多核的疯狂

马克·拉佩德斯著
智能手机和平板电脑正在向新的、更快的应用处理器、基带、图形芯片和内存迁移。

仅在手机芯片组领域，就有大量的选择和设计考虑。有些设备将应用处理器和调制解调器结合在同一个芯片上。有些是单独的设备。此外，架构范围从单核到八核设备。

最重要的是，器件最终将从平面晶体管迁移到finFET晶体管。不甘示弱的是，有几个主要的技术平台可供选择:大块CMOS和完全耗尽绝缘体上硅(FD-SOI)。初创公司SuVolta也凭借其双门2D晶体管获得了一些关注，但到目前为止，它在竞争激烈的市场上仍然处于劣势。

毋庸置疑，整车厂面临着一些艰难的选择和挑战。普遍的看法是，下一代智能手机和平板电脑将需要更多的核心和新的晶体管架构。毕竟，消费者想要更高的性能、带宽和电池寿命。

然而，在现实中，没有一种万能的技术。随着市场继续分化成各种细分市场，比如入门级手机、智能手机、超级手机和平板电脑，不同的架构和技术都有发展空间。

不过，原始设备制造商必须重新考虑他们的设计和产品选择，然后再选择拥有最多内核和常规流程的设备。事实上，手机芯片制造商ST-Ericsson高级计算部门的负责人Marco corno说，有一个普遍且过于简单的信息，即在移动系统中，更多的处理器核心意味着更好的性能。

事实上，手机设计要复杂得多。corno说，决定多核系统效率的因素有很多，比如软件、芯片频率、面积和功率。一般来说，四核及四核以上的处理器对于今天的系统来说可能是多余的，从而给oem和消费者带来不必要的成本。他说:“如果软件可以利用这些核心，那么增加更多的核心是有意义的。”“问题是软件无法利用它们。”

相反，他认为移动平台的最佳解决方案涉及两种主要技术:双核和FD-SOI。与目前速度较慢的四核移动设备相比，双核架构提供了足够的马力，而且效率更高。他补充说，大块CMOS的气体正在迅速耗尽，这推动了对FD-SOI等新技术的需求。

尽管如此，在体积和SOI之间有各种各样的权衡，更不用说从平面器件到finfet的影响。ARM CPU组的项目管理总监John Goodacre表示:“finfet在能效方面的进步相当不错。“不幸的是，使用finfet，我们失去了动态范围。”

多核:事实vs虚构
无论如何，在个人电脑和移动系统的处理器开发之间有一些相似之处。2001年，当时的英特尔首席技术官帕特•盖尔辛格(Pat Gelsinger)宣称，如果芯片按目前的速度扩展，到2015年，处理器的功率密度就能达到太阳表面的功率密度。

当时，IBM、英特尔、AMD和其他公司都在竞相通过提高时钟频率来开发更快的微处理器。当时，英特尔声称其奔腾4处理器将扩展到10ghz，但实际上，散热问题将时钟速度限制在3.8 GHz。

然后，大约十年前，英特尔和其他公司放弃了“兆赫之争”，转而专注于多核设计。这大大强调了核心效率和功耗，但多核也对PC软件造成了根本性的破坏。应用程序必须以并发和并行的方式编写，以便在多个处理器上有效地映射程序。即使在今天，并行性仍然是系统环境中的一个挑战。

在某种程度上，历史正在移动处理器领域重演，至少ST-Ericsson是这样认为的。为了证明自己的观点，这家手机芯片制造商考察了苹果iPhone 4S和iPhone 5的性能。iphone 4S基于苹果的A5应用处理器，其中包括来自ARM的双核800 mhz Cortex A9芯片。iPhone 5基于苹果的A6处理器，该处理器有两个基于ARM技术定制的1.3 ghz内核。

使用Browsermark、Geekbench和Sunspider对iPhone 4S和5的软件性能进行了基准测试。评测是由硬件评测网站AnandTech进行的。

ST-Ericsson从AnandTech的基准数据中得出了两个结论。首先，iphone的双核处理器低于其理论峰值性能。ST-Ericsson表示，就CPU效率和频率而言，iPhone的所有处理器都没有显示出“饱和”的迹象。

