測試響應：基準測試能有效地比較能量效率嗎？
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對面交流
海量資料庫查詢(xún)
要點(diǎn)
功率基準測量的是完成一項任務(wù)的能量，而不是能耗率。
能量效率逐漸成為區分兩個(gè)類(lèi)似處理器的一種更重要的因素。
功率基準測試必須使能耗與“足夠好”的性能處理有效點(diǎn)均衡。
現在還不太清楚如何能公正地采用一種一致的方法測量能量效率。
用來(lái)比較兩種可供選擇的處理器的相對性能的基準，嚴格說(shuō)來(lái)是提高設計生產(chǎn)率的工具?；鶞蕼y試本身并不能使技術(shù)難題得以解決，但卻能縮短開(kāi)發(fā)人員為某個(gè)項目挑選處理器所花的時(shí)間。也就是說(shuō)，在理想情況下，標準化的基準測試為開(kāi)發(fā)人員提供一種方法，可以像挑選蘋(píng)果一樣快速而準確地比較可供選擇的產(chǎn)品。嵌入式處理器基測試準的現實(shí)情況是，難以提供一種簡(jiǎn)單、快速、綜合的處理方法來(lái)對各類(lèi)應用系統和處理器體系結構進(jìn)行挑蘋(píng)果式的比較。除了處理器性能基準之外，幾個(gè)團體目前還在研究能對處理器的功率和能量效率進(jìn)行有意義的描述和比較的方法。
用來(lái)比較處理器性能的基準已經(jīng)存在很多年了，這些基準的核心都強調一段時(shí)間內處理器能夠完成多少工作，而忽略或不重視達到這種性能水平所需的功率效率和成本。為了弄清楚什么樣的數據可以揭示一個(gè)系統在某個(gè)應用的設計和實(shí)現中的工作情況，需要依賴(lài)于使用某套基準的人（參考文獻1）。雖然市場(chǎng)調查資料仍然引用著(zhù)指令/秒等綜合處理器性能的數據，但是，由于其對處理器在特定場(chǎng)境下的運行情況提供的相關(guān)信息少之又少，所以這些數據對于設計人員來(lái)說(shuō)通常沒(méi)有什么用處。
BDTI公司（伯克利設計技術(shù)公司）、EEMBC（EDN 嵌入式微控制器基準財團）和SPEC公司（標準性能評估公司）等基準團體都支持強調處理器在執行專(zhuān)用任務(wù)時(shí)的性能的基準集。BDTI公司和EEMBC的研究人員都在研究如何擴展其基準測試集，為的是測量和比較處理器在執行專(zhuān)用任務(wù)時(shí)的能量效率（附文《能量與功率》），而不是測量和比較功耗。這些任務(wù)的范圍不只是測量一種功能（如FFT）和表征較高級別任務(wù)性能（如音頻或視頻解碼器級）的地址的執行效率。
與生成處理器性能基準相比，確定并執行有意義的能量效率基準更具挑戰性。性能基準測試目前側重于測量處理器的最大處理性能。當開(kāi)發(fā)人員試圖確定某款處理器是否能夠提供實(shí)現某組功能所需的性能，特別是在只有一組數目有限的候選處理器能夠滿(mǎn)足項目的性能要求時(shí)，這一信息是非常有用的。然而，隨著(zhù)能夠滿(mǎn)足給定性能閾值的處理器數目不斷增加，功耗或能量效率就成為區分這些候選處理器的更重要的因素。
雖然在有源模式下，處理器功耗占總系統功耗的百分比很小，但是，應用系統正在處理呈指數增長(cháng)的計算負荷（例如在處理較大圖像時(shí)），而且更需要較好的處理器能量效率。作為一個(gè)新興的實(shí)例，供患者在家中使用的醫療設備（例如可佩戴的和植入的健康監測裝置）除了處理不斷增加的計算負荷之外，還有尺寸上的限制，不得不使用微型電池，而這些電池必須能夠持續使用很長(cháng)的時(shí)間——也許長(cháng)達數年。
一個(gè)器件的功耗是其靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗之和。在正常工作條件下，動(dòng)態(tài)功率超過(guò)靜態(tài)功率。對于長(cháng)期休眠或待機工作的應用系統來(lái)說(shuō)，靜態(tài)功耗成為決定電池壽命的一個(gè)主導因素。晶體管漏電是靜態(tài)功耗的最大分量。隨著(zhù)柵極介質(zhì)厚度的減小，晶體管漏電反而呈指數增長(cháng)。這種情況表明，隨著(zhù)晶體管幾何尺寸的不斷縮小，漏電電流會(huì )增大。處理器設計師可以采用多種技術(shù)來(lái)將靜態(tài)功耗降到最低，同時(shí)要使應用系統開(kāi)發(fā)人員能夠降低動(dòng)態(tài)功耗（參考文獻2）。降低靜態(tài)功耗的技術(shù)有：在非關(guān)鍵路徑的電路中使用速度較慢的晶體管；對漏電的快速晶體管進(jìn)行鈍化；動(dòng)態(tài)控制晶體管襯底的本體偏置。
