我们正处于移动计算时代的过渡期,每天都有令人震撼的设备发布,移动计算性能不断提高,令人充满期待。
移动平台目前正在经历如PC机之前一样的演变路线:单核处理器的频率一路攀升,达到最大允许功耗的极限;为了继续提升计算性能,并保持合理的功耗,处理器厂商又推出了多核处理器。
意法·爱立信早在2009年就推出了双核处理器平台,是第一批推出双核处理器的芯片厂商,其NovaThorTM平台开发计划也是基于ARM双核处理器。根据公司的分析报告,现有的软件以及近期上市的软件还不能充分发挥四核技术的优势。从最高可达频率和内存访问开销角度看,增加内核不是没有代价的。只有很好地平衡加核做法与软件运行能力,才能充分利用加核后所提升的硬件并行处理能力。
意法·爱立信中国区总裁 张代君
事实上,在执行高性能任务时,四核处理器的频率和电压都较低,因此节能省电效果更好;但是,如果不执行高性能任务,四核就失去了省电的特色。
多核是需要有代价的
目前大多数最新的移动平台所使用的多核架构是对称多核处理系统(Symmetric Multi Processing,SMP),其特点是多个内核完全相同,且访问系统资源(包括内存)面临相同的开销。此外,运行SMP功能的操作系统的基本需求是多核必须共享一个内存空间。为确保多个物理内存之间的一致性来实现共享内存空间,还需要配备专用电路。在今天的多核处理器中,每个内核都有各自的一级高速缓存,每个内核的一级高速缓存必须保持相互一致,而且还要与唯一的多核共用的二级高速缓存保持一致。内存一致性硬件位于高速缓存的重要运行通道内,因此,该硬件在很大程度上决定了多核架构的扩展性。增加内核不可避免地导致一致性协议的额外管理,产生额外的延迟,从而对性能造成负面影响。这就是为什么SMP架构不能无限地扩展的原因,即使在超级计算机上,也不能无限扩展。
不断增加的1级/2级高速缓存数据流量和共用2级高速缓存而产生的数据拥堵问题也限制了多核处理技术的扩展性能。每增加一个内核,就需要更大的芯片面积和更高的2级高速缓存容量。这进一步增加了芯片布局限制,并在内存分层结构内部引起访问延迟。
意法·爱立信的实验表明,对于典型负载,当处理器从双核变成四核时,每增加一个内核,每核性能将会受到25-30%影响,虽然这是内核频率损失和在系统的不同部分浪费更多的时钟周期的综合影响,但是,我们可以将其简化为等效的频率降低。
时机尚不成熟
智能手机正在陷入CPU的“核”战争,而这场大战在PC机市场上已上演多年。主频、多核、操作系统以及手机设计等等因素,正在成为消费者购买智能手机的全新参考标准。CPU核越多越好?在这一问题上,事实恐怕并非如此。
四大于二是一个非常有效的营销口号,但是四核的智能手机性能就一定优于双核吗?这个口号本身多少对消费者有一些误导。尽管我们已经拥有多核电脑这么多年,但是直到现在,利用四核处理器优势的视频和图像编辑软件还是少之又少。而手机选用并行计算技术的机会则更少,因为为大幅降低移动设备的功耗,很多高强度计算任务比如视频编解码和图形处理都是由专门的硬件来完成,而并非依靠CPU来处理。
移动互联网的高速发展为移动设备制造商和芯片供应商不断带来挑战。在性能方面我们要求智能手机有更加强大的性能,但同时又要求它们有纤薄的外形,轻巧的机身还要有超长的续航时间。由此一来那些对性能要求极高的任务运行,比如网页浏览和快速响应的用户界面(由于手机散热的局限只能高功率运行有限时间)同时要满足功耗与进行普通应用或者待机运行一样。面对这种难题,要实现各个方面的权衡,就必须要依靠芯片侧的设计来实现。
这些决定智能手机性能的关键因素已经越来越少取决于智能手机的CPU,而是更多的取决于图形处理能力(GPU)和系统内存带宽。GPU对用户体验中界面操作流畅性、游戏、导航等性能表现具有决定性的作用。
我相信对于目前主流的智能手机来说,双核ModAp(modem加应用处理器)平台,正如我们意法·爱立信正在开发的平台,能够带来最好的用户体验。那些主要的应用比如网页浏览,目前并没有针对并行处理进行过优化,所以我们的双核ModAp处理器在非常低的功耗下,能够获得与四核相当或者优于四核的性能。而这一低功耗的优势来自意法·爱立信独有的能够让CPU在低电压供电情况下运行的独特技术。这一性能对比已经通过技术测试以及第三方的数据基准,评比所证实。而对于当前第一代的四核解决方案,终端用户对于四核智能手机在散热和功耗方面的表现,并不十分满意。
事实上,今天的软件的并行化程度还不是很高,此时选择四核处理器并不是明智之举。当今许多应用仍然是单线程,所以用户的体验完全取决于单核的性能;网页浏览是当前并行比例最高的应用,但是并行运算率也仅仅占有66%。因此,只有软件改进了,还有功耗和散热问题解决了,才是选择四核的正确时机。”目前,意法·爱立信更专注于高速的双核解决方案,因为我们认为目前高速双核平台对智能手机来说在功耗、性能以及成本方面都能达到最佳的平衡,从而给大多数消费者带来更切实际的好处。