让手机和电视变得更智能

作者：Mark Throndson，MIPS 科技产品市场总监

五年前，移动电话体验便因为能访问互联网而开始有了改变。但是如果你手机用的SoC主频只有 500 MHz，那么你可能需要更多的运气才能让它运行顺畅。

但今天，一个新款智能手机的处理能力可能是五年前的 10 倍或更高。消费电子领域中联网内容的革命驱动了如此大幅度的性能提升——任何设备都能随时随地访问内容——这个愿景已不仅扩大到移动电话，还包括电视和机顶盒，并且成为推动平板电脑兴起的重要因素。

要在消费电子设备上通过网络浏览器提供令人惊艳的用户体验，取决于许多因素，包括访问内容、设备尺寸/用户界面和性能等。让我们更进一步探讨性能特性，以它作为下一代连网消费电子应用处理器需求的考量之一。

如果仅希望通过改变一个设计参数，就达到数量级的性能提升是非常困难的，过去五年来，这样的做法已经面临瓶颈。从整体来看，性能增益主要来自主频的提升，从1 GHz 到甚至 1.5 GHz，然后再将单核扩展到多核来增加更多的平行处理能力。这两个因素大约能提升4到6倍的性能。

但不幸的是，对业界来说，主频翻番和增加平行处理能力，在未来五年中能发挥的作用将越来越小。摩尔定律描述的比例——通过持续跃迁到更小的制程来达到更高频率与更低功率——已逐渐面临面临极限。过去五年来，设计方面的进步对提升频率的贡献，同工艺进步起到的作用差不多相同。移动电话的设计目标已与过去不同；五年前，优先任务是要降低功耗，接下来才是在设定的功耗预算中提升性能。但现在，标准已经改变，设计的优先要素是超越最低性能等级，然后才是尽可能将功耗降到最低。

扩展到多核的应用处理器技术，虽然是大幅提升性能的最佳方式，但还是有诸多实际限制。在硬件中提供更多内核，只有在软件能够充分发挥硬件功能时才会有效。这一直以来都是业界争论的话题，这一点容我留到下次再来阐述。不仅软件需要改进才能满足如今智能设备多核处理器需求，新兴的四核设计还有更多的问题有待解决。

过去五年来，性能目标都是朝着“极致”的方向发展，对小型、电池供电设备来说也是如此。因此，现在的问题是，还有什么办法可以为连网消费应用提供更多处理器性能？这里有两个重要关键点：采用专用处理器/加速器，以及设计更先进的CPU 微架构。增加浮点运算单元 (FPU)、协处理器和专用图形处理单元 (GPU) 等功能模块，已成为常见的做法。多年来，半导体 IP 供应商已经能提供这些 IP 模块，但是在智能手机、电视和机顶盒中不断涌现更多的联网内容、复杂图形用户界面、应用程序和游戏，这些模块将继续不断提升功能和性能，包括与 CPU 的更紧密整合，以及软件上的互补，如此才能更好地分配任务，将所有SoC中的处理单元利用到极致。

这就涉及到应用处理器设计本身。从MIPS看来，我们一直以来都能为客户提供可综合的软核 IP，让 SoC 设计人员能自由配置内核的多项特性，以满足应用程序的需求。相同的处理器内核会用在不同的SoC中，并面向网络、数字电视和智能手机等不同应用，每个芯片的配置可能会非常不同，需要根据使用情况调配。根据 MIPS 在 Java、JavaScript、网页浏览和在Linux和Android上运行的相关经验，我们对消费设备所需的 CPU 配置建议已经有了明显改变。

五年前，常见的数字电视或移动电话 CPU 会包括 16KB L1 指令与数据cache、不需要L2 cache、32个 TLB入口、无需FPU，操作系统 (OS) 可配置为 4KB页面大小。过去几年，我们建议SoC设计人员将L1 cache容量加倍，增加一个容量为总L1 cache 4-8倍的L2 cache，并将每个内核MMU中的TLB 入口数加大、采用我们的FPU协处理器，并将OS页面大小配置为16KB。这样能为相关软件负载提供双倍或甚至更多的性能。

但是，在既有处理器内核上调整配置选项只能带来暂时的效益，我们还需采取更多方法才能为下一代产品提升CPU的架构性能。如果制造工艺无法在未来带来更高的主频，而且消费电子的软件并行化过程不能达到理想程度，那么每个处理器的设计都必须能有效执行更多工作才行。更高性能的CPU设计已开始朝更宽的指令执行、更深流水线、乱序执行、提升线程平行处理能力等方向发展。但在采用这些设计方法时，仍须确保能满足消费电子产品对功耗和成本限制的敏感要求。为了要让先进CPU达到这些目标，必须具备很好的分支预测能力、更多的TLB和其他增强性能，才能确保执行流水线能充分发挥作用。

这是联网消费电子产品应用处理器的未来发展，这也是为什么你会看到市场上出现专为推动下一代消费电子SoC设计的新款内核IP产品——MIPS的proAptiv 多处理内核系列——它能为单核性能带来显著的提升，并同时兼顾高效率及完美平衡的微架构优势，将能充分满足新一代消费电子产品的处理器需求。