用智能多核設計改善安卓設備的性能和功耗

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

　　談到計算，尤其是中央處理單元(CPU)，多核有優(yōu)勢的看法在公眾意識中已經(jīng)根深蒂固了。從單核、雙核到四核以及更多內核的進(jìn)步并未引起人們的憂(yōu)慮，大眾認可這是技術(shù)升級的必然過(guò)程，這種觀(guān)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)，是引導消費者購買(mǎi)決策的關(guān)鍵，在我們這個(gè)世界上，隨著(zhù)互連變得越來(lái)越普及、便攜性逐漸達到極致，多核有優(yōu)勢的看法已經(jīng)延伸到了移動(dòng)設備領(lǐng)域。不過(guò)，核越多就越好嗎?我認為，而且測試也將顯示，對于主流安卓應用情況而言，實(shí)際上，采用更先進(jìn)的、專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的內核架構，再結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(mǎn)足甚至超過(guò)最終用戶(hù)的預期。

　　用智能內核提高性能

　　無(wú)論最終用戶(hù)有什么樣的看法，在特定使用情況下的性能都是由設備中采用的所有技術(shù)合起來(lái)決定的，須通盤(pán)考慮系統架構、存儲器可用帶寬、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，使用更加智能的內核是平衡移動(dòng)設備所有要求的關(guān)鍵，例如平衡視頻性能、圖像處理和功耗要求。通過(guò)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(kāi)發(fā)的處理器，相對于具有可比性的四核解決方案，設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行時(shí)，還可以提供充足的峰值儲備，以允許靈活處理新的移動(dòng)任務(wù)和應用，同時(shí)既不超過(guò)功率預算，又不減少設備的總體待機或通話(huà)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備的CPU基本構件，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，可以進(jìn)行大量修改，從而實(shí)現差異化性能。

　　評估真實(shí)的移動(dòng)性能

　　我們也應該周密地考慮智能手機的衡量標準。Quadrant或Antutu等CPU基準測試的目的是，充分利用所有CPU內核，在這類(lèi)測試中，四核CPU的測試得分高于雙核CPU。不過(guò)，在實(shí)際使用智能手機時(shí)，所測得的數據顯示，對于一個(gè)以1.2GHz運行的雙核ARM A9 CPU，在各種不同的智能手機使用情況下，第二個(gè)CPU內核的平均利用率僅為21%。這證實(shí)，對某些架構而言，更多的CPU內核(超過(guò)兩個(gè))不會(huì )直接轉換成用戶(hù)體驗的提升，或者不會(huì )轉換成更高的實(shí)際性能，因為這些多出來(lái)的內核處于閑置狀態(tài)。

　　最重要的是，這些雙核CPU的性能數字顯示，在大部分移動(dòng)設備使用情況下，CPU都遠未達到其峰值處理能力。在一些更具挑戰性的使用情況下，例如視頻錄制，處理器實(shí)際上不到10%的總體負載?！　?/p>

 

　　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，大部分復雜的系統任務(wù)都卸載到了設備的定制硬件中，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(lái)，因此提高了性能、降低了功耗，釋放的CPU周期可用于在主內核上運行的增值應用。

　　例如，博通的新概念四核(2 + 2)架構具備向GPU和VPU卸載任務(wù)的智能卸載功能，這些富有創(chuàng )意的節能功能可實(shí)現高性能，例如實(shí)現高達1080p的高清視頻、支持高達4200萬(wàn)像素的相機解決方案。這種卸載可降低功耗，釋放的CPU可用于多種應用，還可以越來(lái)越緊密地將用戶(hù)體驗與包括軟硬件在內的單芯片系統的總體設計聯(lián)系起來(lái)，而不是僅與CPU相聯(lián)系。隨著(zhù)安卓系統一代一代向前發(fā)展，業(yè)界也會(huì )看到，這類(lèi)卸載方法會(huì )越來(lái)越多。

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

　　多核處理僅對小部分使用情況有顯著(zhù)影響。實(shí)際上，在雙核系統中，大量使用第二個(gè)處理器的實(shí)例幾乎沒(méi)有。類(lèi)似地，四 核架構中的第三個(gè)和第四個(gè)處理器也常常處于閑置狀態(tài)。

　　公平地說(shuō)，在有些實(shí)例中，四核處理器可以提高性能，這類(lèi)例子大多數是在進(jìn)行多媒體密集型處理，例如視頻編緝、轉碼、面部識別或3D立體聲游戲。盡管這類(lèi)例子可以配置為使用四核處理器，但是在大多數情況下，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(wú)法同時(shí)長(cháng)時(shí)間以很高的利用率運行。隨著(zhù)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內核的總體可用有效功率預算。

　　基于GPU的架構在安卓設備中占據核心位置

　　手機制造商嚴重依賴(lài)原始應用處理能力，這導致他們的設備一般功耗更大、電池壽命更短、圖形功能更弱。隨著(zhù)安卓向以GPU為中心的架構轉變，開(kāi)發(fā)人員對于性能的側重點(diǎn)也必須隨之改變。

　　實(shí)際上，今天基于安卓的設備從四核架構獲得的優(yōu)勢很小，事實(shí)上，這類(lèi)設備還有很大的峰值性能儲備可用，不過(guò)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)，大多數應用處理器內核的負載仍然非常輕，第三個(gè)和第四個(gè)內核常常處于閑置狀態(tài)。未來(lái)，設備開(kāi)發(fā)人員必須考慮，怎樣更好地平衡設備的性能和處理能力，這樣，就不必為了能在其設備市場(chǎng)宣傳材料上鉤選“四核”復選框，而犧牲電池壽命了。