PC單核處理器在2003 年達到散熱極限時，此后性能再也沒有增長的空間；而移動平臺則不同，智能手機時代始于2007 年，移動單核處理器還擁有巨大的性能提升空間，到今天為止，還沒有跡象顯示移動平臺性能飽和。

人們不禁要問：為什么移動平臺不同于PC 處理器，在單核性能達到飽和前就轉向多核處理器？

我們認為有兩個原因，第一個原因是，移動計算產(chǎn)品沿用數(shù)十年前的技術知識，特別是人們普遍知道，現(xiàn)代的操作系統(tǒng)能夠更高效地利用雙核處理器，高速緩存一致性和多任務處理操作系統(tǒng)等基本技術已經(jīng)到位。因為能夠充分利用雙核處理器，就沒有必要再等。而且，這個過程進展得非?？?；第二個原因是進攻性的營銷策略。

像大多數(shù)商用平臺一樣，CPU 在進入四核時代后的發(fā)展方向目前尚不清楚，PC 業(yè)的經(jīng)驗告訴我們，即使多核處理器存在于市場10 年后，使用雙核以上的處理器對于大多數(shù)軟件是沒有實用意義，唯一的技術解釋是移動應用軟件比PC 軟件更易于多核處理，但是，我們在短時間內不會看到這種情況發(fā)生。

事實上，有說服力的技術原因根本就不存在。動機似乎都與市場營銷有關，因為智能手機市場競爭激烈，多核處理器是一個很有進攻性的武器。目前，廠商利用處理器內核數(shù)量使自己的產(chǎn)品保持差異化，甚至消費者也這樣做。具有諷刺意義的是，技術上沒有任何新發(fā)明，市場營銷上沒有新意，相同的廣告詞早在PC 多核問世時就被廣泛使用。像PC 機一樣，人們很快就會意識到，移動設備內的CPU 內核數(shù)量與產(chǎn)品帶給客戶的真正價值沒有直接關聯(lián)。

網(wǎng)絡瀏覽器是最重要的手機應用軟件之一，也是手機高性能CPU 的最大受益者，同時還是要求嚴格的PC 級應用軟件的一個實例，瀏覽器的性能非常重要，因為它直接影響用戶視覺互動性。隨著網(wǎng)絡帶寬不斷增加，今天的處理速度已處于臨界線，將來HTML5 rich API 和不斷增加的編程內容（javascript）對處理速度要求更高。網(wǎng)絡瀏覽器還是高效使用今天的雙核處理器的一個很好的實例，因為操作系統(tǒng)支持功能、軟件工程、人機互動（防止UI 死屏）、安全性和穩(wěn)健性（不同處理過程中的多個標簽）的原因，瀏覽器引入了并行活動。但是，因為缺少充足的均衡的軟件并行技術，瀏覽器無法滿足雙核以上數(shù)理器的運行需求，測試結果顯示，處理器從雙核進化到四核，瀏覽器性能提升很小或根本沒有提升。

圖4 所示是在同一四核處理器硬件/軟件平臺上運行的兩款主流瀏覽器的測試成績，通過軟件設置（熱插撥）可以選擇不同的處理器數(shù)量，因此，測量結果完全是同一硬件/軟件環(huán)境的真實數(shù)據(jù)。在所有的配置中，工作頻率完全相同。相對分數(shù)是指在多次重復測量中若干個主流網(wǎng)站上的網(wǎng)頁加載時間的平均值，因此，這個用例代表了真實的網(wǎng)站瀏覽體驗，而不是人為的基準測試。當從單核切換到雙核時，速度提升30%是一個較好的成績，符合預期。然而，從雙核切換到四核時，處理速度只取得0-11%的提升。在雙核處理器上進行相似的測試，從單核切換到雙核時，處理速度提升高達50%。

另一方面，如前文分析PC 處理器時提到的，不論處理器有多少個內核，頻率提高總是有益于提升軟件性能。當對多核處理器方案進行比較時，這一點很重要，因為處理器內核增加會對頻率產(chǎn)生負面影響。互連線和存儲器等共享資源沖突，高速緩存、一致性電路的擴展受限，這些因素都會限制多核處理器的頻率提升。為提升多核處理器的總體頻率，需要使用軟件多核處理方法補償多核處理器降低的頻率。例如，我們在以前的折衷分析 ［5］中提到，四核處理器的頻率比雙核處理器降低約27%，軟件必須有70%的代碼實現(xiàn)并行化，才能使四核處理器的性能優(yōu)于雙核處理器，這是一個很大的比例，幾乎沒有應用軟件能夠達到這個水平，當然不是通過原生并行，因為取得如此高的平行化，需要特殊的專門的并行化工作。

前文提到軟件并行化程度很低，所以速度較快的雙核處理器可輕松戰(zhàn)勝速度較慢的四核處理器，這種現(xiàn)象在網(wǎng)絡瀏覽器中特別明顯，如圖5 所示，為了與1.4GHz 的雙核處理器比較，我們人為的將四核處理器的配置降至1.2GHz，從圖中可以看出，即便兩者頻率相差很小，低于20%，速度較快的雙核處理器始終優(yōu)于速度較慢的四核處理器。

