本文論述并比較目前移動(dòng)平臺(tái)所采用的主要的多核處理技術(shù)，重點(diǎn)介紹多核處理技術(shù)與意法·愛(ài)立信未來(lái)產(chǎn)品所采用的具有突破性的FD-SOI 硅技術(shù)之間的協(xié)同效應(yīng)，通過(guò)對(duì)比個(gè)人計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，例證移動(dòng)平臺(tái)的單核處理器還有很大的性能提升空間，從軟件性能角度分析，目前集中資源于速度更快的雙核處理器比速度較慢的四核處理器更贏利。

此外，我們還將論述 FD-SOI 技術(shù)如何在相同功耗條件下提高雙核處理器頻率，以及如何擴(kuò)展高能效工作模式，所有這些優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生一個(gè)比異構(gòu)和同構(gòu)四核處理器更簡(jiǎn)單、更便宜、更高效的解決方案。

多核處理器的問(wèn)世是必然，而不是可以選擇

多核處理器是技術(shù)發(fā)展的必然，而不是人類(lèi)可選的，在此重申這一點(diǎn)很重要。從歷史看，當(dāng)工作頻率提高到芯片散熱極限時(shí)，主流PC 機(jī)多核處理器開(kāi)始問(wèn)世。事實(shí)上，自硅技術(shù)集成初期到2003－2005 年間，在主流計(jì)算機(jī)中，工作頻率提高和晶體管數(shù)量主要用于提升單核處理器的性能（見(jiàn)圖1）。在此期間，應(yīng)用軟件的性能提升與硬件技術(shù)發(fā)展保持同步，日益增多的舊版軟件無(wú)需做任何修改，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)行業(yè)出現(xiàn)空前的增長(zhǎng)。

只要可能，這個(gè)趨勢(shì)就不會(huì)發(fā)生改變，直到芯片散熱達(dá)到極限為止。頻率提高而非晶體管數(shù)量增加是芯片達(dá)到散熱極限的部分原因。在這一問(wèn)題上，多核處理器被認(rèn)為是連續(xù)利用數(shù)量不斷增加的晶體管同時(shí)把功耗限制在可控范圍內(nèi)的唯一解決辦法。雖然有悖常理，但是，單核處理器在假定頻率時(shí)的功耗高于雙核處理器在假定頻率的二分之一時(shí)的功耗，這是因?yàn)樘幚砥黝l率越高，所需的電壓就越高，此外，動(dòng)態(tài)功耗與電壓是平方關(guān)系（圖2 所示是簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算式）。

多核處理器確實(shí)使硬件集成度遵循摩爾定律（晶體管數(shù)量每18 個(gè)月增加一倍），為此而付出的代價(jià)是軟件性能提升被完全破壞。對(duì)于軟件，再也沒(méi)有免費(fèi)的午餐，正如年發(fā)表的一篇著名論文［1］所述，從那時(shí)開(kāi)始，為了繼續(xù)高效地應(yīng)用硬件技術(shù)進(jìn)步，軟件開(kāi)發(fā)人員必須采用并行且均衡的編程方式，使代碼能夠高效地映射到多核處理器，換句話(huà)說(shuō)，軟件需要并行化，糟糕地是，軟件并行化在整個(gè)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域仍然是最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，雖然最初的研發(fā)熱情還沒(méi)有減退，但是，到目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)效率令人滿(mǎn)意的通用解決方案［2］。很多本身是串行的應(yīng)用軟件則根本沒(méi)有并行化解決方案。

這個(gè)問(wèn)題難度非常大，在過(guò)去10 年來(lái)進(jìn)展很小。G. Blake et al 在2010 年的論文［3］中提出兩個(gè)重要看法：

· 在雙核處理器問(wèn)世時(shí)，用戶(hù)感受到的響應(yīng)速度快是雙核處理器的最直接的優(yōu)點(diǎn)，但是， 10 年后，大多數(shù)軟件，包括要求嚴(yán)格的游戲、辦公軟件、多媒體播放器和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，還是僅能充分利用雙核處理器，只有很少的應(yīng)用軟件（視頻制作）能夠更高效地利用雙核處理器。

事實(shí)上，自多核處理器在10 年前問(wèn)世至今，除很少的應(yīng)用軟件外，大多數(shù)PC 軟件還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)并行化。因?yàn)槎嗳蝿?wù)操作系統(tǒng)和某些應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)方法的原因，例如，用于處理用戶(hù)界面等異步事件的事件驅(qū)動(dòng)型代碼，某些并行處理功能是原生的，但是，這些原生并行線(xiàn)程的均衡性通常很差，通常相互關(guān)聯(lián)，只有少數(shù)線(xiàn)程可并行使用現(xiàn)有多核處理器，然而最終只能發(fā)揮雙核以下處理器的能力。

