蓋棺定論 2013年手機處理器終極指南

    每次提到高通，“異步多核”甚至“膠水多核”都是一個無法回避的問題。對于這個技術，支持者和反對者都很多，之前的文章也有過一定的介紹。當然，實際上那時的介紹并不準確，不過異步架構在手機上壞處大于好處，這點相信還是很容易理解的。

    異步架構的好處是什么？當然是省電。異步架構下的CPU不需要運行在同樣的頻率，甚至不需要擁有同樣的實現，完全可以做到一刻核心運行在1.5GHz的全速下，而另一顆核心只運行在384MHz的最低頻下。這樣以來，高負載的線程，比如前臺應用，就可以工作在高負荷的核心上，而諸如系統后臺服務這樣的低負載線程就可以工作在低頻核心下，系統的能耗比得到最大規模的優化。

    為了實現這點，高通必須對Linux核心的調度器做修改，因為典型的調度器并不支持非對稱調度，它會默認所有的CPU核心具備同樣的性能，這會導致低頻核心進入嚴重的阻塞狀態，進而影響系統表現。這也是高通稱移動領域只有高通做到了這點的原因。

    那么異步架構的壞處又是什么？自然是性能。異步架構對于性能的影響在于兩個方面，一是異步電路的同步開銷，二是非對稱調度的調度開銷。

    不論多么復雜的硬件，深入到最底層，都是功能電路與總線的組合。總線需要協議，協議的基礎是時序，因此顯而易見的要求就是，連接到一個總線的兩個設備之間想要溝通，那么就需要具備同樣的時序。換句話說，就是需要擁有同樣的頻率。這就是同步電路。30年來，同步電路成為了設計領域的主流，圍繞其發展的EDA技術也是最成熟的。而異步電路則不同，它擁有一個特殊的“握手協議”，在正式的傳輸發起之前，會首先利用幾個時鐘周期的時間進行“握手”，將雙方的時序調整到一致。在實際實現中，這個由固化硬件實現的握手協議消耗的時序，根據設計不同在2～4個時鐘周期左右，這就是異步電路的同步開銷。如果我們考慮最極端的情況，假設真正的數據傳輸只需要3個時鐘周期，那么異步電路的總線利用率就永遠不會超過50％，因為至少有一半的時間要消耗在握手上，哪怕兩邊的頻率是相等的。

    看到這里，聰明的你應該可以發現問題所在：即便是異步電路，在真正數據傳輸的時候，依然還是需要兩側時序保持同步，異步握手協議的加入只是做到了通訊發起時雙方的時序可以不一致。因此很明顯的結論就是，異步總線同一時刻只能與一個設備進行握手。考慮以下狀況，如果兩個CPU同時向總線發起占用請求，即發起握手請求，而這兩個CPU的頻率不同，那么很明顯，由于時序的不同，任何防止沖突的協議都無法起效，因為邏輯電路的最小工作周期就是時鐘周期。因此異步系統里發起握手行為的只能是總線本身，也就是說異步系統里實際上是總線在不斷詢問CPU是否要接入，而不是CPU向總線要求接入。

    既然如此，異步系統就是一個輪詢的系統，這是它的另一硬件開銷，尤其是在核心數超過2的系統中，由于輪詢必然是有順序的，那么就必然會遇到某一時刻總線輪詢到的是CPU0，而此時需要握手的是CPU3。哪怕CPU1和CPU2都是空閑的，CPU3也必須要等到3個總線周期以后才可以和總線同步。假設同步需要3個周期，而數據傳輸也只需要3個周期，這就意味著在同步系統里只需要4個周期就可以實現的數據請求，在異步系統里消耗了9個周期。

    當然，這里討論的都是最基礎的情況，實際設計中也會有很多的技巧去突破這些限制，但是別忘了，如果把總線協議和接口實現的過于復雜，其本身的耗電量也會增加，因此實際設計中可能并不會引入太多復雜的高級設計，因此這些開銷可能全都是存在的。

    除去硬件設計導致的開銷以外，用于配合異步系統正常工作的操作系統調度器，也會引入額外的開銷。對于同步系統的調度器而言，由于它假定所有的CPU均擁有同樣的運算能力，因此調度算法的實現非常簡單，只需要平衡的把負載分配到各個活動CPU上即可。但是一旦各個CPU之間的頻率不同，調度器所需要維護的數據結構就會大大復雜化，因為系統需要盡力去保證異步系統處于異步狀態，否則就無法實現異步系統省電的特性，因此就不能平均分配工作符合。尤其是考慮到實際的移動設備里，各個CPU核心的頻率都是處在動態變化之中的，因此異步系統調度器的算法會明顯復雜得多。我們知道，調度器所占用的是一個系統內兩個時間片中間的時間，現代系統中時間片一般取10～100毫秒，Linux核心的時間片大體上是100ms左右，根據任務優先級不同而不同，最短可以到5ms。假設同步系統的調度器執行只需要10us，那么在5ms時間片的系統上所消耗的性能就只有0.2％，但是如果調度器消耗的時間為1ms，那么性能損失就會激增到17％左右，影響十分巨大。當然，在實際系統中不太可能使用5ms時間片，異步系統的調度器也不可能需要花1ms的時間才能完成調度，但是異步調度器的確會占用系統不可分片的時間，帶來性能的下降。

    至此異步系統的好處和壞處都解釋清楚了，那么最后的問題就是，異步系統相對于同步系統而言究竟是好處多還是壞處多，這個問題可以分為兩個方面來觀察。

    首先是用戶對于性能的需求。異步系統的省電特性是靠犧牲性能獲得的。由于同步開銷的存在，異步系統發揮非常好的效率的時候是重度計算的情況，在這種情況下，CPU的指令流水線基本處于滿負荷工作的狀態，而指令拾取與解碼往往會因為后端流水線的阻塞而停止。這時對于總線使用率的要求會大大降低，同步開銷得以掩蓋。但是當用戶執行的是輕量級多線程時，由于同步開銷的存在，系統的表現會大受影響，因此給人的感覺就是跑分快，實際用卻表現不出來，多任務切換的時候甚至會有卡頓的情況，而這正是高通系統的特征。

    其次是同步系統也各種有辦法減小同步運行的高功耗，其中之一就是對指令流水線引入復雜而精密的時鐘門控，在沒有指令輸入的時候，流水線甚至可以整體關閉時鐘，進入徹底的停擺狀態，進而降低功耗。這些都是已經成熟的技術，目前大部分CPU設計中都已經實現，因此同步系統和異步系統之間的差異可能并沒有看起來的那么大。

    總體來說，手機中使用異步系統是一種犧牲性能節省電量的折衷方法，并非是解決性能和功耗問題的唯一途徑。很多時候高通MSM平臺所宣稱的節電效果是來自于CPU、Baseband、Modem等子系統的共同作用。異步就能省電是個巨大的認知錯誤。