兼顧處理器效能與功耗　大小核設計架構突起

大小核(big.LITTLE)晶片設計架構正快速崛起。在安謀國際(ARM)力推下，處理器業(yè)者已開(kāi)始大量導入big.LITTLE設計架構，期將不同運算任務(wù)分配到最合適的核心處理，藉此發(fā)揮最佳效能與節能效果，助力行動(dòng)裝置制造商打造更吸晴的產(chǎn)品。

big.LITTLE晶片設計架構將快速崛起。ARM與全球IC設計業(yè)者正積極合作推廣big.LITTLE技術(shù)，預期今年下半年將有大量基于此架構的行動(dòng)處理器問(wèn)世;其透過(guò)將各種運算任務(wù)分配到最合適的核心做處理，藉此發(fā)揮最佳效能與節能效果，有助打造下世代行動(dòng)裝置。

近年行動(dòng)領(lǐng)域出現重大變革，智慧型手機已成為消費者聯(lián)網(wǎng)生活的主要工具，然而，這其中涉及各種高效能運算任務(wù)如高速網(wǎng)頁(yè)瀏覽、導航與游戲，以及語(yǔ)音通話(huà)、社群網(wǎng)路和電子郵件服務(wù)等效能需求較低的「持續運作，永遠連線(xiàn)」后臺任務(wù)。

與此同時(shí)，平板裝置也正重新定義運算平臺，這些創(chuàng )新設計轉變均為消費者打造與內容互動(dòng)的全新方式，將原本只限于網(wǎng)路共享裝置(Tethered Device)的功能導入行動(dòng)領(lǐng)域，創(chuàng )造出真正的智慧型新世代運算。

兼顧晶片效能與功耗　big.LITTLE架構崛起

因應電子裝置快速變革，半導體摩爾定律(Moore’s Law)又將如何往下發(fā)展?過(guò)去預測晶片效能每隔18個(gè)月就會(huì )倍增，直到電晶體數量從數千增加到數十億個(gè)，但若仔細觀(guān)察單一處理器，就會(huì )發(fā)現效能幾乎停滯不前，這是因為系統能消耗的電量已達到高峰。

對于未來(lái)任何一種處理器，處理速度都將受限于散熱問(wèn)題而無(wú)法大幅躍進(jìn)。任何裝置一旦達到熱障(Thermal Barrier)就會(huì )開(kāi)始融化，如果是行動(dòng)電話(huà)，便會(huì )使裝置溫度上升造成使用者不適。除物理層面的散熱問(wèn)題外，能源效率也會(huì )變得相當差，若調校處理器實(shí)作使其速度加快，則所需耗能便會(huì )倍數增長(cháng)，而為增加最后這一丁點(diǎn)的效能，后續導熱設計的成本真的很高。

在過(guò)去，處理器核心面積倍增代表速度倍增，但是現在面積倍增，速度卻只增加幾個(gè)百分點(diǎn)，因此復雜度并不代表有效率，這就是單一核心系統有所限制的原因之一。如果無(wú)法加快單一核心速度，就必須增加獨立核心的數量，這也有助于每個(gè)核心去應對其被分配到的任務(wù)需求，有鑒于此，安謀國際(ARM)遂于2012 年提出big.LITTLE處理器架構(圖1)。

圖1 big.LITTLE系統結構示意圖

big.LITTLE主要目的在于解決IC設計業(yè)界眼前最大挑戰，也就是同時(shí)提升晶片效能、并延長(cháng)裝置續航力，以延伸消費者「持續運作，永遠連線(xiàn)」的行動(dòng)體驗。該技術(shù)之所以能達成上述目標，系結合一個(gè)大(big)的高效能處理器核心與一個(gè)小(LITTLE)的低功耗處理器核心，然后根據效能需求，以無(wú)縫連接方式選擇合適的處理器。更重要的是，這種動(dòng)態(tài)分配任務(wù)的動(dòng)作，對于上層應用軟體或中介軟體在處理器上的執行絲毫沒(méi)有任何影響。

