兼顧處理器效能與功耗　大小核設計架構突起

圖4 big.LITTLE切換模式DVFS曲線(xiàn)圖

big.LITTLE MP支援非對稱(chēng)叢集運作

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)運作，將系統效能提升到最高點(diǎn)。

由于big.LITTLE系統可經(jīng)由CCI-400達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)運作并同步執行程式碼，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系統最先進(jìn)且最具彈性的模式，能跨越兩個(gè)叢集調整單一執行環(huán)境。

在這種使用模式下，若執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比較容易支援非對稱(chēng)的叢集。

調降低頻運算多余功耗　big.LITTLE嶄露頭角

big.LITTLE技術(shù)之所以受到IC設計業(yè)者矚目，原因就是一般行動(dòng)工作量對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)機狀態(tài)下所花費時(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CPU閑置的時(shí)間夠長(cháng)，系統電源控制軟體將完全關(guān)閉其中一個(gè)核心以節省耗電，圖中(d)處便代表這部分。

從圖5可清楚看出應用程式處理器在好幾種普通工作量下，都有相當多時(shí)間處于低頻率狀態(tài)，在big.LITTLE系統里，系統單晶片(SoC)可利用耗能較低的Cortex-A7核心，執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處理器對應出低于1GHz頻率的機會(huì )仍然很大。

事實(shí)上，自2011年起，使用者層級軟體已能在big.LITTLE排程上運轉，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。為完整評估big.LITTLE系統效能、功耗及調校是否合宜，還須打造一個(gè)能讓使用者軟體全速運轉的測試晶片。

ARM測試晶片早在2012年初夏即由晶圓代工廠(chǎng)完成，并在短短幾周內開(kāi)始搭配參考設計板運轉，支援完整版的Linux系統及Android 4.0作業(yè)系統。這個(gè)測試晶片包含一個(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。會(huì )影響部分使用者評效基準的繪圖處理器并不包括在內，但平臺仍可支援Linux、Android作業(yè)系統與效能測試軟體。

測試晶片的Cortex-A15最高頻率達1.2GHz，Cortex-A7則為1GHz。效能評析結果顯示，雖然測試晶片上的記憶體系統效能不如 big.LITTLE SoC量產(chǎn)后的預測水準，但Cortex-A15與Cortex-A7中央處理器的效能仍落在預期范圍內。

用來(lái)測試big.LITTLE效能的任務(wù)量，主要基于A(yíng)ndroid 4.0系統，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)例中均以相當密集的工作量搭配對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500畫(huà)素，因此對系統效能需求相對較高。

這組結論屬于較早期的測試結果，用來(lái)測試初版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整成big.LITTLE模式。預期未來(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，而其他可調校的部分也將有相關(guān)解決方案被提出。

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

big.LITTLE MP模式下半年出爐

IC設計業(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核心處于搭配成對的狀態(tài)，因此對稱(chēng)式的拓撲能順暢運作;而big及 LITTLE核心數量不同的非對稱(chēng)式拓撲則須額外的運轉。

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校更為容易，可重復利用既有的作業(yè)系統電源管理程式碼，代表實(shí)作將有多年的研發(fā)及測試結果作為支援。加上不必調整核心排程程式，范圍比執行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設計業(yè)者亦正研擬升級至big.LITTLE MP模式，以提供更多元的處理器運算解決方案。big.LITTLE MP具有多項技術(shù)優(yōu)勢，雖技術(shù)尚未完全成熟，但目前的測試結果已相當不錯。由于此模式也支援非對稱(chēng)式拓撲，故毋須調整軟體即可完全利用系統中所有核心，對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)間內達到最高效能，或將big與LITTLE核心上的DVFS設定與排程程式設定調成不同狀態(tài)，以節省更多電力。不過(guò)彈性提升仍有其代價(jià)，晶片商與系統業(yè)者均須增加調校動(dòng)作，才能從big.LITTLE MP平臺獲取完整的效能及能耗優(yōu)勢。

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