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作者： 意法·愛立信 Marco Cornero 我們正處于移動計算時代的過渡期，每天都有令人震撼的設(shè)備發(fā)布，移動計算性能不斷提高，令人充滿期待。 移動平臺目前正在經(jīng)歷如PC機之前一樣的演變路線：單核處理器的頻率一路攀升，達(dá)到最大允許功耗的極限；為了繼續(xù)提升計算性能，并保持合理的功耗，處理器廠商又推出了多核處理器。 意法·愛立信早在2009年就推出了雙核處理器平臺，是第一批推出雙核處理器的芯片廠商，其NovaThor平臺開發(fā)計劃也是基于ARM雙核處理器。根據(jù)公司的分析報告，現(xiàn)有的軟件以及近期上市的軟件還不能充分發(fā)揮四核技術(shù)的優(yōu)勢。從最高可達(dá)頻率和內(nèi)存訪問開銷角度看，增加內(nèi)核不是沒有代價的。只有很好地平衡加核做法與軟件運行能力，才能充分利用加核后所提升的硬件并行處理能力。 本文將通過對比的方式探討頻率較高的雙核架構(gòu)與頻率較低的四核架構(gòu)的優(yōu)缺點。不過，芯片技術(shù)和軟件處理的折衷解決方案正在迅速發(fā)展，而且，愛立信也將根據(jù)技術(shù)未來發(fā)展趨勢調(diào)整產(chǎn)品計劃。在本文中，我們把討論的焦點放在性能上，功耗問題只稍加提示。事實上，在執(zhí)行高性能任務(wù)時，四核處理器的頻率和電壓都較低，因此節(jié)能省電效果更好；但是，如果不執(zhí)行高性能任務(wù)，四核就失去了省電的特色。 多核是需要有代價的 目前大多數(shù)最新的移動平臺所使用的多核架構(gòu)是對稱多核處理系統(tǒng)（Symmetric Multi Processing, SMP），其特點是多個內(nèi)核完全相同，且訪問系統(tǒng)資源（包括內(nèi)存）面臨相同的開銷。此外，運行SMP功能的操作系統(tǒng)的基本需求是多核必須共享一個內(nèi)存空間。為確保多個物理內(nèi)存之間的一致性來實現(xiàn)共享內(nèi)存空間，還需要配備專用電路。在今天的多核處理器中，每個內(nèi)核都有各自的一級高速緩存，每個內(nèi)核的一級高速緩存必須保持相互一致，而且還要與唯一的多核共用的二級高速緩存保持一致。內(nèi)存一致性硬件位于高速緩存的重要運行通道內(nèi)，因此，該硬件在很大程度上決定了多核架構(gòu)的擴展性。增加內(nèi)核不可避免地導(dǎo)致一致性協(xié)議的額外管理，產(chǎn)生額外的延遲，從而對性能造成負(fù)面影響。這就是為什么SMP架構(gòu)不能無限地擴展的原因，即使在超級計算機上， 也不能無限擴展。 不斷增加的1級/2級高速緩存數(shù)據(jù)流量和共用2級高速緩存而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)擁堵問題也限制了多核處理技術(shù)的擴展性能。每增加一個內(nèi)核，就需要更大的芯片面積和更高的2級高速緩存容量。這進(jìn)一步增加了芯片布局限制，并在內(nèi)存分層結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起訪問延遲。 意法·愛立信的實驗表明，對于典型負(fù)載，當(dāng)處理器從雙核變成四核時，每增加一個內(nèi)核，每核性能將會受到25-30%影響，雖然這是內(nèi)核頻率損失和在系統(tǒng)的不同部分浪費更多的時鐘周期的綜合影響，但是，我們可以將其簡化為等效的頻率降低。 軟件的擴展性 只有把軟件設(shè)計成并行運行才能充分發(fā)揮多核處理器的優(yōu)勢。軟件并行應(yīng)用分為兩類：并行應(yīng)用軟件和多任務(wù)處理。并行應(yīng)用遵循著名的Amdahl定律，如方程式1所示： 