目前已應用于市面上行動(dòng)裝置的big.LITTLE設計，結合高效能Cortex-A15多處理器叢集(Cluster)與具有節能特色的 Cortex-A7多處理器叢集。這些處理器在架構上百分之百相容，且均支援40位元實(shí)體地址擴展LPAE、虛擬化擴充及NEON、VFP之類(lèi)的運作單元，無(wú)須另外調整即可讓針對其中一種處理器類(lèi)型所編譯的軟體應用程式，順利于另一款處理器上運作。

因應任務(wù)需求　處理器核心無(wú)縫切換

big.LITTLE系統結構就快取記憶體一致性(Cache Coherency)的維護而言，無(wú)論是同一處理器叢集中的快取記憶體，或是跨不同處理器叢集的快取記憶體，皆保持快取記憶體資料的一致性。這種跨叢集的一致性來(lái)自ARM CoreLink快取同調匯流架構(CCI-400，也能提供ARM Mali-T604之類(lèi)的繪圖處理器(GPU)系統等元件的I/O一致性)。

兩種叢集的中央處理器，還可透過(guò)CoreLink GIC-400之類(lèi)的共用中斷控制器互傳訊號。其中，系統包含big.LITTLE切換和big.LITTLE MP(Multiple-Processor)兩種執行模式，由于同一應用程式可采用Cortex-A7或Cortex-A15而毋須調整，因此可將應用程式的任務(wù)隨機對應到正確的處理器上。

切換模式是讓不同處理器類(lèi)型在切換時(shí)能進(jìn)行軟體內容的擷取與回覆。以CPU切換來(lái)說(shuō)，叢集中每個(gè)CPU在另一個(gè)叢集中都有對應的CPU，而軟體內容則以CPU為單位，隨機在不同的叢集間切換;如果叢集中沒(méi)有正在運轉的CPU，便可關(guān)閉整個(gè)叢集及相關(guān)的L2快取。

同時(shí)，此模式也是動(dòng)態(tài)電壓頻率調整(DVFS)等能源/效能管理技術(shù)的延伸。切換動(dòng)作類(lèi)似DVFS操作點(diǎn)的轉換，由于處理器上DVFS曲線(xiàn)的操作點(diǎn)，會(huì )隨負載變化不同而來(lái)回變動(dòng)，當既有的處理器(或叢集)已達到最高操作點(diǎn)，而軟體堆疊仍需更高效能，處理器切換動(dòng)作就會(huì )發(fā)生，改由另一個(gè)處理器執行工作，這個(gè)處理器的操作點(diǎn)也會(huì )隨著(zhù)負載變化不同而來(lái)回變動(dòng)(圖2)。當效能需求不再，可換回之前的處理器(或叢集)。

圖2 big.LITTLE切換模式DVFS曲線(xiàn)圖

顯而易見(jiàn)，一致性是達到加速切換所需時(shí)間的關(guān)鍵所在，因為它能讓已經(jīng)儲存在離埠處理器(Outbound Processor)的狀態(tài)，在入埠處理器(Inbound Processor)上窺探與回覆，而不必透過(guò)主記憶體的存取。

此外，由于離埠處理器的L2有快取一致性的功能，當任務(wù)切換時(shí)，可以透過(guò)窺探資料值的方式，改善入埠處理器的快取暖機時(shí)間，此時(shí)L2快取記憶體仍然可以維持供電狀態(tài);不過(guò)，因為離埠處理器的L2快取無(wú)法提供新資料的快取配置，最后還是必須清除并關(guān)閉電源以節省耗電(圖3)。

圖3 big.LITTLE運算任務(wù)切換流程圖

由于LITTLE處理器叢集中，每個(gè)處理器都將對應一個(gè)big叢集的處理器，因此CPU乃成對配置(Cortex-A15及Cortex-A7處理器上都有CPU0， Cortex-A15及Cortex-A7處理器上都有CPU1，以此類(lèi)推)，不論何時(shí)每個(gè)配對中只有一個(gè)處理器可運轉;而系統則會(huì )主動(dòng)偵測各處理器負載，在高負載時(shí)將內容執行移到大核心(圖4)。當負載從離埠核心移到入埠核心，便會(huì )關(guān)閉其中一個(gè)核心，這種模式讓big與LITTLE核心組合能隨時(shí)運轉。