下列公式可描述處理器的動(dòng)態(tài)功耗：P=CFV2，式中，C是處理器的動(dòng)態(tài)電容，F是時(shí)鐘頻率或開(kāi)關(guān)頻率，而V是電源電壓。處理器設計師使用包括低功耗工作模式、頻率換算和電壓換算等在內的功率管理技術(shù)，來(lái)使應用系統開(kāi)發(fā)人員能將動(dòng)態(tài)功耗降低到最小。
復雜性上升
一個(gè)系統的專(zhuān)用軟件及其使用處理器資源的方法都會(huì )對處理器的能量效率產(chǎn)生很大的影響，而這種情況使如何定義、測量和標定一個(gè)執行特定應用任務(wù)的處理器的能量效率變得極其復雜（附文《反直覺(jué)的能量效率》）。采用可公用的參考代碼來(lái)進(jìn)行基準測試是不切實(shí)際的。首先，開(kāi)發(fā)人員很可能從來(lái)不會(huì )原樣使用這一參考代碼，但會(huì )根據目標處理器的體系結構、資源以及任何可用的專(zhuān)用加速器，對該代碼進(jìn)行優(yōu)化。
使用非優(yōu)化參考代碼的不合理性對于各種性能基準測試來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么不同。然而，性能基準測試的優(yōu)化（例如采用EEMBC公司的“full-fury”基準測試）可能會(huì )不切實(shí)際地使用內存及其它處理器資源來(lái)獲得最高的性能。功率基準測試必須考慮這種情況：當開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化參考代碼時(shí)，必須在能耗和利用該代碼得到“足夠好”性能之間保持平衡。性能基準測試目前忽視了這一要求。
因此，要獲得適合于某一處理器一系列性能點(diǎn)的有效功率基準測試，可能會(huì )涉及到使用不同算法、軟件代碼和片上資源。這一要求對設計師在不同性能點(diǎn)上對同一器件進(jìn)行挑蘋(píng)果式比較的能力會(huì )產(chǎn)生很大的影響，更不用說(shuō)這一要求在比較不同的處理器體系結構時(shí)意味著(zhù)什么了。然而，這種情況是不切實(shí)際的，原因就在于基準應該是一種提高開(kāi)發(fā)生產(chǎn)率的工具，有助于設計師迅速考察候選的體系結構和配置，并且更快地做出折衷的決策。
一種折衷方案是在多個(gè)性能點(diǎn)上，在多個(gè)時(shí)鐘頻率和多個(gè)電壓下執行相同的優(yōu)化代碼，這意味著(zhù)，當處理器廠(chǎng)商將功率基準測試應用于處理器時(shí)，該廠(chǎng)商的優(yōu)化代碼應該針對性能有效點(diǎn)?；鶞蕼y試數據在該有效點(diǎn)及其附近最適宜，而對遠離該有效點(diǎn)的性能點(diǎn)則可能失去有效性。因此，處理器廠(chǎng)商必須標出目標的性能有效點(diǎn)；不過(guò)，對于用標準化的性能閾值進(jìn)行的專(zhuān)用基準測試來(lái)說(shuō)，這一問(wèn)題可能并不重要。
更多挑戰
EEMBC公司總裁Markus Levy說(shuō)：“在硬件上運行基準測試集是很容易的，但測量能耗卻是很困難的。與之相反，測量IP（知識產(chǎn)權）內核的能耗是很容易的，而在IP內核上運行基準測試集卻是很困難的?！边@種說(shuō)法表明：EEMBC公司的基準測試能以處理器速度在硬件上執行，但卻要在數天的周期內使用IP內核的門(mén)級網(wǎng)表進(jìn)行仿真。同樣地，將測量裝置連接到硬件的什么地方，在測量中應該包含哪些系統子部件，測量何時(shí)開(kāi)始和何時(shí)終止，這些有時(shí)是不明顯的。在進(jìn)行IP內核仿真時(shí)，獲得任何位置的數據是一件相對簡(jiǎn)單的事情，給仿真配備儀器就是了。
評論