ARM新一代多核技術(shù)可延長智能手機(jī)電池壽命

智能手機(jī)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(yīng)用處理器的CPU內(nèi)核將會如何發(fā)展？在CPU內(nèi)核領(lǐng)域占有絕對市場份額的英國ARM公司，公開了今后幾年內(nèi)的多核技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖。其戰(zhàn)略是通過組合使用大小各異的內(nèi)核，同時兼顧高性能和低功耗。而且，異質(zhì)內(nèi)核的并用將成為在移動領(lǐng)域引進(jìn)虛擬化技術(shù)的基礎(chǔ)。

智能手機(jī)及平板終端用CPU內(nèi)核開發(fā)商英國ARM公司2011年秋季發(fā)布的內(nèi)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(jī)的CPU內(nèi)核。在設(shè)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(nèi)核“Cortex-A8”相比，提高至約5倍注1）。

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

Cortex-A7內(nèi)核徹底實現(xiàn)了“環(huán)保運行”，并配備了許多移動領(lǐng)域一般并不需要的先進(jìn)技術(shù)和功能。包括虛擬化技術(shù)，用于主存儲器的ECC功能，以及40bit的物理地址擴(kuò)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(jī)的Cortex-A7中配備虛擬化技術(shù)等。為什么ARM公司要在Cortex-A7內(nèi)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(jìn)功能，是為了實現(xiàn)一項稱為“big.LITTLE”的技術(shù)，該技術(shù)可在未來的智能手機(jī)中兼顧高性能和低功耗這兩個完全相反的特性。這項技術(shù)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(nèi)核Cortex-A7與ARM公司性能最高的CPU內(nèi)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(nèi)核。

圖1
：2013年以后智能手機(jī)也將采用虛擬化技術(shù)

圖中是ARM公司的CPU內(nèi)核“Cortex-A”系列，在用于智能手機(jī)等便攜終端時的內(nèi)核數(shù)量以及內(nèi)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(shù)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(nèi)核——Cortex-A15來高速運行相關(guān)應(yīng)用。反之當(dāng)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(zhuǎn)移到管線更短、電力效率較高的CPU內(nèi)核——Cortex-A7中運行（圖2）注2）。

圖2：通過異構(gòu)多核實現(xiàn)節(jié)能的big.LITTLE技術(shù)

ARM公司的big.LITTLE技術(shù)將注重性能的“A15”與注重耗電量的“A7”這兩種CPU內(nèi)核分開使用，由此可降低耗電量。CPU負(fù)荷較低時，將OS等整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到A7內(nèi)核，并切斷A15內(nèi)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(yīng)用和OS轉(zhuǎn)移至其他內(nèi)核的判斷，與動態(tài)控制CPU內(nèi)核工作頻率與電源電壓的“DVFS（Dynamic Voltage And Frequency Scaling）”以相同的原理進(jìn)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(zhuǎn)移系統(tǒng)。無法從軟件看到內(nèi)核的切換。另外，big.LITTLE技術(shù)可實現(xiàn)同時持續(xù)驅(qū)動異質(zhì)內(nèi)核的SMP利用方式。

在big.LITTLE技術(shù)中，兩種內(nèi)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。