改善低頻運算多余功耗　big.LITTLE備受矚目

　　big.LITTLE技術之所以受到IC設計業者矚目，原因就是一般移動工作量對效能的需求各有不同，必須找到最合適的核心處理。圖5顯示的是目前搭載Cortex-A9的移動裝置中，兩個核心在DVFS、閑置與完全關機狀態下所花費時間的百分比，（a）處代表最低頻率操作點；（b）處則代表最高頻率操作點，介于兩者之間則屬中級頻率。

　　圖5 低密度使用案例的DVFS駐留時間

　　除DVFS狀態之外，作業系統電源管理也會使中央處理器閑置，圖中（c）處代表閑置時間，當CPU閑置的時間夠長，系統電源控制軟體將完全關閉其中一個核心以節省耗電，圖中（d）處便代表這部分。

　　從圖5可清楚看出應用程式處理器在好幾種普通工作量下，都有相當多時間處于低頻率狀態，在big.LITTLE系統里，系統單芯片（SoC）可利用耗能較低的Cortex-A7核心，執行最高操作頻率以外的所有工作。以相同方式分析更為密集的工作量，Cortex-A7處理器對應出低于1GHz頻率的機會仍然很大。

　　事實上，自2011年起，使用者層級軟體已能在big.LITTLE排程上運轉，不過，那只是在處理器核心與互聯的軟體模型環境上發展。為完整評估big.LITTLE系統效能、功耗及調校是否合宜，還須打造一個能讓使用者軟體全速運轉的測試芯片。

　　ARM 測試芯片早在2012年初夏即由晶圓代工廠完成，并在短短幾周內開始搭配參考設計板運轉，支援完整版的Linux系統及Android 4.0作業系統。這個測試芯片包含一個雙核心Cortex-A15叢集、一個三核心Cortex-A7叢集，以及CCI-400快取一致匯流排架構。會影響部分使用者評效基準的繪圖處理器并不包括在內，但平臺仍可支援Linux、Android作業系統與效能測試軟體。

　　測試芯片的 Cortex-A15最高頻率達1.2GHz，Cortex-A7則為1GHz。效能評析結果顯示，雖然測試芯片上的記憶體系統效能不如 big.LITTLE SoC量產后的預測水準，但Cortex-A15與Cortex-A7中央處理器的效能仍落在預期范圍內。

　　用來測試big.LITTLE效能的任務量，主要基于Android 4.0系統，透過網頁進行網路瀏覽器效能循環，背景則有音效播放。在此實例中均以相當密集的工作量搭配對性能需求不高的背景活動，網路瀏覽器每2秒便進行網頁循環，每頁卷動達500畫素，因此對系統效能需求相對較高。

　　這組結論屬于較早期的測試結果，用來測試初版big.LITTLE MP修正程式組，將Linux排程程式從一個完整而平衡的排程模式調整成big.LITTLE模式。預期未來在更多業者投入軟體修正后，效能與能耗將更進一步改善，而其他可調校的部分也將有相關解決方案被提出。

　　另外，測試芯片缺少GPU，使CPU的負載高過搭載GPU系統在卸載狀態下的負載水準，而在CPU負載較低的狀況下，可能會較常使用LITTLE核心，進而達到節能目的。它包含一套基本的電壓及頻率操作點，但沒有對單一處理器核心做獨立的電源開關設計，因此big.LITTLE系統單芯片量產后測試結果可望提升。舉例來說，后臺任務效能便可節省超過70%能耗。

　　IC 設計業者正全力投入big.LITTLE開發，然而，各界最常見的疑問就是應選擇哪一種軟體模式？目前主要是在CPU切換與big.LITTLE MP之間擇一，而兩種方式各有正反意見。在CPU切換方面，由于big及LITTLE核心處于搭配成對的狀態，因此對稱式的拓撲能順暢運作；而big及 LITTLE核心數量不同的非對稱式拓撲則須額外的運轉。

　　big.LITTLE MP模式效果更出色

　　由于 Cortex-A7中央處理器核心體積較小，因此可使用四個LITTLE核心加上一到兩個big核心，這種作法可能會具有吸引力。從正面角度來看，中央處理器切換讓電源及效能的調校更為容易，可重復利用既有的作業系統電源管理程式碼，代表實作將有多年的研發及測試結果做為支援。加上不必調整核心排程程式，范圍比執行big.LITTLE MP模式更為簡化，而軟體模式也能日趨成熟。