如果處理器數(shù)量N給定，我們利用這個方程式可以確定一個應(yīng)用軟件能夠取得的最高加速比S，其中P代表并行運行應(yīng)用在軟件中所占的百分比，即P隨著處理器數(shù)量增加而線性提高（（1-P）是串行運行應(yīng)用的百分比）。我們特別關(guān)注的是，對于一個對于給定的應(yīng)用軟件（即P值已知），何時才是改用四核處理器的最佳時機。對于一個給定的應(yīng)用軟件，有一個很有趣的分析方法：合并一個四核處理器與一個雙核處理器的可達(dá)加速比，并考慮前文描述的硬件額外開銷因素，把硬件對相關(guān)頻率F的影響考慮進(jìn)去，即當(dāng)Fquad * S4> Fdual * S2時，四核性能占優(yōu)。 圖1所示是用比較S4/S2比與Fdual/Fquad的方法解上面的不等式。藍(lán)色橫線代表Fdual/Fquad = 1.37，這個數(shù)值對應(yīng)四核處理器每核25-30%的額外性能開銷。這條線與S4/S2曲線相交于P=70%的點，這意味著，應(yīng)用軟件的并行占比必須超過70%，才能把四核處理器的優(yōu)勢發(fā)揮出來，否則，四核性能比不上速度高出25-30%的雙核處理器。在現(xiàn)階段P>70%這個比例太大了！這意味著70%的應(yīng)用代碼都要很好地并行運行，這是非常罕見的。
圖1: 當(dāng)Fquad * S4> Fdual * S2時，S4/S2,Fdual/Fquad對比 有人可能提出，如果單核與雙核解決方案對比，結(jié)論也是同樣的，這在理論是正確的，但是，實際數(shù)值卻讓我們得出相反的結(jié)論：圖2中的紅線與圖1中的紅線相同，而綠線則代表單核與雙核的加速比特性。兩條線的走勢相同，但是，綠線總是在紅線上方延伸，結(jié)果P值比雙核與四核曲線的P值小很多，在這種情況下，速度較慢的雙核優(yōu)于速度較快的單核。此外，架構(gòu)從單核轉(zhuǎn)向雙核的性能代價也比從兩核轉(zhuǎn)向四核低很多，進(jìn)一步將P的閾值降到一個合理的數(shù)值（大約30-35%）。
圖2:比較單核對雙核（綠色曲線）與雙核對四核（紅色曲線）的加速比提高幅度 我們繼續(xù)比較雙核和四核處理器：根據(jù)經(jīng)驗，并行比例超過70%的應(yīng)用軟件是很少的。多媒體應(yīng)用軟件和某些視頻應(yīng)用是一個例外，考慮到它們需要的大量并行處理和優(yōu)化計算，其P值非常高，甚至達(dá)到了90-95%。但是，我們所討論的上下文有其特殊性：移動平臺的相關(guān)多媒體功能幾乎全都是硬件加速，導(dǎo)致這種特殊性的原因是：沒有任何其它方式能夠達(dá)到所需的性能并且/或者移動平臺的功耗是受限的。非硬件加速的多媒體應(yīng)用軟件確實可充分發(fā)揮四核處理器的優(yōu)勢，但是，它們會很快耗盡任何一種移動設(shè)備的電池，因此非硬件加速的使用是有疑問的。 網(wǎng)頁瀏覽器是推動移動計算性能提高的主要力量之一。今天的網(wǎng)頁瀏覽器能夠在雙核處理器上取得1.4-1.5的加速比，對應(yīng)的P值在55-65%之間，仍遠(yuǎn)低于70%閾值。另外，實際的應(yīng)用情況甚至要比理論更差，因為在今天的網(wǎng)頁瀏覽器內(nèi)并不能找到Amdahl定律定義的并行百分比P。