ARM新一代多核技術(shù)可延長(cháng)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(huì )如何發(fā)展？在CPU內核領(lǐng)域占有絕對市場(chǎng)份額的英國ARM公司，公開(kāi)了今后幾年內的多核技術(shù)發(fā)展藍圖。其戰略是通過(guò)組合使用大小各異的內核，同時(shí)兼顧高性能和低功耗。而且，異質(zhì)內核的并用將成為在移動(dòng)領(lǐng)域引進(jìn)虛擬化技術(shù)的基礎。

智能手機及平板終端用CPU內核開(kāi)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(jià)位智能手機的CPU內核。在設計時(shí)最注重降低耗電量和成本，因此其電力效率與美國蘋(píng)果公司“iPhone 4”中配備的ARM現有CPU內核“Cortex-A8”相比，提高至約5倍注1）。

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

Cortex-A7內核徹底實(shí)現了“環(huán)保運行”，并配備了許多移動(dòng)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(méi)有必要在用于低價(jià)位智能手機的Cortex-A7中配備虛擬化技術(shù)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(jìn)功能，是為了實(shí)現一項稱(chēng)為“big.LITTLE”的技術(shù)，該技術(shù)可在未來(lái)的智能手機中兼顧高性能和低功耗這兩個(gè)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(shí)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(jiàn)圖1）。正如字面意思一樣，同時(shí)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(shù)

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(shí)的內核數量以及內核種類(lèi)等。由本雜志根據ARM公司的資料制作而成。

big.LITTLE技術(shù)可根據電力和性能等情況，將Cortex-A15和Cortex-A7動(dòng)態(tài)地分開(kāi)使用。比如，像瀏覽器的屏幕渲染等需要高性能時(shí)，就會(huì )通過(guò)并行性較高、擁有較長(cháng)管線(xiàn)的CPU內核——Cortex-A15來(lái)高速運行相關(guān)應用。反之當收發(fā)郵件等不需要太高性能時(shí)，則會(huì )切斷Cortex-A15的電源，將整個(gè)系統轉移到管線(xiàn)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(guò)異構多核實(shí)現節能的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內核分開(kāi)使用，由此可降低耗電量。CPU負荷較低時(shí)，將OS等整個(gè)系統轉移到A7內核，并切斷A15內核的電源（a、b）。由本雜志根據ARM公司的資料制作而成。

注2）在何時(shí)將某個(gè)應用和OS轉移至其他內核的判斷，與動(dòng)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(jìn)行。如果Cortex-A15F的電源電壓和工作頻率降至下限，就會(huì )啟動(dòng)Cortex-A7并轉移系統。無(wú)法從軟件看到內核的切換。另外，big.LITTLE技術(shù)可實(shí)現同時(shí)持續驅動(dòng)異質(zhì)內核的SMP利用方式。

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