我們對手機的其它重要應用軟件進行了類似的測試，例如，視頻游戲、程序啟動時間和多媒體功能，每次都取得相似的結果：在頻率相同的條件下，CPU 從雙核進化到四核，性能提升很小或根本沒有提升；當速度相差15-20%時，速度較快的雙核總能擊敗速度較慢的四核。

從正面看，智能手機搭載四核處理器應當會刺激軟件開發(fā)人員更有效地利用四核處理器，希望比PC 業(yè)在最近10 年做得更成功。智能手機的可用資源比PC 機的可用資源更敏感，即使移動處理器無限接近PC 處理器，兩者之間還有很大差距。在軟件方面，在移動移動平臺上運行級的應用軟件還有很大的壓力，綜合以上，再加上更低的功耗限制和更激烈的市場競爭環(huán)境，這些應該給軟件開發(fā)人員足夠的動機，投入更多的資源提高多核處理器的利用率。

多媒體是一個令人關注的領域，這個領域通常對處理性能要求嚴格，多媒體軟件自然適合并行化。擴增實境、計算攝影學、手勢識別等令人興奮的新應用領域都將應用并行處理技術，因為這些功能的穩(wěn)定性不適合硬件加速。在這些應用領域，多核處理器也有競爭技術，通用圖形處理器（GPGPU）同樣是可編程多核處理器解決方案，不同的是，GPGPU 將代碼映射到GPU 而不是CPU。目前，GPGPU 的編程難度比多核CPU 更大，但是GPU 硬件發(fā)展速度很快，編程模型和工具也取得很大進展，因此，目前發(fā)展趨勢還不明朗。

異構多核處理技術

移動異構多核處理器的設計原理是，使用高性能但功耗高的處理器執(zhí)行要求嚴格的應用任務，使用速度慢但高能效的處理器運行要求不高的任務。目前市場上已經(jīng)有異構四核處理器平臺，例如，NVIDIA 的 Tegra 3 采用的Variable SMP ［6］技術，采用 ARM big.LITTLE［7］解決方案的異構多核處理器預計不久就會上市。這個想法當然很好，但是成功還需要一些時間；像比較雙核與四核處理器一樣，簡單的解決方案只要可行，總是被優(yōu)先選用，特別是涉及復雜的軟件修改時，簡單的解決方案總是勝出。我們稍后將分析如何利用 FD-SOI 硅技術以更簡單、更有效的方式達到同樣的效果。

異構多核處理器使軟硬件都變得十分復雜，圖6 所示是ARM big.LITTLE 硬件解決方案。

硬件變復雜的主要原因是，處理器高速緩存只有保持一致性，才能用于智能手機操作系統(tǒng)假設的共享存儲器系統(tǒng)，為此，AMR 在互聯(lián)線上引入了ARM ACE 接口技術，但這卻提高了硬件復雜程度，導致緩存一致性流量增加。

在軟件方面，如果把架構的全部潛力都發(fā)揮出來，系統(tǒng)異質管理對于操作系統(tǒng)可能是一件非常復雜的任務。理論上，操作系統(tǒng)應該有足夠高的智能，能夠區(qū)別要求條件不同的應用任務，將其分配給大處理器或小處理器執(zhí)行。為限制在昂貴的集群器間移植軟件，這些決策應該相對穩(wěn)定。同時，應用軟件可能會突然改變行為，系統(tǒng)必須能夠迅速做出響應，這需要提高動態(tài)電壓和頻率，而且在兩個集群器上單獨進行，增加要考慮的功率狀態(tài)的數(shù)量。不僅今天的操作系統(tǒng)無法提供發(fā)揮多核處理器的全部潛能所需的先進復雜技術，而且錯誤的決策在實際應用中可能會適得其反，大量的軟件移植會引起用戶可見的系統(tǒng)故障，錯誤決策引起性能降低或浪費電能。

完美地支持異構多核處理器需要多年的研發(fā)活動和優(yōu)調技術。

為了限制系統(tǒng)做出錯誤決策的風險，研發(fā)人員開發(fā)出了中間解決方案，但是，該解決辦法需要以降低多核處理器潛能利用率為代價。例如，某個解決方案通過專屬方式使用大小 集群器，即不是并行處理，而是根據(jù)系統(tǒng)總體負荷從一個集群器切換至另一個集群器，以避免智能映射每個獨立軟件線程變得更加復雜，這種方法的缺點是沒有并行使用集群器，所以沒有發(fā)揮多核處理器的全部潛能。

另一個最新的方法是把大小處理器整合成一對固定的處理器，操作系統(tǒng)負責管理每個大小處理器，將其視為一個電壓/頻率工作點擴展的單一抽象處理器，這種方法的缺點是在集群器之間頻繁移植軟件具有一定的風險，抽象處理器的工作模式配對不是原生的，因為在硬件上，工作點是由集群器實現(xiàn)的，而非大小處理器對。

總之，異構多核處理器當然是一項前景不錯的技術，特別是在移動市場。然而，因為技術復雜，特別是在軟件方面，這項技術需要經(jīng)過多年的研發(fā)和優(yōu)調才會發(fā)揮出全部的潛能。