意法愛(ài)立信移動(dòng)平臺多核處理技術(shù)（一）

本文論述并比較目前移動(dòng)平臺所采用的主要的多核處理技術(shù)，重點(diǎn)介紹多核處理技術(shù)與意法·愛(ài)立信未來(lái)產(chǎn)品所采用的具有突破性的FD-SOI 硅技術(shù)之間的協(xié)同效應，通過(guò)對比個(gè)人計算機市場(chǎng)，例證移動(dòng)平臺的單核處理器還有很大的性能提升空間，從軟件性能角度分析，目前集中資源于速度更快的雙核處理器比速度較慢的四核處理器更贏(yíng)利。

此外，我們還將論述 FD-SOI 技術(shù)如何在相同功耗條件下提高雙核處理器頻率，以及如何擴展高能效工作模式，所有這些優(yōu)勢產(chǎn)生一個(gè)比異構和同構四核處理器更簡(jiǎn)單、更便宜、更高效的解決方案。

多核處理器的問(wèn)世是必然，而不是可以選擇

多核處理器是技術(shù)發(fā)展的必然，而不是人類(lèi)可選的，在此重申這一點(diǎn)很重要。從歷史看，當工作頻率提高到芯片散熱極限時(shí)，主流PC 機多核處理器開(kāi)始問(wèn)世。事實(shí)上，自硅技術(shù)集成初期到2003－2005 年間，在主流計算機中，工作頻率提高和晶體管數量主要用于提升單核處理器的性能（見(jiàn)圖1）。在此期間，應用軟件的性能提升與硬件技術(shù)發(fā)展保持同步，日益增多的舊版軟件無(wú)需做任何修改，導致計算機行業(yè)出現空前的增長(cháng)。

只要可能，這個(gè)趨勢就不會(huì )發(fā)生改變，直到芯片散熱達到極限為止。頻率提高而非晶體管數量增加是芯片達到散熱極限的部分原因。在這一問(wèn)題上，多核處理器被認為是連續利用數量不斷增加的晶體管同時(shí)把功耗限制在可控范圍內的唯一解決辦法。雖然有悖常理，但是，單核處理器在假定頻率時(shí)的功耗高于雙核處理器在假定頻率的二分之一時(shí)的功耗，這是因為處理器頻率越高，所需的電壓就越高，此外，動(dòng)態(tài)功耗與電壓是平方關(guān)系（圖2 所示是簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)功耗計算式）。

多核處理器確實(shí)使硬件集成度遵循摩爾定律（晶體管數量每18 個(gè)月增加一倍），為此而付出的代價(jià)是軟件性能提升被完全破壞。對于軟件，再也沒(méi)有免費的午餐，正如年發(fā)表的一篇著(zhù)名論文［1］所述，從那時(shí)開(kāi)始，為了繼續高效地應用硬件技術(shù)進(jìn)步，軟件開(kāi)發(fā)人員必須采用并行且均衡的編程方式，使代碼能夠高效地映射到多核處理器，換句話(huà)說(shuō)，軟件需要并行化，糟糕地是，軟件并行化在整個(gè)計算機領(lǐng)域仍然是最嚴峻的挑戰之一，雖然最初的研發(fā)熱情還沒(méi)有減退，但是，到目前還沒(méi)有發(fā)現一個(gè)效率令人滿(mǎn)意的通用解決方案［2］。很多本身是串行的應用軟件則根本沒(méi)有并行化解決方案。

這個(gè)問(wèn)題難度非常大，在過(guò)去10 年來(lái)進(jìn)展很小。G. Blake et al 在2010 年的論文［3］中提出兩個(gè)重要看法：

· 在雙核處理器問(wèn)世時(shí)，用戶(hù)感受到的響應速度快是雙核處理器的最直接的優(yōu)點(diǎn)，但是， 10 年后，大多數軟件，包括要求嚴格的游戲、辦公軟件、多媒體播放器和網(wǎng)絡(luò )瀏覽器，還是僅能充分利用雙核處理器，只有很少的應用軟件（視頻制作）能夠更高效地利用雙核處理器。

事實(shí)上，自多核處理器在10 年前問(wèn)世至今，除很少的應用軟件外，大多數PC 軟件還沒(méi)有實(shí)現并行化。因為多任務(wù)操作系統和某些應用軟件的設計方法的原因，例如，用于處理用戶(hù)界面等異步事件的事件驅動(dòng)型代碼，某些并行處理功能是原生的，但是，這些原生并行線(xiàn)程的均衡性通常很差，通常相互關(guān)聯(lián)，只有少數線(xiàn)程可并行使用現有多核處理器，然而最終只能發(fā)揮雙核以下處理器的能力。

軟件開(kāi)發(fā)人員選擇不將其代碼并行化，因為大多數PC 機應用軟件根本沒(méi)有必要并行化，或者并行化成本過(guò)高。某些小眾市場(chǎng)是例外，例如，某些多媒體應用軟件、CAD 工具和某些專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，軟件性能是這些市場(chǎng)最關(guān)注的差異化特性。人們預計多核處理器將在視頻游戲中找到用武之地，如上文所述，實(shí)際上卻不是這樣，其中一個(gè)原因是，最近幾年，圖形處理器 （GPU）的發(fā)展速度比多核CPU 還要快，因此，在充分利用圖形處理器上投入資源的回報率更高，而將復雜的游戲引擎并行化，使其能夠在多核CPU 上運行，是一件費力不討好的工作。

在其它領(lǐng)域，多核處理器的情況不盡相同。例如，在網(wǎng)絡(luò )數據中心，因為并行工作負荷量大，多核處理器發(fā)展順利。在科學(xué)計算領(lǐng)域