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关于ARM处理器的能耗

    由于专门针对手持设备和嵌入式设备设计，ARM处理器的能耗相对常规PC处理器很有优势，但由于ARM处理器核心数和频率不断提升，针对ARM的省电技术也逐渐受到重视。

   “大屏幕、四核、多模”已经成为了智能手机的标配，不过手机的胃口也越来越大——即便是手机“不吃不动”呆半天，电量往往也要减半，如果折腾的话，电池能保证半天的时间已经算是万幸。怎么办？回到当年诺基亚8210的单色屏时代显然是不可能了，而整天扛着几颗大块头备用电池也不太现实！因此如同桌面处理器一样，手机处理器芯片也走向了节能省电时代。

    节能，这正是ARM处理器的长处，甚至英特尔以低功耗著称的阿童木处理器一上阵就落荒而逃。那么ARM省电的秘密在那里呢？

高通，内核异步架构

    关注高通的朋友应该都知道，高通自始至终对外将异步架构作为骁龙的一个先进技术，其实这是高通ARM处理器能耗控制优秀的关键。那么什么是异步架构设计？

    如果我们把智能手机系统看作一个KFC营业厅，处理器就是窗口和窗口后面坐着的服务人员、代表“运算能力”（一位服务员，看作“单核”处理器），指令就是排队的人，而窗口则代表着“吞吐能力”。在中午多人就餐时，一个服务员往往会忙不过来。在这种情况下，就可以增加服务员（处理内核），来提升处理能力。

    此时有两种选择，一种是在原服务窗口后面增加一名服务员分担一下工作，而另一种选择则是额外开启一个新窗口，并再配备一名服务员。在计算机系统内，前一种方案就对应异步架构，而后一种方法则对应同步架构。

    显然，异步架构的好处是设计简单、实现方便，缺点是性能低、吞吐量差——由于所有数据通过仍只拥有一条通道。假设在一个窗口后安排四名服务员，这个窗口是绝不可能获得四个窗口的工作效率。而同步架构吞吐量要高不少，这只不过内核设计更为复杂。当年Pentium D就是为了省事而采用异步架构设计，一下子被采用同步设计的Athlon X2打败了。

    不过对于运算量要求不高的ARM处理器来说，异步架构是一个不错的设计，再结合任务分发机制可以让多个核心运行在不同的频率下——处理器可以根据程序的复杂程度自动调节各核心各自的频率，按需派活，可以轮休。

    比如一边打游戏一边挂QQ、一边下载一边收邮件，需要的功效其实高低不均，所以不需要“四核全开”，只需第1个CPU开足马力，第2个只要开5%，第3个50%，第四个10%就行了。相比之下，同步架构处理器只能同时使用相同频率的多颗核心。这就是“异步架构”技术节能的原因——高通声称这最多可以节约40%的功耗。高通骁龙S4、四核Krait产品都继续沿用异步架构设计。

英伟达的4-PLUS-1架构，4+1＜5

    也许大家都认为，处理器核心越多，功耗也越高。但英伟达Tegra 3却是个例外！英伟达的Tegra 3是一款四核移动处理器，为了让Tegra 3更为省电，英伟达给Tegra 3加了一个协处理内核，正式名称为“4-PLUS-1”。也就是说，Tegra 3实际上是5核处理器，所有的核心都基于 Cortex A9。这个协核心执行频率仅为500MHz，采用低功耗技术；而其余的四核心执行速度则达到GHz等级，采用通用或高性能技术。

    当手机待机时，其它核心全部处于关闭状态，只有一个主频为500MHz的协处理内核工作，而在需要时系统会切换到四核心运作，这时协核心便会关闭，此时系统会依照负载所需性能，决定这4个高效能核心中必须使用几个，以及它们工作频率的高低。该芯片在第5个协处理内核和高性能内核之间的切换速度少于2ms，因此用户一般感觉不出来。NVIDIA声称，与标准4核心设计相比，其节能幅度为14%～61%。

big.LITTLE 架构，ARM的混合动力引擎

    性能更强Cortex-A15内核的出现所带来的能耗增长问题，也让ARM HOLD不住了！在这种情况下，ARM提供了一个新的省电思路——big.LITTLE 架构，这将是ARM未来继续贯彻省电高效能原则的武器。

