PC單核處理器在2003 年達(dá)到散熱極限時，此后性能再也沒有增長的空間；而移動平臺則不同，智能手機(jī)時代始于2007 年，移動單核處理器還擁有巨大的性能提升空間，到今天為止，還沒有跡象顯示移動平臺性能飽和。

人們不禁要問：為什么移動平臺不同于PC 處理器，在單核性能達(dá)到飽和前就轉(zhuǎn)向多核處理器？

我們認(rèn)為有兩個原因，第一個原因是，移動計算產(chǎn)品沿用數(shù)十年前的技術(shù)知識，特別是人們普遍知道，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)能夠更高效地利用雙核處理器，高速緩存一致性和多任務(wù)處理操作系統(tǒng)等基本技術(shù)已經(jīng)到位。因為能夠充分利用雙核處理器，就沒有必要再等。而且，這個過程進(jìn)展得非?？?；第二個原因是進(jìn)攻性的營銷策略。

像大多數(shù)商用平臺一樣，CPU 在進(jìn)入四核時代后的發(fā)展方向目前尚不清楚，PC 業(yè)的經(jīng)驗告訴我們，即使多核處理器存在于市場10 年后，使用雙核以上的處理器對于大多數(shù)軟件是沒有實用意義，唯一的技術(shù)解釋是移動應(yīng)用軟件比PC 軟件更易于多核處理，但是，我們在短時間內(nèi)不會看到這種情況發(fā)生。

事實上，有說服力的技術(shù)原因根本就不存在。動機(jī)似乎都與市場營銷有關(guān)，因為智能手機(jī)市場競爭激烈，多核處理器是一個很有進(jìn)攻性的武器。目前，廠商利用處理器內(nèi)核數(shù)量使自己的產(chǎn)品保持差異化，甚至消費者也這樣做。具有諷刺意義的是，技術(shù)上沒有任何新發(fā)明，市場營銷上沒有新意，相同的廣告詞早在PC 多核問世時就被廣泛使用。像PC 機(jī)一樣，人們很快就會意識到，移動設(shè)備內(nèi)的CPU 內(nèi)核數(shù)量與產(chǎn)品帶給客戶的真正價值沒有直接關(guān)聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)瀏覽器是最重要的手機(jī)應(yīng)用軟件之一，也是手機(jī)高性能CPU 的最大受益者，同時還是要求嚴(yán)格的PC 級應(yīng)用軟件的一個實例，瀏覽器的性能非常重要，因為它直接影響用戶視覺互動性。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷增加，今天的處理速度已處于臨界線，將來HTML5 rich API 和不斷增加的編程內(nèi)容（javascript）對處理速度要求更高。網(wǎng)絡(luò)瀏覽器還是高效使用今天的雙核處理器的一個很好的實例，因為操作系統(tǒng)支持功能、軟件工程、人機(jī)互動（防止UI 死屏）、安全性和穩(wěn)健性（不同處理過程中的多個標(biāo)簽）的原因，瀏覽器引入了并行活動。但是，因為缺少充足的均衡的軟件并行技術(shù)，瀏覽器無法滿足雙核以上數(shù)理器的運行需求，測試結(jié)果顯示，處理器從雙核進(jìn)化到四核，瀏覽器性能提升很小或根本沒有提升。

圖4 所示是在同一四核處理器硬件/軟件平臺上運行的兩款主流瀏覽器的測試成績，通過軟件設(shè)置（熱插撥）可以選擇不同的處理器數(shù)量，因此，測量結(jié)果完全是同一硬件/軟件環(huán)境的真實數(shù)據(jù)。在所有的配置中，工作頻率完全相同。相對分?jǐn)?shù)是指在多次重復(fù)測量中若干個主流網(wǎng)站上的網(wǎng)頁加載時間的平均值，因此，這個用例代表了真實的網(wǎng)站瀏覽體驗，而不是人為的基準(zhǔn)測試。當(dāng)從單核切換到雙核時，速度提升30%是一個較好的成績，符合預(yù)期。然而，從雙核切換到四核時，處理速度只取得0-11%的提升。在雙核處理器上進(jìn)行相似的測試，從單核切換到雙核時，處理速度提升高達(dá)50%。

