新一代智慧手机核心节能技术 aSMP 、 big.Little 、 4-Plus-1 简单介绍

无论智慧手机或是平板,虽然近期电池设计也有小幅提昇,不过在一票产品轻薄风下,相对于效能的提昇,电力的限制还是较多在今年,各家针对智慧手机与平板的应用处理器商开始进入四核 Cortex-A15 架构后,如何在缓不济急的製程更进步之前藉由设计

 无论智慧手机或是平板,虽然近期电池设计也有小幅提昇,不过在一票产品轻薄风下,相对于效能的提昇,电力的限制还是较多在今年,各家针对智慧手机与平板的应用处理器商开始进入四核 Cortex-A15 架构后,如何在缓不济急的製程更进步之前藉由设计降低功耗,就成为另一场除了效能外的战争。

目前市场上已经宣布导入 Cortex-A15 或是类 Cortex-A15 架构的厂商,除了充满谜团的苹果 A 系列应用处理器外,还有高通採用 Krait 架构的 Snapdragon S4 、未来的 800 与 600 系列,三星的 Exynos 5 以及 NVIDIA 的 Tegra 4 ,三家厂商也分别为了节能下了一番功夫,如高通独家的 aSMP 、三星採用 ARM 标準的 big.Little 大小核,以及 NVIDIA 的 4-Plus-1 。

各家的技术各有不同,但目的只有一个,就是省电,跳转开始简介这三个节能技术。

aSMP :

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高通在单核心时代就为了省电,藉由大幅修改 ARM 的标準设计,仅採用同级底层提出 SMP 的动态时脉与电压调整技术,当进入多核设计后,高通更进一步提出 advanced SMP 技术,简称 aSMP ,这套技术的逻辑是将各个核心视为一个独立模组,透过专利的控管核心对每个核心进行时脉、电压的管理,并且可让核心进行休眠与睡眠。

这次发表的全新 600 与 800 系列应用处理器也是基于 aSMP 设计,在四核架构下,由于可独立的管控各核心的时脉,甚至可在最低功耗下,达到其它技术为了功耗的独立省电核心的耗电水準。不过 aSMP 也有其门槛,就是同等时脉效能会比起规划在同一模组内的多核心略低,这是由于各核心的分配与管理较为複杂,导致效能会有所耗损。

虽然明知效能会有所耗损,且设计较为複杂,但为何高通会坚持 aSMP 设计?主要的关键还是在于高通的应用处理器过于複杂,不光只是基本的 CPU 、 GPU 、记忆体管理、 I/O 等,还包括电信基频、 WiFi 、蓝牙、 FM 、GPS 甚至音效,若如其它技术还需要另一组低功耗核心,会增加核心内部的複杂度,故高通选择宁可放弃标準化的大小核,使用自主的 aSMP 。

big.Little :

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big.Little 大小核并非三星的专利,而是隶属 ARM 的专利设计,这项技术是由于 ARM 除了 Cortex-A15 之外,还有推出低功耗但同时效能直逼 Cortex-A9 的 Cortex-A7 设计,而 big.Little 就是将多核 Cortex-A15 与多核 Cortex-A7 融合在一起,像三星的 Exynos 5 Octa 实质上就是四核 A-15 与四核 A7 的组合。

说穿了 big.Little 的组合若以目前 PC 市场的架构,有点近似于将四核的 Intel Core i5 与四核的低电压赛扬置于同一套系统中,针对不同的使用情境切换这两套模组。这套架构是为了 ARM 的 Cortex A 的多核设计当中,虽已经具备关闭核心的概念,但同一套模组中的核心电压必须同步,故考虑到手持装置待机或是低负载时需要更省电的设计,才採用同基础的异质核心搭配。

在去年公布 big.Little 的时候, ARM 当时的说法是 Cortex-A15 与 Cortex-A7 两者是相互切换,还无法进行同时使用,而第二阶段的 big.Little 则是能在高负载时,让闲置的 Cortex-A7 模组分摊其它低负载的底层;不过昨天有一位读者贴出 ARM 最新的架构白皮书的文字叙述部份,笔者试图与 ARM 洽询,得到的回答是 big.Little 的架构已经具备两套模组并行运算的能力。

但大小核能够进行并行运算,需要建立在两个关键,其一是软体与系统是否支援这样的并行运算能力,其次是若并行运算后,系统的功耗与发热会否超出预设的範围?若两项有一项无法达成,则 big.Little 架构现阶段还是仅能两组模组轮替使用。

不过由于此项技术并非三星专利,未来除三星外,也可能看到如华为採用的海思半导体、 ST-Ericsson 、联发科等厂商的应用处理器採用这项节能专利。

4-Plus-1 :

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4-Plus-1 的原称为 vSMP ,是由 NVIDIA 自 Tegra 3 之后提出的省电架构,当初 Tegra 3 採用的是一套四核心 Cortex-A9 模组搭配一颗低电压的 Cortex-A9 构成,目前 Tegra 4 ” Wayne ” 仅强调为一套四核 Cortex-A15 搭配一颗省电核心,但并未揭露这次的省电核心设计。

4-Plus-1 推出的时空背景是当时 ARM 还未提出 big.Little 的概念,但碍于 Tegra 3 当时抢先导入四核架构加上仅以 40nm 投产,故需要一套能节能的方式,最终的结果与 big.Little 相当类似,也是全速靠高效能核心模组,一般与待机仰赖单一的小核心,就 Tegra 3 的设定,比较像是一套四核心的 Intel Core i5 搭配一颗低电压的单核 Core i5 。

不过目前 Tegra 3 的 4-Plus-1 在 Android 系统当中,除了实现两套模组根据负载进行切换外,低功耗核心还可用于触控的控制等底层作业,虽还未达到两模组并行运算的阶段,但是已有分工的概念。

小结:

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以上三个架构虽然设计上有所不同,但最终的目的都是在有限的功耗下设法提供最高的效能并且延长设备的续航能力,不过省电的关键仍在于使用者的习惯,若经常性的使用需要高运算力的内容如游戏或者是安装了有问题的 app ,即便节能架构再先进也是无济于事。

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