　　所谓的 big.Little 技术，与 NVIDIA Tegra 3 所采用“4-PLUS-1”有异曲同工之妙。只不过 “4-PLUS-1”是利用现行的两套 Cortex-A9 架构组成，而 big.LITTLE 则是由高效能的双核 Cortex-A15 以及低功耗的双核 Cortex-A7 组成。big.LITTLE 就是让系统在低负载时将系统交由 Cortex-A7 架构负责，等到高运算需求可瞬间切换到高性能的 Cortex-A15 架。系统不会因为负责的核心改变而产生改变，使用者也不会感受到转移的影响。

    big.Little的诞生，解决了 Cortex架构往高效能发展之后所带来能耗控制问题。这也是ARM对此前不少业界人士质疑 ARM 走向高效能发展之后是否会忽略功耗的最佳回应！

写在最后：

    随着性能的提升，一向以节能著称的ARM也开始新一代的节能革命，未来的手机芯片将会有更高度的集成、更细致的工艺，或者出现新的构架甚至材质实现我们高效低功耗的要求。当然，手机的省电绝招也不仅限于此，也许是未来借助压力发电的原理我们可以把每一次触摸和键盘按压都转化成手机的能量，甚至我们不再需要耗电的显示屏，因为我们可以在任何地方包括我们的视网膜上直接投影……

名词解释：ARM 

    ARM（Advanced RISC Machines），我们可以把它看做是一类微处理器的统称，也可以看成是一种技术（或是微处理器架构），它甚至还是一个公司名。ARM公司成立于1991年，主要业务是出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术的微处理器（即我们通常所说的ARM微处理器）在工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场中被广泛应用，智能手持设备的爆发式成长让ARM处理器越来越被普通用户关注。或许打个简单的比方就很好理解，你可以把ARM当作是非PC领域的Intel，不同的是它只提供技术授权，自己不造产品。

Q&A：x86处理器与ARM处理器，节能技术差别在那里？

　　也许到现在还有许多朋友想不明白，x86处理器为什么在移动市场斗不过ARM处理器？关键仍在于设计上。在x86处理器的发展路上，为了满足所有的需求如运算、影音解压缩、甚至游戏的光影特效等，x86处理器要样样兼顾、样样要亲历亲为，因此x86处理器更象一位全能的运动员。随着兼顾的项目越来越多，x86集成的指令集数量越来越多，给硬件带来的负荷也就越来越大，无形中增加了功耗和设计难度。当然，x86处理器厂商也可以通过关闭处理器内核模块来省电,但由于复杂指令集让内核从关闭状态恢复起来相当慢——几乎就相当于一个重启过程,从而会造成低性能。因此为了保持高性能,x86处理器在设计上就不得不让大部分的模块都保持开启, 并且时钟也保持切换。这样做的直接后果就是耗电高，目前x86处理器节能技术更多是从动态调频、内核休眠等方面来实现。

    至于 ARM ，它一开始就是以省电为主，除了尽量简化结构以外，最重要的是把繁杂的工作交给更专业的核心，例如影像、音乐编解码功能，在ARM的应用处理器架构中，就有专属的编译核心负责工作。拉货时用货车，出行时开奥拓，因此也更环保。而且由于指令集简洁，即便在某些状态下关闭最耗电的处理单元，在需要使用时也可以极快地启动，故此更为省电。因此，ARM处理器更像一个集结各种专业领域运动员的团队，并且由一个运动员兼教练负责指挥并且分配任务，而这位教练也常常需要亲自下场。

延伸阅读：制程工艺对ARM处理器功耗的影响

　　如同x86处理器一样，制造工艺同样是影响ARM处理器功耗高低的一个重要因素，如今，手机的处理器都采用超深亚微米工艺技术，制程工艺已经从早期的64nm到45nm，甚至最新的28nm级别，也就是同样性能所需要的处理器面积更小了，耗电自然小。比如三星的Exynos4从45nm制程改用HKMG 32nm工艺后，在核心数翻倍的情况下整体功耗却降低了20%。