另一方面，如前文分析PC 處理器時提到的，不論處理器有多少個內(nèi)核，頻率提高總是有益于提升軟件性能。當(dāng)對多核處理器方案進(jìn)行比較時，這一點很重要，因為處理器內(nèi)核增加會對頻率產(chǎn)生負(fù)面影響?；ミB線和存儲器等共享資源沖突，高速緩存、一致性電路的擴(kuò)展受限，這些因素都會限制多核處理器的頻率提升。為提升多核處理器的總體頻率，需要使用軟件多核處理方法補(bǔ)償多核處理器降低的頻率。例如，我們在以前的折衷分析 ［5］中提到，四核處理器的頻率比雙核處理器降低約27%，軟件必須有70%的代碼實現(xiàn)并行化，才能使四核處理器的性能優(yōu)于雙核處理器，這是一個很大的比例，幾乎沒有應(yīng)用軟件能夠達(dá)到這個水平，當(dāng)然不是通過原生并行，因為取得如此高的平行化，需要特殊的專門的并行化工作。

前文提到軟件并行化程度很低，所以速度較快的雙核處理器可輕松戰(zhàn)勝速度較慢的四核處理器，這種現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中特別明顯，如圖5 所示，為了與1.4GHz 的雙核處理器比較，我們?nèi)藶榈膶⑺暮颂幚砥鞯呐渲媒抵?.2GHz，從圖中可以看出，即便兩者頻率相差很小，低于20%，速度較快的雙核處理器始終優(yōu)于速度較慢的四核處理器。

我們對手機(jī)的其它重要應(yīng)用軟件進(jìn)行了類似的測試，例如，視頻游戲、程序啟動時間和多媒體功能，每次都取得相似的結(jié)果：在頻率相同的條件下，CPU 從雙核進(jìn)化到四核，性能提升很小或根本沒有提升；當(dāng)速度相差15-20%時，速度較快的雙核總能擊敗速度較慢的四核。

從正面看，智能手機(jī)搭載四核處理器應(yīng)當(dāng)會刺激軟件開發(fā)人員更有效地利用四核處理器，希望比PC 業(yè)在最近10 年做得更成功。智能手機(jī)的可用資源比PC 機(jī)的可用資源更敏感，即使移動處理器無限接近PC 處理器，兩者之間還有很大差距。在軟件方面，在移動移動平臺上運行級的應(yīng)用軟件還有很大的壓力，綜合以上，再加上更低的功耗限制和更激烈的市場競爭環(huán)境，這些應(yīng)該給軟件開發(fā)人員足夠的動機(jī)，投入更多的資源提高多核處理器的利用率。

多媒體是一個令人關(guān)注的領(lǐng)域，這個領(lǐng)域通常對處理性能要求嚴(yán)格，多媒體軟件自然適合并行化。擴(kuò)增實境、計算攝影學(xué)、手勢識別等令人興奮的新應(yīng)用領(lǐng)域都將應(yīng)用并行處理技術(shù)，因為這些功能的穩(wěn)定性不適合硬件加速。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，多核處理器也有競爭技術(shù)，通用圖形處理器（GPGPU）同樣是可編程多核處理器解決方案，不同的是，GPGPU 將代碼映射到GPU 而不是CPU。目前，GPGPU 的編程難度比多核CPU 更大，但是GPU 硬件發(fā)展速度很快，編程模型和工具也取得很大進(jìn)展，因此，目前發(fā)展趨勢還不明朗。

異構(gòu)多核處理技術(shù)

