角

big.LITTLE技術(shù)之所以受到IC設(shè)計(jì)業(yè)者矚目，原因就是一般行動(dòng)工作量對(duì)效能的需求各有不同，必須找到最合適的核心處理。圖5顯示的是目前搭載Cortex-A9的行動(dòng)裝置中，兩個(gè)核心在DVFS、閑置與完全關(guān)機(jī)狀態(tài)下所花費(fèi)時(shí)間的百分比，(a)處代表最高頻率操作點(diǎn);(b)處則代表最低頻率操作點(diǎn)，介于兩者之間則屬中級(jí)頻率。

圖5 big.LITTLE切換模式DVFS曲線(xiàn)圖

除DVFS狀態(tài)，作業(yè)系統(tǒng)電源管理也會(huì)使中央處理器閑置，圖中(c)處代表閑置時(shí)間，當(dāng)CPU閑置的時(shí)間夠長(zhǎng)，系統(tǒng)電源控制軟體將完全關(guān)閉其中一個(gè)核心以節(jié)省耗電，圖中(d)處便代表這部分。

從圖5可清楚看出應(yīng)用程式處理器在好幾種普通工作量下，都有相當(dāng)多時(shí)間處于低頻率狀態(tài)，在big.LITTLE系統(tǒng)里，系統(tǒng)單晶片(SoC)可利用耗能較低的Cortex-A7核心，執(zhí)行最高操作頻率以外的所有工作。以相同方式分析更為密集的工作量，Cortex-A7處理器對(duì)應(yīng)出低于1GHz頻率的機(jī)會(huì)仍然很大。

事實(shí)上，自2011年起，使用者層級(jí)軟體已能在big.LITTLE排程上運(yùn)轉(zhuǎn)，不過(guò)，那只是在處理器核心與互聯(lián)的軟體模型環(huán)境上發(fā)展。為完整評(píng)估big.LITTLE系統(tǒng)效能、功耗及調(diào)校是否合宜，還須打造一個(gè)能讓使用者軟體全速運(yùn)轉(zhuǎn)的測(cè)試晶片。

ARM測(cè)試晶片早在2012年初夏即由晶圓代工廠完成，并在短短幾周內(nèi)開(kāi)始搭配參考設(shè)計(jì)板運(yùn)轉(zhuǎn)，支援完整版的Linux系統(tǒng)及Android 4.0作業(yè)系統(tǒng)。這個(gè)測(cè)試晶片包含一個(gè)雙核心Cortex-A15叢集、一個(gè)三核心Cortex-A7叢集，以及CCI-400快取一致匯流排架構(gòu)。會(huì)影響部分使用者評(píng)效基準(zhǔn)的繪圖處理器并不包括在內(nèi)，但平臺(tái)仍可支援Linux、Android作業(yè)系統(tǒng)與效能測(cè)試軟體。

測(cè)試晶片的Cortex-A15最高頻率達(dá)1.2GHz，Cortex-A7則為1GHz。效能評(píng)析結(jié)果顯示，雖然測(cè)試晶片上的記憶體系統(tǒng)效能不如 big.LITTLE SoC量產(chǎn)后的預(yù)測(cè)水準(zhǔn)，但Cortex-A15與Cortex-A7中央處理器的效能仍落在預(yù)期范圍內(nèi)。

用來(lái)測(cè)試big.LITTLE效能的任務(wù)量，主要基于Android 4.0系統(tǒng)，透過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行網(wǎng)路瀏覽器效能循環(huán)，背景則有音效播放。在此實(shí)例中均以相當(dāng)密集的工作量搭配對(duì)性能需求不高的背景活動(dòng)，網(wǎng)路瀏覽器每2秒便進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)循環(huán)，每頁(yè)卷動(dòng)達(dá)500畫(huà)素，因此對(duì)系統(tǒng)效能需求相對(duì)較高。