軟件開(kāi)發(fā)人員選擇不將其代碼并行化，因?yàn)榇蠖鄶?shù)PC 機(jī)應(yīng)用軟件根本沒(méi)有必要并行化，或者并行化成本過(guò)高。某些小眾市場(chǎng)是例外，例如，某些多媒體應(yīng)用軟件、CAD 工具和某些專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，軟件性能是這些市場(chǎng)最關(guān)注的差異化特性。人們預(yù)計(jì)多核處理器將在視頻游戲中找到用武之地，如上文所述，實(shí)際上卻不是這樣，其中一個(gè)原因是，最近幾年，圖形處理器 （GPU）的發(fā)展速度比多核CPU 還要快，因此，在充分利用圖形處理器上投入資源的回報(bào)率更高，而將復(fù)雜的游戲引擎并行化，使其能夠在多核CPU 上運(yùn)行，是一件費(fèi)力不討好的工作。

在其它領(lǐng)域，多核處理器的情況不盡相同。例如，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，因?yàn)椴⑿泄ぷ髫?fù)荷量大，多核處理器發(fā)展順利。在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，軟件并行化有其合理性。

移動(dòng)業(yè)和 PC 業(yè)一樣嗎？

智能手機(jī)性能演進(jìn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)加速的且時(shí)空轉(zhuǎn)換版的臺(tái)式計(jì)算機(jī)性能演進(jìn)過(guò)程。蘋(píng)果的演進(jìn)過(guò)程是一個(gè)很好的實(shí)例，我們很容易在一定時(shí)期內(nèi)找到一致的數(shù)據(jù)，且蘋(píng)果也能代表大多數(shù)手機(jī)平臺(tái)。

圖3 所示是Dhrystone MIPS （DMIPS） CPU 性能測(cè)試成績(jī)，其中數(shù)據(jù)是ARM 分析其處理器所用數(shù)據(jù)。同樣地，我們應(yīng)將測(cè)試成績(jī)轉(zhuǎn)換成圖1 中的英特爾CPU 性能測(cè)試所用的指令級(jí)并行測(cè)試（ILP），即在不考慮處理器的頻率時(shí)測(cè)試CPU 架構(gòu)的效率。IDMIPS-single 表示單核處理器的相對(duì)性能，測(cè)試成績(jī)是通過(guò)DMIPS/MHz 乘以頻率而得來(lái)，而DMIPS-dual 是 DMIPS-single 乘以，表示蘋(píng)果從iPhone 4S 開(kāi)始的雙核處理器的最高總體性能。對(duì)于軟件性能分析，我們只是引用了Anandtech［4］的iPhone 5 產(chǎn)品評(píng)測(cè)中的基準(zhǔn)測(cè)試成績(jī)： Sunspider 和 Browsermark 是網(wǎng)絡(luò)瀏覽器 （Javascript） 基準(zhǔn)測(cè)試工具，因?yàn)槭菃尉€(xiàn)程，所以無(wú)法測(cè)試多核處理器；Geekbench 是一個(gè)多線(xiàn)程基準(zhǔn)測(cè)試工具，應(yīng)該能夠體現(xiàn)多核處理器的性能優(yōu)勢(shì)。

我們?cè)趫D3 中注意到兩個(gè)要素：

1.架構(gòu)效率 （DMIPS/MHz） 、頻率和最終的單核性能 （DMIPS-single） 并沒(méi)有飽和，相反，還有很大的提升空間，這種趨勢(shì)完全不同于PC 機(jī)單核處理器的演進(jìn)路線(xiàn)，后者顯然從年開(kāi)始達(dá)到飽和。因此，我們得到的初步結(jié)論是，移動(dòng)應(yīng)用單核處理器不同于處理器，到目前其性能還沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)。

2.我們預(yù)想軟件性能與單核處理器性能成正比例關(guān)系。實(shí)際上，從iPhone 4S 到 iPhone 5，和 Browsermark 的測(cè)試成績(jī)?cè)龇艽?。這兩款手機(jī)都是雙核處理器，而且這兩種基準(zhǔn)測(cè)試都是單線(xiàn)程，因此，軟件性能提升與多核處理器無(wú)關(guān)。測(cè)試成績(jī)提升的原因是網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的軟件性能大幅提升，特別是Javascript 的優(yōu)化起到重要作用，另外，其它硬件也很可能被優(yōu)化，例如，改進(jìn)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)。相反， Geekbench 是一個(gè)多核線(xiàn)程基準(zhǔn)測(cè)試工具，系統(tǒng)軟件變化對(duì)其影響不大。iPhone 5 的Geekbench 測(cè)試成績(jī)大幅提升，這似乎表明多核處理器至少發(fā)揮了一定作用，但是，令人奇怪地是，從單核到雙核iPhone 4S，我們并沒(méi)有看到同樣的成績(jī)提升。在任何情況下，所有的基準(zhǔn)測(cè)試，包括Geekbench，都保持在雙核處理器的理論性能峰值以下。我們稍后將提供更多的軟件性能提升數(shù)據(jù)，但是，分析這些基準(zhǔn)測(cè)試工具的測(cè)試成績(jī)，我們至少可以得到以下初步結(jié)論：像 PC機(jī)一樣， 軟件性能提升與單核處理器性能成正比，同時(shí)還與應(yīng)用軟件有關(guān)；而與多核處理器性能的關(guān)系不大，或根本不成比例關(guān)系。