移動異構(gòu)多核處理器的設(shè)計原理是，使用高性能但功耗高的處理器執(zhí)行要求嚴(yán)格的應(yīng)用任務(wù)，使用速度慢但高能效的處理器運行要求不高的任務(wù)。目前市場上已經(jīng)有異構(gòu)四核處理器平臺，例如，NVIDIA 的 Tegra 3 采用的Variable SMP ［6］技術(shù)，采用 ARM big.LITTLE［7］解決方案的異構(gòu)多核處理器預(yù)計不久就會上市。這個想法當(dāng)然很好，但是成功還需要一些時間；像比較雙核與四核處理器一樣，簡單的解決方案只要可行，總是被優(yōu)先選用，特別是涉及復(fù)雜的軟件修改時，簡單的解決方案總是勝出。我們稍后將分析如何利用 FD-SOI 硅技術(shù)以更簡單、更有效的方式達(dá)到同樣的效果。

異構(gòu)多核處理器使軟硬件都變得十分復(fù)雜，圖6 所示是ARM big.LITTLE 硬件解決方案。

硬件變復(fù)雜的主要原因是，處理器高速緩存只有保持一致性，才能用于智能手機(jī)操作系統(tǒng)假設(shè)的共享存儲器系統(tǒng)，為此，AMR 在互聯(lián)線上引入了ARM ACE 接口技術(shù)，但這卻提高了硬件復(fù)雜程度，導(dǎo)致緩存一致性流量增加。

在軟件方面，如果把架構(gòu)的全部潛力都發(fā)揮出來，系統(tǒng)異質(zhì)管理對于操作系統(tǒng)可能是一件非常復(fù)雜的任務(wù)。理論上，操作系統(tǒng)應(yīng)該有足夠高的智能，能夠區(qū)別要求條件不同的應(yīng)用任務(wù)，將其分配給大處理器或小處理器執(zhí)行。為限制在昂貴的集群器間移植軟件，這些決策應(yīng)該相對穩(wěn)定。同時，應(yīng)用軟件可能會突然改變行為，系統(tǒng)必須能夠迅速做出響應(yīng)，這需要提高動態(tài)電壓和頻率，而且在兩個集群器上單獨進(jìn)行，增加要考慮的功率狀態(tài)的數(shù)量。不僅今天的操作系統(tǒng)無法提供發(fā)揮多核處理器的全部潛能所需的先進(jìn)復(fù)雜技術(shù)，而且錯誤的決策在實際應(yīng)用中可能會適得其反，大量的軟件移植會引起用戶可見的系統(tǒng)故障，錯誤決策引起性能降低或浪費電能。

完美地支持異構(gòu)多核處理器需要多年的研發(fā)活動和優(yōu)調(diào)技術(shù)。

為了限制系統(tǒng)做出錯誤決策的風(fēng)險，研發(fā)人員開發(fā)出了中間解決方案，但是，該解決辦法需要以降低多核處理器潛能利用率為代價。例如，某個解決方案通過專屬方式使用大小 集群器，即不是并行處理，而是根據(jù)系統(tǒng)總體負(fù)荷從一個集群器切換至另一個集群器，以避免智能映射每個獨立軟件線程變得更加復(fù)雜，這種方法的缺點是沒有并行使用集群器，所以沒有發(fā)揮多核處理器的全部潛能。

另一個最新的方法是把大小處理器整合成一對固定的處理器，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理每個大小處理器，將其視為一個電壓/頻率工作點擴(kuò)展的單一抽象處理器，這種方法的缺點是在集群器之間頻繁移植軟件具有一定的風(fēng)險，抽象處理器的工作模式配對不是原生的，因為在硬件上，工作點是由集群器實現(xiàn)的，而非大小處理器對。

總之，異構(gòu)多核處理器當(dāng)然是一項前景不錯的技術(shù)，特別是在移動市場。然而，因為技術(shù)復(fù)雜，特別是在軟件方面，這項技術(shù)需要經(jīng)過多年的研發(fā)和優(yōu)調(diào)才會發(fā)揮出全部的潛能。