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處理器史話 | 大小核的發(fā)展:大四核?小四核?這款CPU到底是幾個核?

2016/12/23
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關(guān)于手機的 CPU 頻率描述如下:“大四核 2.6GHz,小四核 2.1GHz”。


大四核?小四核?這款 CPU 到底是幾個核?


答案:4+4=8,八核!


雖然在核的數(shù)量是 4+4,但是大核和小核的分工是不一樣的,詳情如下:

這就是所謂的八核手機。


為什么要這樣設(shè)計呢?


原因很簡單:CPU 沒有頻率自動調(diào)節(jié)功能,只能采用高性能 4 核+低性能 4 核的組合來延長續(xù)航時間,負(fù)載高的時候用高性能 4 核“跑”,負(fù)載低的時候低性能 4 核“跑”了。


Smart!給這樣的設(shè)計點個贊吧!


1. 大小核處理器的問世
三星電子于 2013 年 1 月 9 日(周三)在 CES 展會上發(fā)布了用于智能手機平板電腦的 Exynos 5 Octa 處理器。該處理器芯片實際上是在一個芯片封裝中包含兩個四核芯片,這種 8 核處理器使用一種新的架構(gòu),能夠在不減少電池使用壽命的情況下提供更多的性能。四個高性能內(nèi)核用于游戲和視頻重放等繁重的任務(wù)。四個功能不太強大的內(nèi)核用于文本和電子郵件等節(jié)能的普通的任務(wù)。


三星 Exynos 5 Octa 發(fā)布(圖片來自 christianpost)


Exynos 5 Octa 內(nèi)部的 A15 和 A7 架構(gòu)處理核心都采用自家的 28nm HKMG 工藝打造,A7 核心主頻介于 200MHz 至 1.20GHz 之間,A15 核心則是 200MHz 至 1.8GHz,兩顆 CPU 都有獨立的電源門控制。


隨著 Samsung S4 的問世,全球首款雙四核移動處理器(并不能算是真正意義上的八核,因為八個 CPU 并不是同時工作,而是分為兩個四核分別運作)正式登場,基于 ARM 的 ARM big.LITTLE/Cortex A15 架構(gòu)(也就是所謂的大小核架構(gòu)),號稱是一種低功耗,高性能的移動處理器架構(gòu)。它的大小分別為主頻在 1.8GHz 的 A15 處理器,負(fù)責(zé)處理整段的高負(fù)荷任務(wù);A7 主頻為 1.2GHz 的處理器負(fù)責(zé)碎片化的輕量級任務(wù)。


“這款雙四核處理器的具備低功耗和高性能的特色,其 3D 性能將達到市面所有產(chǎn)品的兩倍之多。”——來自三星的宣言。


S4 是成功驗證了 CPU“大小核”的設(shè)計的先進性,那么這個設(shè)計的靈感來自于哪里呢?


2. 異步多核的思想
很多讀者對移動 CPU 的異步多核的概念不是很理解,它作為高通驍龍系列的一大特色,它和同步多核處理器之間又有什么區(qū)別?各有什么優(yōu)勢呢?異步多核處理器又是怎么達到節(jié)能目的?與三星 Exynos 5440 這一類“大小核”的處理器又會有什么差別呢?


異步多核,或者叫 aSMP(asynchronous SMP),是由高通提出的,并應(yīng)用在自家的 Snapdragon S3/S4 處理器中。之前也有過不少爭論,比如:


觀點一:異步多核核心之間不能通訊,稱之為“膠水雙核”;
觀點二:異步多核同時只能有一個核心接受指令,效率很低。


究竟孰是孰非?


這些實際上都是不對的,Sure!


首先來回答:什么是異步多核?


異步多核,其重點在于頻率異步,可以將它稱為異步頻率架構(gòu)(Asynchronous Clock Architecture)。在這樣設(shè)計的多核處理器中,每個核心都可以工作在不同的電壓和頻率下。這樣,可以將計算繁重的任務(wù)交給一個工作在高頻的核心,而壓力較小的任務(wù)則可以讓一個工作在低頻的,較慢的核心去負(fù)擔(dān)。而在同步多核中,所有的核心都只能工作在相同的電壓和頻率下。

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還是不理解?那么請看下面的實例:
如下圖所示,當(dāng)有兩個任務(wù),一個計算負(fù)荷較重,而另一個計算負(fù)荷較輕時(圖中紫色部分表示任務(wù)的計算負(fù)荷),異步多核可以讓負(fù)荷較重的核心 CPU0 工作在較高的頻率(圖中藍色部分代表頻率),而負(fù)荷較輕的核心 CPU1 工作在較低的頻率和電壓下,由此來減小功耗。


而同步多核的 CPU1 雖然負(fù)荷較輕,但由于架構(gòu)限制,只能和 CPU0 保持同樣的高頻率和高電壓,由此浪費了更多的能量,而在高通實際的設(shè)計中,不僅多個核心可以工作在不同的電壓和頻率下,它們共享的 L2 緩存也可以根據(jù)實際的負(fù)荷,工作在一個單獨的電壓和頻率下,從而最大限度的節(jié)能。