其次，iPhone 5的运行速度比4S快。据ST-Ericsson称，这与双核芯片没什么关系，更快的速度归功于“其他硬件优化，比如改进的内存子系统”。

该公司表示，与PC一样，问题在于软件在多核移动设计中的比例不足。iPhone的双核设计也会影响时钟频率，因为系统中的共享资源存在冲突。

现在，市场对四核的需求正在增加。ST-Ericsson的corno说:“有很多关于四核的营销，但四核并没有带来很多好处。”

例如，在Web浏览中，当系统从单处理器转向双处理器设计时，运行速度可以提高30%。但据该公司称，从双处理器转向四处理器时，系统的性能只提高了0 - 11%。

第二个意见
对于多核的争论，ARM有不同的观点。ARM的Goodacre说:“对于多核，我把工作分散在两个核上。“总的来说，指令的数量大致相同，甚至可能更少。然后，我可以开始玩电压的电力游戏。对于给定的工作负载，您可以降低相关核心的频率。”

真正的问题是该软件能否利用并行执行的多核设备。“我们有单线程的应用程序。它们在一个线程上运行得非常好，”他说。“问题是，如果现有的工作负载可以在一个核上工作，为什么我还需要多个核?我们今天真正看到的是很多独立的子系统。这就是我们可以利用双核和四核的地方。这意味着一切都运行得更快、更顺畅。”

ARM将其称为显式并发。游戏和社交媒体这两个蓬勃发展的领域可能需要多核设计。“在用户界面中，在Facebook上上下滚动可以占用4个cpu。在Android应用程序上来回切换是另一个问题。”“当我们观察LTE带宽时，这些管理线程在IP流量方面相当重要。所以，你可能有三个主要的线程，加上管理。所以，四对于设计阶段是合理的。一个保持管理到位。另一个将网络任务放置到位。用户界面和应用程序都需要一个。”

在工艺和晶体管方面也有权衡。Goodacre表示:“通过电压和频率的调整，批量生产可以将功率/性能比降低50%左右。”FD-SOI具有特定的体偏置技术，可以进一步降低电压，同时仍然提供性能。”

当被问及转向finfet时，他说:“finfet的有趣之处在于曲线的陡度大大降低。它扁平多了。在动力效率方面，我没有太多的动态范围，”他说。

为了应对动态范围问题，ARM提出了向异构架构的转变，称为big.LITTLE。今年1月，三星推出了一款基于超大处理器的八核应用处理器。小建筑。三星的Exynos 5 Octa由4个cortex - a15组成，用于处理高强度的任务，而4个cortex - a7用于较轻的工作负载。

“我为什么要用8核?有些线程使用较小的处理器会更好。这便是我们的“LITTLE”核心。实际上，我们的‘大’芯和‘小’芯之间的功率效率相差大约4到6倍，”Goodacre说。

问题是规模是否大。LITTLE最好是散装还是FD-SOI?“FD-SOI使用big.LITTLE能进一步拉伸电压吗?在我们测量之前，这还有待证实，”他说。

在任何情况下，今天的双核架构，结合FD-SOI，是一个潜在的强大组合。ST-Ericsson自己也推出了一款基于28nm FD-SOI的集成双核手机芯片组。意法半导体(STMicroelectronics)负责前端制造和工艺研发的执行副总裁乔尔•哈特曼(Joel Hartmann)表示，FD-SOI部件比批量设备快30%。他说:“我们已经展示了50%的功耗降低。”

一家公司为FD-SOI的争论注入了新的变数。“FD-SOI是一种更简单的技术，”模拟服务提供商Gold Standard simulation首席执行官阿森·阿塞诺夫(Asen Asenov)说。“与批量生产相比，流程步骤更少。”

Asenov说，在32nm/28nm时，FD-SOI中由随机离散掺杂剂引入的统计变异性低于体积。使用FD-SOI，在几乎相同的驱动电流下，阈值电压变化减少了6倍以上，漏电减少了5倍。

意法半导体的FD-SOI技术基于门优先技术。使用门优先的FD-SOI，芯片制造商可以将电压降低到0.7V以下。然而，金标准的模拟显示，28nm的栅极FD-SOI可以使电源电压低于0.5V。

“如果采用金属门优先的FD-SOI，并与28nm体块进行比较，FD-SOI仍然具有较低的可变性。如果能开发出金属栅极涂层，将会带来额外的好处。”“总的来说，FD-SOI有很好的机会提供28nm的低功耗扩展。许多基础设施已经到位。有足够的证据让大型无晶圆厂公司非常认真地考虑转向FD-SOI。”