ARM新一代多核技术可延长智能手机电池寿命

通过虚拟化技术掩盖微妙的不同
　　big.LITTLE技术在内部也采用了颇有意思的封装方法。这就是利用了虚拟化技术。
　　虽然Cortex-A7与Cortex-A15的ISA是相同的，但是两者在物理上是不同的内核。如果只统一ISA的话，那么内核间还是会存在无法掩盖的微妙不同。
　　例如，ARM架构中有名为“CP15”的寄存区，可存储CPU内核的ID以及缓存构成的拓扑等信息。ID中包括封装有相关CPU内核的企业ID，以及与CPU内核产品名称相对应的型号等。关于这些信息，Cortex-A7与Cortex-A15必然不同。
　　big.LITTLE技术通过应用虚拟化技术来掩盖这些不同。如前所述，Cortex-A7与Cortex-A15都采用了虚拟化技术。因此，在这些内核上运行的OS一旦访问CP15寄存器，根据虚拟化机构的原理，就会发生异常陷阱（Exception Trap）。于是，控制任务便会自动转移到OS以下模式运行的虚拟化软件（Hypervisor）上。在Hypervisor上向OS等提示与物理CP15寄存器等不同的信息，由此可以掩盖Cortex-A7与Cortex-A15之间在硬件上的不同。
　　利用虚拟化原理在软件上“欺骗”OS和应用，由此看起来就像在完全相同的内核上运行一样。ARM公司总裁Tudor Brown表示，“big.LITTLE技术的精髓在于虽然内核的物理性质不同，但从软件来看却完全相同”。
　　在Cortex-A7中封装虚拟化技术，不仅是为了与前面提到的Cortex-A15确保兼容性，还是为了最终通过Hypervisor消除两个内核间的微妙差异。
　　加速虚拟化技术在智能手机上的普及
　　ARM公司在2010年9月发布了该公司首款采用虚拟化技术的内核Cortex-A15，当时未必明确了在移动领域如何利用虚拟化技术。Cortex-A15不同于此前ARM公司的CPU内核产品，专门面向该公司近年着力发展的服务器领域。因此，估计是为了满足该领域的需求，才在Cortex-A15中采用了虚拟化技术。
　　然而，big.LITTLE技术公布后发现，虚拟化技术实际上可以广泛用于智能手机和平板终端上。ARM公司表示，“最初big.LITTLE项目是与虚拟化技术分别推进的，中途我们认识到可以利用虚拟化技术，于是将两者融合在了一起”。以big.LITTLE技术以及Cortex-A7的引进为契机，此前一直与移动领域无缘的虚拟化技术，将标配在几乎所有的智能手机和平板终端上（见图1）。
　　在集群间控制一致性
　　在big.LITTLE技术中，要想使某项任务顺利地从一个内核转移到另一个内核，需要在硬件方面进行改进。具体要求是在不同内核间确保缓存的一致性（Coherency）。
　　在缓存的一致性控制方面，ARM公司网已经有了“MPCore”多核技术，可以对CPU内核内一次缓存的一致性进行控制。不过，MPCore以最大四核的同质架构多核为前提，不支持big.LITTLE技术这种异质架构多核。
　　因此，ARM公司针对big.LITTLE技术这种异质架构，在SoC上新设立“集群”（Cluster）这个单位。通过MPCore技术构成的同质架构多核以集群为单位汇总，当在SoC上同时配备不同种类的CPU内核时，需要另外设置新的集群。比如，分别设置一个配备两个Cortex-A7的集群，以及配备两个Cortex-A15的集群（图2）。
　　集群间的缓存一致性，采用专用的IP内核“CCI（Cache Coherent Tnterconnect）-400”来确保。CCI-400在内部配备了交叉开关。CPU内核内一次缓存的一致性由MPCore技术控制，集群间二级缓存的一致性由CCI-400控制（表1）。

　　

　　由于可以在Cortex-A15与Cortex-A7之间维持缓存的一致性，因此big.LITTLE技术可在约20μs内完成两个内核间的任务转移。20μs是将CPU内核内部多项寄存器信息转移到其他内核上所需要的时间（图2）。利用基于CCI-400的一致性控制，二级缓存数据可与CPU内核处理并行，从而自动转移到其他内核上。
　　英伟达也有类似技术
　　根据负荷情况将阈值电压更高的节电型CPU内核进行切换使用的方法，其实除了ARM公司的big.LITTLE技术外还有其他技术。比如，美国英伟达（NVIDIA）在2011年9月发布的“vSMP（variable Symmetric Multi Processing）”技术。vSMP技术已经用于该公司2011年11月发布的应用处理器“Tegra 3”上，台湾华硕电脑（ASUSTeK Computer）的“Eee Pad TransformerPrime”等平板终端产品已经配备了“Tegra 3”。
　　Tegra 3配备五个“Cortex-A9”，其中一个用作“协处理内核”，采用漏电流较小的低功耗制造技术形成。虽然不能像big.LITTLE技术那样同时采用微架构不同的内核，但在组合使用电力效率不同的内核这点上，双方是类似的（表1）。
　　不过，vSMP没有big.LITTLE技术中的集群这一概念，协处理内核以及其他内核直接共享二级缓存。内核间切换所需时间在2ms以内，远远高于big.LITTLE技术的20μs。估计将来会改换成配备更先进系统的big.LITTLE之类的技术。（记者：进藤 智则，《日经电子》）

来源：日经电子