　　整體而言，CPU切換是一種極佳解決方案，相關IC設計業者亦正研擬升級至big.LITTLE MP模式，以提供更多元的處理器運算解決方案。big.LITTLE MP具有多項技術優勢，雖技術尚未完全成熟，但目前的測試結果已相當不錯。由于此模式也支援非對稱式拓撲，故毋須調整軟體即可完全利用系統中所有核心，對提升芯片效能并降低功耗更有利。

　　舉例來說，big.LITTLE MP能同步利用所有核心在短時間內達到最高效能，或將big與LITTLE核心上的DVFS設定與排程程式設定調成不同狀態，以節省更多電力。不過彈性提升仍有其代價，芯片商與系統業者均須增加調校動作，才能從big.LITTLE MP平臺獲取完整的效能及能耗優勢。

　　這與過去一直為主流，由芯片和晶圓代工廠將作業系統能源管理設定，以及DVFS參數資料，依裝置需求轉化為移動系統單芯片平臺的作法并無太大差異。big.LITTLE MP模式將切換模式延伸并納入新的參數資料，不僅更為節能，更能為經過效能優化的big核心增加系統回應度。

　　big.LITTLE MP模式正快速成熟，已有許多芯片商積極投入開發，產品可望在2013下半年大量出爐。由于big.LITTLE MP模式并不須大幅改變硬體，因此晶圓廠可部署支援CPU切換模式的平臺，進行核心更新后，再升級到big.LITTLE MP模式，或直接建置現有完整的big.LITTLE平臺。

　　目前big.LITTLE MP相關軟體已開始運轉，并開始在芯片商研發平臺端進行系統測試，ARM與合作夥伴亦正積極進行軟體強化，針對各種使用實例將系統效能調校至最佳效果，包括排程程式的負載平衡政策、上下切換點以及執行緒優先秩序等。此外，ARM也在開放原始碼平臺每月定期推出big.LITTLE MP修正程式組，內含測試芯片平臺、測試結果以及說明文件的最新的調校結果。Linaro也已推出修正程式組和CPU切換軟體，并開始供應Linaro聯盟成員。

　　隨著big.LITTLE技術演進，ARM近期更發布兩款具有big.LITTLE處理性能的新型CPU核心 --Cortex-A57及Cortex-A53處理器。Cortex-A57是經過效能優化的big核心，每時脈周期的效能較Cortex-A15增加 25%，頻率效能與能源效率也都高于Cortex-A15處理器。Cortex-A53則為LITTLE核心，每時脈周期效能增加40%，能源效率則等同于Cortex-A7。

　　布局下世代big.LITTLE　ARM加速推出新核心

　　這些新核心在架構上都完全相同，并支援ARMv8架構，因此能導入進階版的NEON技術與浮點功能、加密加速并支援64位元。除AMBA4 ACE，兩種核心也都支援新世代快取一致匯流架構，且跟現有ARMv7架構的CPU核心一樣，能在AArch32模式下執行既有程式碼。支援64位元及額外一般用途暫存器的應用方式洗煉而有效率，且能耗增加不多。

　　微架構也經過強化，以增加各核心在每個指令時脈周期中的傳輸量。這些新款核心在經過軟體細部升級并支援64位元定址模式后，將會跟Cortex-A15及Cortex-A7處理器一樣支援big.LITTLE技術。

　　兩種核心將在2013年提供給合作晶圓廠，預計2014年開始量產。

　　未來，big.LITTLE設計將為移動裝置系統功耗及效能控制點的極度寬動態（Wide Dynamic Range）帶來全新的可能性，這是單一類型處理器核心所無法達到的。目前市面上裝置的工作量往往混雜程度高低不同需求的執行緒，這種寬動態便可為其提供完美的執行環境，提供一個在新世代移動平臺下，提升裝置運算效能并延長續航力的大好機會。