相同任務(wù)下的同步多核與異步多核的功耗比較


異步多核架構(gòu)看上去確實很美好,但實際上并不是完美的。在一些情況下,異步頻率架構(gòu)會發(fā)生性能的損失:


一種情況是,當(dāng)一個 CPU 的 L1 緩存沒有命中,需要去 L2 緩存取數(shù)據(jù)時,由于異步多核架構(gòu)的各個核心和 L2 緩存工作在不同的頻率下,需要更多的時間去完成數(shù)據(jù)的傳輸,如圖中 A 的箭頭所示。例如高通 S4,其 Krait CPU 核心可以工作在最高 1.5GHz 下,而 L2 緩存的最高頻率為 1.3GHz,如果 L2 緩存處于頻率更低的節(jié)能狀態(tài),此時核心就需要等待 L2 緩存完成傳輸


另一種情況下會損失更多的性能。當(dāng)其中一個核心,例如 CPU0 的 L1 緩存沒有命中,需要的數(shù)據(jù)在 CPU1 的 L1 緩存時,則數(shù)據(jù)需要從 CPU1 的 L1 緩存?zhèn)鬏數(shù)?CPU0 的 L1 緩存,如圖中 B 箭頭所示。如果此時恰好 CPU1 的負(fù)擔(dān)比較輕,處在較低的工作頻率下,則需要很長的時間才能完成數(shù)據(jù)傳輸,而工作在高頻的 CPU0 則被浪費在了等待中。


那么,如何才能做到既能根據(jù)計算任務(wù)的輕重,動態(tài)的調(diào)節(jié)核心的能力,最大限度的節(jié)能;又避免異步多核架構(gòu)在一些情況下性能損失的問題呢?


ARM 提出了大小核(big.LITTLE)的架構(gòu)。
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與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容,謝絕轉(zhuǎn)載!

系列匯總:

之一:第一款處理器之謎

之二:處理器的春秋戰(zhàn)國時代:8 位處理器的恩怨與紛爭(上)

之三:處理器的春秋戰(zhàn)國時代:8 位處理器的恩怨與紛爭(下)

之四:處理器的三國時代:蘋果攪動 MCU 江湖

之五:處理器的三國時代:DR 公司盛氣凌人,IBM 轉(zhuǎn)身成就微軟

之六:32 位處理器的攻“芯”計:英特爾如何稱霸 PC 江湖?

之七:AMD 稱霸 PC 處理器市場的“曇花一現(xiàn)”

之八:CPU 兩大陣營對擂,X86 構(gòu)架讓英特爾如日中天

之九:你知道 X86 構(gòu)架,你知道 SH 構(gòu)架嗎?

之十:SuperH 系列處理器:昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”

之十一:MIPS 構(gòu)架:曾經(jīng)是英特爾的“眼中釘”

之十二:MIPS 構(gòu)架之:我和龍芯有個約會

之十三:ARM 架構(gòu):有處理器之處,皆有 ARM

之十四:ARM 和英特爾還有一場“硬仗”要打!

之十五:PowerPC 架構(gòu):IBM 的一座金礦

之十六:PowerPC 和它的“前輩們”:曾經(jīng)那么風(fēng)華絕代

之十七:PowerPC 和它的“前輩們”:一代更比一代強

十八:當(dāng) Power 架構(gòu)的發(fā)展之路遭遇“滑鐵盧”

之十九:開啟多核時代的 Yonah:它是英特爾酷睿 core 的開發(fā)代號

之二十:除了 Core iX 系列,你未曾注意的架構(gòu)還有這些!

之二十一:處理器廠商的絕密武器之工藝之爭

之二十二:CPU 的主頻、倍頻、超頻,不是頻率越高速度就越快

之二十三:這張漫畫告訴你,為什么雙核 CPU 能打敗四核 CPU?

之二十四:核”與“線程”對 CPU 工作效率的貢獻,各有千秋

之二十五:英特爾和 AMD 在“核戰(zhàn)場”上的殊死搏斗

之二十六:多核 MCU 的出路在哪里?

之二十七:多核異構(gòu)新方向,ARM 與 Intel 在手持設(shè)備市場的“廝殺”

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

1996畢業(yè)于華東理工大學(xué)自控系,同年7月進入某大型國企擔(dān)任電氣員。2000年轉(zhuǎn)行從事硬件研發(fā)相關(guān)工作;后從事RFID相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計,曾參與中國自動識別協(xié)會RFID行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的起草;歷任硬件工程師、主管設(shè)計師、項目經(jīng)理、部門經(jīng)理;2012年至今,就職于沈陽工學(xué)院,擔(dān)任電子信息工程專業(yè)教師,研究方向:自動識別技術(shù)。已經(jīng)出版教材《自動識別技術(shù)概論》,職場故事《51的蛻變 》。