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Android装置多核心系统设计策略
多核心行动平台的效能非取决于核心数量

【作者: Michael Civiello】2013年06月03日 星期一

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提到电脑运算,特别是中央处理器(CPU),多核心的价值已在民众心中根深蒂固。核心数量的增加,从单核心、双核心、四核心到更多核心,已被公认为技术升级过程中必然的发展。这是个人电脑市场上行之多年的想法,也是厂商大力推崇的观念,而人们也对此寄予稳定提升效能的厚望。多核心解决方案已成为厂商在影响消费者购买决策时的重要行销策略。


随着网路与可携式装置的普及,这种现象已从电脑产业扩及至行动装置产业。然而,数量多就代表更好吗?我认为布署更精密的专用型核心架构,搭配低功耗的硬体加速器,更能为主流的Andr​​iod使用情境提供高效能与低耗电量的解决方案,进而满足甚至创造超越使用者需求的用户体验。我也将透过测试来佐证我的论点。


提升效能的智慧型核心架构

姑且不论一般使用者的想法,特定使用情况的真实效能其实取决于装置内部各项技术的平衡发挥-即系统架构、可用的记忆体频宽流量、延迟与图形处理器(GPU)等硬体相互配合,以达到最高效能。工程人员也认为智慧型核心架构是行动装置整体表现平衡发展的基础,例如视讯效能、影像处理品质与耗电量等。


藉由更智慧化的双核心解决方案,搭配专门卸载高效能需求作业的处理器,装置将能充分运用各元件,进而提供比四核心解决方案更优异的效能。量身订做的双核心解决方案也能提供足够的效能空间,以便更灵活地处理新行动工作与使用应用程式,同时维持功耗预算与装置的待机或通话时间。


此外,每个晶片都有与众不同之处。虽然ARM处理器可作为Android装置的CPU建构模块,但制造商通常偏向于采用技术领导伙伴与密集研发所开发的修改版本,以达到产品差异化。


行动装置的效能测试实况

在评比智慧型手机的测量结果时必须注意一点。 Quadrant或Antutu等CPU效能评估工具在测量时都会让所有CPU核心保持全速运转,因此四核心的效能评比结果会高于双核心架构。然而,在现实生活中并非如此。以使用ARM A9 CPU 1.2GHz双核心架构的智慧型手机为例,在任何智慧型手机使用情况下,其第二颗CPU核心的平均使用率都只有21%(图一)。由此可见,多余的CPU核心(第二颗以上)与提升用户体验或使用效能并无直接关连性,因为它们都处于闲置状态。



图一 : 博通新四核(2+2)解决方案,通常在处理视讯和密集图片应用程序时仍然远低于尖峰时刻的使用率。
图一 : 博通新四核(2+2)解决方案,通常在处理视讯和密集图片应用程序时仍然远低于尖峰时刻的使用率。

更重要的是,这些双核心效能数据证明了CPU在大部分行动装置的使用情境下,都远远低于尖峰时刻的使用率。在录影等高效能需求的使用情境下,处理器实际的作业速度不到整体负载的10%。


卸载可改善处理效能

CPU负载减轻的原因是系统将许多复杂工作卸载至装置内的客制化硬体中,例如高效能GPU与双向量运算处理器 (VPU)。将CPU的作业卸载至其他硬体有助于提升效能、降低耗电率,并释放CPU工作周期,以便主要核心处理更重要的加值服务。


博通新四核(2+2)架构(图一)便是上述架构的典范。此架构可聪明地将工作卸载至GPU与VPU。透过这些节能的创新功能,行动装置可支援1080p的高画质视讯品质与4200万画素的相片品质。此卸载功能不仅可降低耗电量、释放CPU空间以处理更重要的应用程式,还能提升用户体验,让系统单晶片不单靠CPU,而是藉由软硬体的配合来发挥最大效用。随着Android持续迈向次世代技术的发展,这类型的卸载功能需求将会与日俱增。


为了更明确地说明卸载功能的运作,我们测试了使用A9四核心架构与博通新四核(2+2)BCM28155架构的智慧型手机,并对评比结果加以分析,以了解CPU在常见使用情境下的尖峰与平均使用率。由此图可知,CPU使用率在大部分情境下都很低,而新四核与四核心的A9 CPU并无明显的效能差异。这些使用情境显示A9 CPU核心中的其中两颗核心几乎没有派上用场,而博通的新四核(A9+双VPU)则大幅降低了整体耗电量。


只有在极少数情况下,多核心处理器才会发挥明显的效益。在双核心架构中,第二颗处理器大量作业的机率并不高,而四核心架构中的第三与第四颗处理器真正运作的机会更是少之又少。


为了公平起见,我要声明在某些情况下,四核心处理器的行动装置确实能达到较高效能,例如视讯编辑、转码、脸部辨识或3D立体游戏等需要处理大量多媒体资料的情境。不过,尽管四核心处理器有明显助益,这些情况通常也可以使用博通的新四核架构,因为它能有效卸载主要核心处理器的工作,以降低耗电率并提高传输率。


例如,四核心CPU虽然可以为高阶游戏提供高效能体验,但受限于高温过热条件,A9四核心与GPU可能无法长期性地以最佳状态同时作业。当SoC晶片温度上升时,功率消耗也会增加,进而大幅降低CPU与GPU核心的可用功率预算。


以GIS为基础的架构将是Android的未来发展重点

由于手机制造商过于重视原始应用程式的处理,以至于装置面临高耗电量、低续航力与低影像品质等问题。随着Android架构越来越重视GPU,开发人员在设计时必须以装置效能为依归。


四核心架构对今日的Andr​​oid装置并无太大助益,而且必须牺牲体积与耗电量来换取大量的效能空间。即使在密集作业的情况下,大部分的AP核心都处于低负载状态,而第三与第四颗核心通常处于闲置状态。此外,装置开发人员必须思考如何让装置效能与处理能力取得平衡,而不是为了四核心的行销噱头而牺牲电池续航力。


作者简介

图二 :  BCM28155 芯片
图二 : BCM28155 芯片

Michael Civiello是博通行动与无线事业群行动平台的行销部资深总监,负责行动电话晶片完整解决方案全球市场的开发。他在博通任职已超过八年,并在无线半导体产业拥有25年以上的经验。他曾就读俄亥俄州克里夫兰的凯斯西储大学(Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio),并取得电子工程学士学位。尔后于亚利桑那州立大学(Arizona State University)取得企业管理硕士学位。


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