事實上，大多數(shù)加速比來自關(guān)聯(lián)的支持活動，例如，用戶界面、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等，某些活動會分幾個線程執(zhí)行，因此，這些系統(tǒng)級的并行活動讓雙核處理器優(yōu)勢（1.4-1.5的加速比）得以充分發(fā)揮。 即便我們在網(wǎng)頁瀏覽中使用Amdahl定律，由于所涉及的并行算法之間的相互差異，我們也無法在四核處理器上得出1.8-2.0的理論加速比。事實上，我們傾向于四核處理器的1.6-1.7的理論加速比，這個比值對應(yīng)一個更具實際意義的50-55%的等效P值。即使移動多核處理器的處理優(yōu)勢將會極大地推進(jìn)網(wǎng)頁瀏覽器的并行化機制，但是，鑒于所涉及軟件的復(fù)雜性，這個過程肯定需要一段相當(dāng)長的時間。 視頻游戲是另一類值得考慮的計算密集型應(yīng)用軟件。與網(wǎng)頁瀏覽器相似，，今天的大多數(shù)商業(yè)游戲引擎并非并行且不適用于Amdahl定律。我們發(fā)現(xiàn)，有些游戲具有與網(wǎng)頁瀏覽器一樣的系統(tǒng)級特性，從而在雙核處理器上能取得很好的加速比，當(dāng)然，其P 值仍然低于推動四核處理器應(yīng)用的門限值。 此外，移動視頻游戲的瓶頸是圖形處理，而不是CPU。因此，目前，四核這一點激勵因素不足以讓軟件廠商在如此復(fù)雜的系統(tǒng)的并行化工程上花費大力氣。我們預(yù)計這種情況會逐漸改觀，但是還是尚需時日。 多任務(wù)處理的任務(wù)量有多大？ 多任務(wù)處理是軟件并行化的另一個推動力，當(dāng)然，多任務(wù)處理肯定受益于多核處理器。多任務(wù)處理指同時處理多個相互關(guān)聯(lián)性很小或無關(guān)聯(lián)的粗粒活動。多任務(wù)處理的例子很多，例如，一邊聽音樂一邊上網(wǎng)或進(jìn)行多頁瀏覽（現(xiàn)代的多頁瀏覽實現(xiàn)方法將針對不同的頁面分支出不同的進(jìn)程。）。 因為多任務(wù)處理完全取決于并發(fā)任務(wù)的數(shù)量和屬性，所以并沒有類似Amdahl定律一樣的數(shù)學(xué)公式來幫助我們確定其加速比。我們需要設(shè)法找到貌似合理的能夠把下一代2 GHz雙核處理器發(fā)揮到極限的用例，一邊聽音樂一邊做其它事情當(dāng)然是一個很普通的用例，但是播放音樂甚至播放數(shù)據(jù)流的工作量并不是很大。 今天雖然有很多Widget微件生成多任務(wù)處理請求，但不幸地是，這些程序的代碼量還是很小，甚至不能接近一個單核處理器的滿負(fù)荷。把手機視頻轉(zhuǎn)碼在外接顯示器上播放同時瀏覽網(wǎng)頁或玩視頻游戲是一個任務(wù)量很大的多任務(wù)處理用例。不過，移動平臺的多媒體功能多數(shù)是采用硬件加速技術(shù)，否則很快就會把電池用盡，無需考慮雙核與四核處理器。總之，很難發(fā)現(xiàn)足以激勵人選用四核的并行用例。 時機尚不成熟 按照PC行業(yè)的市場發(fā)展軌跡，部分移動行業(yè)將很快進(jìn)入四核處理器平臺時代。四大于二是一個非常有效的營銷口號！然而，對于最終的用戶來說，事實并非如此。 正如本文所述，四核處理器可能會對用戶的成本和性能感覺構(gòu)成負(fù)面影響。當(dāng)然，某些高端小眾市場或特殊使用場合不會受此影響，然而，事實上，今天的軟件的并行化程度還是不夠高，此時選擇四核處理器不是明智之舉。只有軟件改進(jìn)了，才是選擇四核的正確時機。目前，意法·愛立信寧愿集中精力優(yōu)化速度更快且功耗更低的雙核處理器，我們相信這將會給大多數(shù)消費者帶來更切合實際的好處。 |
