意法愛立信移動(dòng)平臺(tái)多核處理技術(shù)（一）

本文論述并比較目前移動(dòng)平臺(tái)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(duì)比個(gè)人計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，例證移動(dòng)平臺(tái)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(shì)產(chǎn)生一個(gè)比異構(gòu)和同構(gòu)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(diǎn)很重要。從歷史看，當(dāng)工作頻率提高到芯片散熱極限時(shí)，主流PC 機(jī)多核處理器開始問世。事實(shí)上，自硅技術(shù)集成初期到2003－2005 年間，在主流計(jì)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(jì)算機(jī)行業(yè)出現(xiàn)空前的增長(zhǎng)。

只要可能，這個(gè)趨勢(shì)就不會(huì)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(shí)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(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?yàn)樘幚砥黝l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(jì)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(shù)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(duì)于軟件，再也沒有免費(fèi)的午餐，正如年發(fā)表的一篇著名論文［1］所述，從那時(shí)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(gè)計(jì)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(gè)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(gè)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(gè)重要看法：

· 在雙核處理器問世時(shí)，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(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)并行化。因?yàn)槎嗳蝿?wù)操作系統(tǒng)和某些應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)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(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?yàn)榇蠖鄶?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(chǎng)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(chǎng)最關(guān)注的差異化特性。人們預(yù)計(jì)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(bào)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(yùn)行，是一件費(fèi)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?yàn)椴⑿泄ぷ髫?fù)荷量大，多核處理器發(fā)展順利。在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域