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Android裝置多核心系統設計策略
多核心行動平台的效能非取決於核心數量

【作者: Michael Civiello】   2013年06月03日 星期一

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提到電腦運算,特別是中央處理器(CPU),多核心的價值已在民眾心中根深蒂固。核心數量的增加,從單核心、雙核心、四核心到更多核心,已被公認為技術升級過程中必然的發展。這是個人電腦市場上行之多年的想法,也是廠商大力推崇的觀念,而人們也對此寄予穩定提升效能的厚望。多核心解決方案已成為廠商在影響消費者購買決策時的重要行銷策略。


隨著網路與可攜式裝置的普及,這種現象已從電腦產業擴及至行動裝置產業。然而,數量多就代表更好嗎?我認為佈署更精密的專用型核心架構,搭配低功耗的硬體加速器,更能為主流的Andriod使用情境提供高效能與低耗電量的解決方案,進而滿足甚至創造超越使用者需求的用戶體驗。我也將透過測試來佐證我的論點。


提升效能的智慧型核心架構

姑且不論一般使用者的想法,特定使用情況的真實效能其實取決於裝置內部各項技術的平衡發揮-即系統架構、可用的記憶體頻寬流量、延遲與圖形處理器(GPU)等硬體相互配合,以達到最高效能。工程人員也認為智慧型核心架構是行動裝置整體表現平衡發展的基礎,例如視訊效能、影像處理品質與耗電量等。


藉由更智慧化的雙核心解決方案,搭配專門卸載高效能需求作業的處理器,裝置將能充分運用各元件,進而提供比四核心解決方案更優異的效能。量身訂做的雙核心解決方案也能提供足夠的效能空間,以便更靈活地處理新行動工作與使用應用程式,同時維持功耗預算與裝置的待機或通話時間。


此外,每個晶片都有與眾不同之處。雖然ARM處理器可作為Android裝置的CPU建構模塊,但製造商通常偏向於採用技術領導夥伴與密集研發所開發的修改版本,以達到產品差異化。


行動裝置的效能測試實況

在評比智慧型手機的測量結果時必須注意一點。Quadrant或Antutu等CPU效能評估工具在測量時都會讓所有CPU核心保持全速運轉,因此四核心的效能評比結果會高於雙核心架構。然而,在現實生活中並非如此。以使用ARM A9 CPU 1.2GHz雙核心架構的智慧型手機為例,在任何智慧型手機使用情況下,其第二顆CPU核心的平均使用率都只有21%(圖一)。由此可見,多餘的CPU核心(第二顆以上)與提升用戶體驗或使用效能並無直接關連性,因為它們都處於閒置狀態。



圖一 : 博通新四核(2+2)解決方案,通常在處理視訊和密集圖片應用程式時仍然遠低於尖峰時刻的使用率。
圖一 : 博通新四核(2+2)解決方案,通常在處理視訊和密集圖片應用程式時仍然遠低於尖峰時刻的使用率。

更重要的是,這些雙核心效能數據證明了CPU在大部分行動裝置的使用情境下,都遠遠低於尖峰時刻的使用率。在錄影等高效能需求的使用情境下,處理器實際的作業速度不到整體負載的10%。


卸載可改善處理效能

CPU負載減輕的原因是系統將許多複雜工作卸載至裝置內的客製化硬體中,例如高效能GPU與雙向量運算處理器 (VPU)。將CPU的作業卸載至其他硬體有助於提升效能、降低耗電率,並釋放CPU工作週期,以便主要核心處理更重要的加值服務。


博通新四核(2+2)架構(圖一)便是上述架構的典範。此架構可聰明地將工作卸載至GPU與VPU。透過這些節能的創新功能,行動裝置可支援1080p的高畫質視訊品質與4200萬畫素的相片品質。此卸載功能不僅可降低耗電量、釋放CPU空間以處理更重要的應用程式,還能提升用戶體驗,讓系統單晶片不單靠CPU,而是藉由軟硬體的配合來發揮最大效用。隨著Android持續邁向次世代技術的發展,這類型的卸載功能需求將會與日俱增。


為了更明確地說明卸載功能的運作,我們測試了使用A9四核心架構與博通新四核(2+2)BCM28155架構的智慧型手機,並對評比結果加以分析,以瞭解CPU在常見使用情境下的尖峰與平均使用率。由此圖可知,CPU使用率在大部分情境下都很低,而新四核與四核心的A9 CPU並無明顯的效能差異。這些使用情境顯示A9 CPU核心中的其中兩顆核心幾乎沒有派上用場,而博通的新四核(A9+雙VPU)則大幅降低了整體耗電量。


只有在極少數情況下,多核心處理器才會發揮明顯的效益。在雙核心架構中,第二顆處理器大量作業的機率並不高,而四核心架構中的第三與第四顆處理器真正運作的機會更是少之又少。


為了公平起見,我要聲明在某些情況下,四核心處理器的行動裝置確實能達到較高效能,例如視訊編輯、轉碼、臉部辨識或3D立體遊戲等需要處理大量多媒體資料的情境。不過,儘管四核心處理器有明顯助益,這些情況通常也可以使用博通的新四核架構,因為它能有效卸載主要核心處理器的工作,以降低耗電率並提高傳輸率。


例如,四核心CPU雖然可以為高階遊戲提供高效能體驗,但受限於高溫過熱條件,A9四核心與GPU可能無法長期性地以最佳狀態同時作業。當SoC晶片溫度上升時,功率消耗也會增加,進而大幅降低CPU與GPU核心的可用功率預算。


以GPU為基礎的架構將是Android的未來發展重點

由於手機製造商過於重視原始應用程式的處理,以至於裝置面臨高耗電量、低續航力與低影像品質等問題。隨著Android架構越來越重視GPU,開發人員在設計時必須以裝置效能為依歸。


四核心架構對今日的Android裝置並無太大助益,而且必須犧牲體積與耗電量來換取大量的效能空間。即使在密集作業的情況下,大部分的AP核心都處於低負載狀態,而第三與第四顆核心通常處於閒置狀態。此外,裝置開發人員必須思考如何讓裝置效能與處理能力取得平衡,而不是為了四核心的行銷噱頭而犧牲電池續航力。


作者簡介

圖二 :  Michael Civiello
圖二 : Michael Civiello

Michael Civiello是博通行動與無線事業群行動平台的行銷部資深總監,負責行動電話晶片完整解決方案全球市場的開發。他在博通任職已超過八年,並在無線半導體產業擁有25年以上的經驗。他曾就讀俄亥俄州克里夫蘭的凱斯西儲大學(Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio),並取得電子工程學士學位。爾後於亞利桑那州立大學(Arizona State University)取得企業管理碩士學位。


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