移动CPU异步多核和大小核的那些事

很多对移动CPU的异步多核的概念不是很理解，它作为高通骁龙系列的一大特色，它和同步多核处理器之间又有什么区别？各有什么优势呢？异步多核处理器又是怎么达到节能目的？此外，像三星Exynos 5440这一类“大小核”的处理器又会有什么特点呢？本文都将为你一一解答。

异步多核

异步多核，或者叫aSMP（asynchronous SMP），是由高通提出的，并应用在自家的Snapdragon S3/S4处理器中。之前也有过不少争论，比如说异步多核核心之间不能通讯，称之为“胶水双核”；或者说异步多核同时只能有一个核心接受指令，效率很低。当然呢，这些实际上都是不对的。

 什么是异步多核？其重点在于频率异步，可以将它称为异步频率架构（Asynchronous Clock Architecture）。在这样设计的多核处理器中，每个核心都可以工作在不同的电压和频率下。这样，可以将计算繁重的任务交给一个工作在高频的核心，而压力较小的任务则可以让一个工作在低频的，较慢的核心去负担。而在同步多核中，所有的核心都只能工作在相同的电压和频率下。

 

如下图所示，当有两个任务，一个计算负荷较重，而另一个计算负荷较轻时（图中紫色部分表示任务的计算负荷），异步多核可以让负荷较重的核心CPU0工作在较高的频率（图中蓝色部分代表频率），而负荷较轻的核心CPU1工作在较低的频率和电压下，由此来减小功耗。而同步多核的CPU1虽然负荷较轻，但由于架构限制，只能和CPU0保持同样的高频率和高电压，由此浪费了更多的能量。

 

而在高通实际的设计中，不仅多个核心可以工作在不同的电压和频率下，它们共享的L2缓存也可以根据实际的负荷，工作在一个单独的电压和频率下，从而最大限度的节能。

 

异步多核架构看上去确实很美好，但实际上并不是完美的。在一些情况下，异步频率架构会发生性能的损失。一种情况是，当一个CPU的L1缓存没有命中，需要去L2缓存取数据时，由于异步多核架构的各个核心和L2缓存工作在不同的频率下，需要更多的时间去完成数据的传输，如图中A的箭头所示。例如高通S4，其Krait CPU核心可以工作在最高1.5GHz下，而L2缓存的最高频率为1.3GHz，如果L2缓存处于频率更低的节能状态，此时核心就需要等待L2缓存完成传输。

 

另一种情况下会损失更多的性能。当其中一个核心，例如CPU0的L1缓存没有命中，需要的数据在CPU1的L1缓存时，则数据需要从CPU1的L1缓存传输到CPU0的L1缓存，如图中B箭头所示。如果此时恰好CPU1的负担比较轻，处在较低的工作频率下，则需要很长的时间才能完成数据传输，而工作在高频的CPU0则被浪费在了等待中。

 

在SiSoftware Sandra的多线程效率测试中也可以反映这一点，异步多核（图中紫色，Sony Xperia S，高通8660）相比同步多核Tegra2（图中绿色），核心之间通讯的延迟较高，带宽较低。当然，采用超线程技术的Intel Atom（图中蓝色），由于两个虚拟核心本身是一个物理核心，核心间通讯的延迟最低，带宽最高。

 

“大小核”

那么，如何才能做到既能根据计算任务的轻重，动态的调节核心的能力，最大限度的节能；又避免异步多核架构在一些情况下性能损失的问题呢？ARM提出了大小核（big.LITTLE）的架构。

 

在这样的一个架构中，包括了一个由“大核心”组成的集群，和“小核心”组成的集群。每个集群内部的多个核心，都是属于传统的同步频率架构，工作在相同的频率和电压下，因此不会出现异步多核损失性能的情况。“大核心”为高性能的核心，工作在较高的电压和频率下，消耗更多的能量，用于计算繁重的任务，典型的比如Cortex-A15。“小核心”性能虽然较低，但效率很高，典型的比如Cortex-A7，虽然其性能是A15的1/2，但耗电只有1/7，相比之下能效就是A15的3.5倍了。在一些计算压力不大的任务中，比如发个短信之类的，就不用劳驾性能强劲但又非常耗电的A15核心了，直接用性能足够，非常省电的A7核心就行。

大小核芯都采用相同的指令集，切换时以集群为单位。如上图，系统在任务较重时激活2个大核心，任务较轻时则激活2个小核心。它们之间通过特殊设计的总线相连，切换时总线自动将一个集群的状态传输给另一个集群，切换的时间非常快，小于20微秒。

实际上，在ARM提出大小核之前，nVIDIA的Tegra 3已经有这个意思了。Tegra 3包括四个高性能的A9核心（相当于大核心），和一个性能较低的，采用低功耗设计的A9伴核（小核）。当然那时候的设计还没有big.LITTLE完善，也没有特殊设计的缓存一致性互联，切换的时间也较长，达到了毫秒级别。

 

不出意外的话，三星Exynos 5440将会是第一个采用大小核设计的SoC。它将采用28nm HKMG工艺，集成4个Cortex-A15作为大核心，和4个Cortex-A7作为小核心，传言GPU也会回归到PowerVR，很有可能在Galaxy S4中使用。