這組結(jié)論屬于較早期的測(cè)試結(jié)果，用來(lái)測(cè)試初版big.LITTLE MP修正程式組，將Linux排程程式從一個(gè)完整而平衡的排程模式調(diào)整成big.LITTLE模式。預(yù)期未來(lái)在更多業(yè)者投入軟體修正后，效能與能耗將更進(jìn)一步改善，而其他可調(diào)校的部分也將有相關(guān)解決方案被提出。

另外，測(cè)試晶片缺少GPU，使CPU的負(fù)載高過(guò)搭載GPU系統(tǒng)在卸載狀態(tài)下的負(fù)載水準(zhǔn)，而在CPU負(fù)載較低的狀況下，可能會(huì)較常使用LITTLE核心，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。它包含一套基本的電壓及頻率操作點(diǎn)，但沒(méi)有對(duì)單一處理器核心做獨(dú)立的電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，因此big.LITTLE系統(tǒng)單晶片量產(chǎn)后測(cè)試結(jié)果可望提升。舉例來(lái)說(shuō)，后臺(tái)任務(wù)效能便可節(jié)省超過(guò)70%能耗。

big.LITTLE MP模式下半年出爐

IC設(shè)計(jì)業(yè)者正全力投入big.LITTLE開(kāi)發(fā)，然而，各界最常見(jiàn)的疑問(wèn)就是應(yīng)選擇哪一種軟體模式?目前主要是在CPU切換與big.LITTLE MP之間擇一，而兩種方式各有正反意見(jiàn)。在CPU切換方面，由于big及LITTLE核心處于搭配成對(duì)的狀態(tài)，因此對(duì)稱(chēng)式的拓?fù)淠茼槙尺\(yùn)作;而big及 LITTLE核心數(shù)量不同的非對(duì)稱(chēng)式拓?fù)鋭t須額外的運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于Cortex-A7中央處理器核心體積較小，因此可使用四個(gè)LITTLE核心加上一到兩個(gè)big核心，這種作法可能會(huì)具有吸引力。從正面角度來(lái)看，中央處理器切換讓電源及效能的調(diào)校更為容易，可重復(fù)利用既有的作業(yè)系統(tǒng)電源管理程式碼，代表實(shí)作將有多年的研發(fā)及測(cè)試結(jié)果作為支援。加上不必調(diào)整核心排程程式，范圍比執(zhí)行big.LITTLE MP模式更為簡(jiǎn)化，而軟體模式也能日趨成熟。

整體而言，CPU切換是一種極佳解決方案，2013上半年后可望進(jìn)入量產(chǎn)，相關(guān)IC設(shè)計(jì)業(yè)者亦正研擬升級(jí)至big.LITTLE MP模式，以提供更多元的處理器運(yùn)算解決方案。big.LITTLE MP具有多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，雖技術(shù)尚未完全成熟，但目前的測(cè)試結(jié)果已相當(dāng)不錯(cuò)。由于此模式也支援非對(duì)稱(chēng)式拓?fù)洌饰沩氄{(diào)整軟體即可完全利用系統(tǒng)中所有核心，對(duì)提升晶片效能并降低功耗更有利。

舉例來(lái)說(shuō)，big.LITTLE MP能同步利用所有核心在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高效能，或?qū)ig與LITTLE核心上的DVFS設(shè)定與排程程式設(shè)定調(diào)成不同狀態(tài)，以節(jié)省更多電力。不過(guò)彈性提升仍有其代價(jià)，晶片商與系統(tǒng)業(yè)者均須增加調(diào)校動(dòng)作，才能從big.LITTLE MP平臺(tái)獲取完整的效能及能耗優(yōu)勢(shì)。

這與過(guò)去一直為主流，由晶片和晶圓代工廠將作業(yè)系統(tǒng)能源管理設(shè)定，以及DVFS參數(shù)資料，依裝置需求轉(zhuǎn)化為行動(dòng)系統(tǒng)單晶片平臺(tái)的作法并無(wú)太大差異。 big.LITTLE MP模式將切換模式延伸并納入新的參數(shù)資料，不僅更為節(jié)能，更能為經(jīng)過(guò)效能優(yōu)化的big核心增加系統(tǒng)回應(yīng)度。