兼顧處理器效能與功耗　大小核設(shè)計(jì)架構(gòu)突起

大小核(big.LITTLE)晶片設(shè)計(jì)架構(gòu)正快速崛起。在安謀國(guó)際(ARM)力推下，處理器業(yè)者已開(kāi)始大量導(dǎo)入big.LITTLE設(shè)計(jì)架構(gòu)，期將不同運(yùn)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(jié)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(shè)計(jì)架構(gòu)將快速崛起。ARM與全球IC設(shè)計(jì)業(yè)者正積極合作推廣big.LITTLE技術(shù)，預(yù)期今年下半年將有大量基于此架構(gòu)的行動(dòng)處理器問(wèn)世;其透過(guò)將各種運(yùn)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(jié)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(xiàn)重大變革，智慧型手機(jī)已成為消費(fèi)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(yùn)算任務(wù)如高速網(wǎng)頁(yè)瀏覽、導(dǎo)航與游戲，以及語(yǔ)音通話、社群網(wǎng)路和電子郵件服務(wù)等效能需求較低的「持續(xù)運(yùn)作，永遠(yuǎn)連線」后臺(tái)任務(wù)。

與此同時(shí)，平板裝置也正重新定義運(yùn)算平臺(tái)，這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變均為消費(fèi)者打造與內(nèi)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(dǎo)入行動(dòng)領(lǐng)域，創(chuàng)造出真正的智慧型新世代運(yùn)算。

兼顧晶片效能與功耗　big.LITTLE架構(gòu)崛起

因應(yīng)電子裝置快速變革，半導(dǎo)體摩爾定律(Moore’s Law)又將如何往下發(fā)展?過(guò)去預(yù)測(cè)晶片效能每隔18個(gè)月就會(huì)倍增，直到電晶體數(shù)量從數(shù)千增加到數(shù)十億個(gè)，但若仔細(xì)觀察單一處理器，就會(huì)發(fā)現(xiàn)效能幾乎停滯不前，這是因?yàn)橄到y(tǒng)能消耗的電量已達(dá)到高峰。

對(duì)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(dá)到熱障(Thermal Barrier)就會(huì)開(kāi)始融化，如果是行動(dòng)電話，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(dāng)差，若調(diào)校處理器實(shí)作使其速度加快，則所需耗能便會(huì)倍數(shù)增長(zhǎng)，而為增加最后這一丁點(diǎn)的效能，后續(xù)導(dǎo)熱設(shè)計(jì)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(xiàn)在面積倍增，速度卻只增加幾個(gè)百分點(diǎn)，因此復(fù)雜度并不代表有效率，這就是單一核心系統(tǒng)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(dú)立核心的數(shù)量，這也有助于每個(gè)核心去應(yīng)對(duì)其被分配到的任務(wù)需求，有鑒于此，安謀國(guó)際(ARM)遂于2012 年提出big.LITTLE處理器架構(gòu)(圖1)。

圖1 big.LITTLE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

big.LITTLE主要目的在于解決IC設(shè)計(jì)業(yè)界眼前最大挑戰(zhàn)，也就是同時(shí)提升晶片效能、并延長(zhǎng)裝置續(xù)航力，以延伸消費(fèi)者「持續(xù)運(yùn)作，永遠(yuǎn)連線」的行動(dòng)體驗(yàn)。該技術(shù)之所以能達(dá)成上述目標(biāo)，系結(jié)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(jù)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(duì)于上層應(yīng)用軟體或中介軟體在處理器上的執(zhí)行絲毫沒(méi)有任何影響。

目前已應(yīng)用于市面上行動(dòng)裝置的big.LITTLE設(shè)計(jì)，結(jié)合高效能Cortex-A15多處理器叢集(Cluster)與具有節(jié)能特色的 Cortex-A7多處理器叢集。這些處理器在架構(gòu)上百分之百相容，且均支援40位元實(shí)體地址擴(kuò)展LPAE、虛擬化擴(kuò)充及NEON、VFP之類的運(yùn)作單元，無(wú)須另外調(diào)整即可讓針對(duì)其中一種處理器類型所編譯的軟體應(yīng)用程式，順利于另一款處理器上運(yùn)作。

因應(yīng)任務(wù)需求　處理器核心無(wú)縫切換

big.LITTLE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就快取記憶體一致性(Cache Coherency)的維護(hù)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(diào)匯流架構(gòu)(CCI-400，也能提供ARM Mali-T604之類的繪圖處理器(GPU)系統(tǒng)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之類的共用中斷控制器互傳訊號(hào)。其中，系統(tǒng)包含big.LITTLE切換和big.LITTLE MP(Multiple-Processor)兩種執(zhí)行模式，由于同一應(yīng)用程式可采用Cortex-A7或Cortex-A15而毋須調(diào)整，因此可將應(yīng)用程式的任務(wù)隨機(jī)對(duì)應(yīng)到正確的處理器上。

切換模式是讓不同處理器類型在切換時(shí)能進(jìn)行軟體內(nèi)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(duì)應(yīng)的CPU，而軟體內(nèi)容則以CPU為單位，隨機(jī)在不同的叢集間切換;如果叢集中沒(méi)有正在運(yùn)轉(zhuǎn)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(diào)整(DVFS)等能源/效能管理技術(shù)的延伸。切換動(dòng)作類似DVFS操作點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，由于處理器上DVFS曲線的操作點(diǎn)，會(huì)隨負(fù)載變化不同而來(lái)回變動(dòng)，當(dāng)既有的處理器(或叢集)已達(dá)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(zhí)行工作，這個(gè)處理器的操作點(diǎn)也會(huì)隨著負(fù)載變化不同而來(lái)回變動(dòng)(圖2)。當(dāng)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曲線圖

顯而易見(jiàn)，一致性是達(dá)到加速切換所需時(shí)間的關(guān)鍵所在，因?yàn)樗茏屢呀?jīng)儲(chǔ)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(dāng)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(jī)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?yàn)殡x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(jié)省耗電(圖3)。

圖3 big.LITTLE運(yùn)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(duì)應(yīng)一個(gè)big叢集的處理器，因此CPU乃成對(duì)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，以此類推)，不論何時(shí)每個(gè)配對(duì)中只有一個(gè)處理器可運(yùn)轉(zhuǎn);而系統(tǒng)則會(huì)主動(dòng)偵測(cè)各處理器負(fù)載，在高負(fù)載時(shí)將內(nèi)容執(zhí)行移到大核心(圖4)。當(dāng)負(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)。