意法愛立信移動平臺多核處理技術(shù)（一）

本文論述并比較目前移動平臺所采用的主要的多核處理技術(shù)，重點介紹多核處理技術(shù)與意法·愛立信未來產(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(yīng)，通過對比個人計算機(jī)市場，例證移動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(kuò)展高能效工作模式，所有這些優(yōu)勢產(chǎn)生一個比異構(gòu)和同構(gòu)四核處理器更簡單、更便宜、更高效的解決方案。

多核處理器的問世是必然，而不是可以選擇

多核處理器是技術(shù)發(fā)展的必然，而不是人類可選的，在此重申這一點很重要。從歷史看，當(dāng)工作頻率提高到芯片散熱極限時，主流PC 機(jī)多核處理器開始問世。事實上，自硅技術(shù)集成初期到2003－2005 年間，在主流計算機(jī)中，工作頻率提高和晶體管數(shù)量主要用于提升單核處理器的性能（見圖1）。在此期間，應(yīng)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需做任何修改，導(dǎo)致計算機(jī)行業(yè)出現(xiàn)空前的增長。

只要可能，這個趨勢就不會發(fā)生改變，直到芯片散熱達(dá)到極限為止。頻率提高而非晶體管數(shù)量增加是芯片達(dá)到散熱極限的部分原因。在這一問題上，多核處理器被認(rèn)為是連續(xù)利用數(shù)量不斷增加的晶體管同時把功耗限制在可控范圍內(nèi)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的功耗高于雙核處理器在假定頻率的二分之一時的功耗，這是因為處理器頻率越高，所需的電壓就越高，此外，動態(tài)功耗與電壓是平方關(guān)系（圖2 所示是簡單的動態(tài)功耗計算式）。

多核處理器確實使硬件集成度遵循摩爾定律（晶體管數(shù)量每18 個月增加一倍），為此而付出的代價是軟件性能提升被完全破壞。對于軟件，再也沒有免費的午餐，正如年發(fā)表的一篇著名論文［1］所述，從那時開始，為了繼續(xù)高效地應(yīng)用硬件技術(shù)進(jìn)步，軟件開發(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，換句話說，軟件需要并行化，糟糕地是，軟件并行化在整個計算機(jī)領(lǐng)域仍然是最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，雖然最初的研發(fā)熱情還沒有減退，但是，到目前還沒有發(fā)現(xiàn)一個效率令人滿意的通用解決方案［2］。很多本身是串行的應(yīng)用軟件則根本沒有并行化解決方案。

這個問題難度非常大，在過去10 年來進(jìn)展很小。G. Blake et al 在2010 年的論文［3］中提出兩個重要看法：

· 在雙核處理器問世時，用戶感受到的響應(yīng)速度快是雙核處理器的最直接的優(yōu)點，但是， 10 年后，大多數(shù)軟件，包括要求嚴(yán)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(yīng)用軟件（視頻制作）能夠更高效地利用雙核處理器。

事實上，自多核處理器在10 年前問世至今，除很少的應(yīng)用軟件外，大多數(shù)PC 軟件還沒有實現(xiàn)并行化。因為多任務(wù)操作系統(tǒng)和某些應(yīng)用軟件的設(shè)計方法的原因，例如，用于處理用戶界面等異步事件的事件驅(qū)動型代碼，某些并行處理功能是原生的，但是，這些原生并行線程的均衡性通常很差，通常相互關(guān)聯(lián)，只有少數(shù)線程可并行使用現(xiàn)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。

軟件開發(fā)人員選擇不將其代碼并行化，因為大多數(shù)PC 機(jī)應(yīng)用軟件根本沒有必要并行化，或者并行化成本過高。某些小眾市場是例外，例如，某些多媒體應(yīng)用軟件、CAD 工具和某些專業(yè)領(lǐng)域，軟件性能是這些市場最關(guān)注的差異化特性。人們預(yù)計多核處理器將在視頻游戲中找到用武之地，如上文所述，實際上卻不是這樣，其中一個原因是，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(fù)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(shù)據(jù)中心，因為并行工作負(fù)荷量大，多核處理器發(fā)展順利。在科學(xué)計算領(lǐng)域