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    功耗vs.性能:ARM处理器节能的四种方式

      ARM处理器最大的优势之一就是其低功耗,专业的嵌入式市场不说,单就我们身边的手机和平板例子来说低功耗就可以提高续航时间,改变那种“有电就NB,没电就SB”的囧态。

      性能与功耗则是一对矛盾综合体,性能越高意味着更多的执行单元,芯片复杂度也随之升高,功耗也会提高,但是技术的进步又能改进处理器的功耗,使得功耗比更优,因此节能省电的第一个入手点就是架构设计。

    Cortex-A9 vs.A7 vs.A15

      ARM目前的主流指令集是32位的ARMv7,其中又可以分为Cortex-A5、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A7以及Cortex-A15,前面两个已经不是主流了,我们只看目前应用较多或者即将大规模应用的Cortex-A9、Cortex-A7以及Cortex-A15,以下简称A7、A9和A15。

      根据ARM及网上的资料,我们可以整理出这些架构的每MHz性能——DMIPS/MHz,这个参数是指每MHz频率下Dhrystone VAX MIPs性能

      从架构性能上看,A7只有1.9DMIPS/MHz,比A9低了四分之一,而A15的架构性能比A9高40%。不过处理器性能比较还不能脱离制程工艺的影响,A15与A7普遍使用28nm工艺,比A9的32/40nm要先进,频率也可以更高,功耗则会更低。

      A7架构是ARM开发的效能最高的处理器之一,ARM称其拥有主流级别的性能同时效能比是A8架构的5倍还多。


    A7与A15架构是100%兼容的,共享终端

      另外,A7与A15架构在功能及软件上也是100%兼容的,二者共享内存控制器以及系统接口等,可以无缝切换。

      总之,架构设计是ARM处理器节能的第一选择,A7架构虽然编号上比A9还小,但是A9架构是ARM公司2007年发布的,而A7是2011年才推出的,甚至比2010年的A15架构还要新,ARM在功耗优化上没少费心思。

      架构是ARM处理器节能降耗的第一关,不过厂商选择那种结构并不全是考虑功耗,而是市场驱动,所以还需要其他的方式。

    高通独创:异步双核

      SSD中有异步和同步闪存之分,多核ARM处理器中也有这样的例子,只不过ARM公版设计中多核处理器都是同步运行的,而习惯自己开发架构的高通还有一项独门秘技——异步双核,也就是大家常说的伪双核。

      高通的异步双核技术全称是Asynchronous Symmetric Multiprocessing(异步对称多处理器,简称aSMP),很多人认为这是高通耍花招,实际上高通认为这是一种高明的节能技术,因为目前的软件和系统并不是完全需要多核心同时运行的,而具备aSMP技术的高通处理器中每个内核都可以运行在不同的频率和电压上,这样做可以降低功耗,比其他处理器更节能。


    骁龙S4家族的aSMP技术可以节省20-40%的能耗

      aSMP异步多核目前主要是高通在用,NVIDIA等其他厂商也有不同的节能技术,比如vSMP。

    vSMP:隐藏核心的4+1设计

      NVIDIA在推出首款四核Tegra 3处理器时使用了另外一种四路的节能设计,除了正常的四个A9核心之外还有一颗伴生核心,相比其他核心1.4-1.5GHz的运行频率,这颗伴生核心频率只有500MHz,电压也低得多,NVIDIA称这种节能方式为Variable SMP Processor(可变多线程处理器,简称vSMP),正式定名叫做4-Plus-1。

      vSMP的隐藏核心在OS中是不可见的,它在待机、视频及音频播放时启用,而其他四颗核心会关闭,由于它的功耗相对来说低得多,因此也会有明显的节能效果,特别是在音视频播放上,Tegra 3处理器号称拥有12小时的视频播放时间。

      这种设计也在最新的Tegra 4处理器上得以延续,同时伴生核心的架构也升级到了A15,与其他核心继续完全兼容。

    big.LITTLE:ARM的高性能低功耗解决方案

      除了单一的架构优化之外,ARM也在去年推出了big.LITTLE技术以解决ARM处理器在高性能与低功耗之间的平衡的问题,简单来说就是多核处理器中集成两种不同的ARM内核,它们根据不同任务需要动态切换,目前的组合方式是Cortex-A15与Cortex-A7,ARMv8时代还有Aortex-A57与Cortex-A53的搭配。

      big.LITTLE的推出也是顺理成章的,A7架构设计之处就考虑到了与A15架构100%兼容的问题了,而且前面也提高了二者是可以共享系统接口的,在不需要高性能的情况下启用A7核心,高性能应用如3D游戏、网络视频之类的场合则会切换到A15架构上。

      当然,big.LITTLE架构的多核有一定的“水分”,因为A7和A15核心不会同时工作,所以实际可用的核心数量会减半。此外,A7与A15核心切换需要20000个周期,不过1GHz频率下每周期只有以十亿分之一秒,2万个循环周期只相当于0.02毫秒,人眼是感觉不出来的。

      使用big.LITTLE架构之后ARM称可在同样的性能下节省50%的能耗,对今年普及Cortex-A15架构处理器还是大有裨益的。

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