سرعت خیره کننده رشد تکنولوژی منجر به افزایش سرسام آور توان پردازشی پردازنده ها شده است. در ده سال اخیر فرکانس کاری یا سرعت کلاک پردازنده ها از چند مگاهرتز به چند گیگاهرتز رسیده است. در کنار این افزایش فرکانس، تعداد هسته های پردازشی روی یک چیپ نیز بیشتر شده است. همه این موارد در کنار کوچک شدن پردازنده ها منجر به بالا رفتن توان محاسباتی کامپیوترهای شخصی و وسایل هوشمند همراه گردیده است. اما میان قدرت پردازشی چیپ های ابزارآلات قابل حمل و کامپیوترهای شخصی فاصله نسبتا بزرگی وجود دارد. این فاصله با افزایش فرکانس و ولتاژ چیپ های موبایل و حتی با افزایش تعداد هسته ها تا حد زیادی قابل جبران است. اما آنچه که در این بین مانع از حرکت بدون اندیشه به این سمت می گردد، مصرف بیشتر باتری و انرژی با به کارگیری هر یک از راهکارهای اشاره شده است. حجم کوچک محصولات قابل حمل بر خلاف کامپیوترهای شخصی مانع از به کارگیری باتری های حجیم و با ظرفیت بالا می شود به شکلی که محدودیت بزرگی برای افزایش توان پردازشی این نوع از محصولات ایجاد شده است.

شرکت های بزرگ سازنده چیپ های موبایل برای دستیابی به توان پردازشی بالاتر در کنار مصرف انرژی پایین تر، راهکارهای متنوعی را دنبال می کنند. از جمله این راهکارها می توان به ایده نرخ ساعت ناهمگون ( نامتقارن) اشاره کرد که توسط کوالکام به هسته های Krait این شرکت و در مدل های چند هسته ای راه پیدا کرده است. در این ایده هر هسته با ولتاژ و فرکانس کاری( نرخ ساعت) متفاوت از دیگر هسته ها کار می کند. بدین ترتیب وظیفه های سنگین به هسته با فرکانس و ولتاژ بالاتر و وظیفه های سبک به هسته با فرکانس و ولتاژ پایین تر محول می شود.

در این بین شرکت آرم اندیشه متفاوتی را دنبال کرده و با معماری big.LITTLE از جنبه دیگری به مبحث مصرف توان در پردازنده ها پرداخته است. این معماری که به زودی در چیپ هشت هسته ای Exynos Octa سامسونگ نمایان می شود از دو سری هسته متفاوت بهره برده است. همانطور که قبلا در مقاله «بررسی عمیق هسته های ریز و درشت Exynos 5 Octa سامسونگ بر بستر معماری big.LITTLE آرمu202c » به این موضوع به طور کامل پرداخته شد، این چیپ از چهار هسته فوق کم مصرف و بهینه Cortex A7 در کنار چهار هسته فوق قدرتمند ARM Cortex A15 استفاده می کند. بدین ترتیب عملیات سبک به هسته های A7 و وظایف سنگین به هسته های A15 سپرده می شود.

هسته های قدرتمند A15 که از طول  ۱۵ پایپ لاین تا ۲۴ مرحله ای برخوردارند، توان محاسباتی نزدیک به پردازنده های Core i3 اینتل را ارایه می دهند و در حال حاضر قوی ترین هسته های مبتنی بر معماری آرم می باشند. از طرف دیگر هسته های A7 با توان محاسباتی بالاتر از A8 و نزدیک به A9 از تمامی هسته های ساخته شده بر اساس معماری آرم بهینه تر می باشند.

big.LITTLE با کنار هم قرار دادن هسته های A7 و A15 در یک چیپ و فراهم نمودن بستری برای سوییچ بسیار سریع میان آن ها توانسته است نزدیک به ۷۰ درصد در مصرف انرژی این چیپ نسبت به هسته های A9 بکاهد. در ادامه تلاش می کنیم با معرفی معماری سرعت ساعت نامتقارن مقایسه ای میان آن و تکنولوژی big.LITTLE در مبحث مصرف توان داشته باشیم.

معماری سرعت ساعت نامتقارن در برابر big.LITTLE

معماری ساعت نامتقارن (Asynchronousclockarchitecture) نوعی از طراحی پردازنده های چند هسته ای می باشد که در آن هر هسته در ولتاژ و فرکانس متفاوتی از دیگر هسته ها کار می کند. در نتیجه وظایف سنگین به هسته با فرکانس و ولتاژ بالاتر و وظایف ساده تر با هسته با فرکانس و ولتاژ کمتر داده می شود. در این بین مهم است که توجه داشته باشیم که معماری هسته ها در این معماری همانند یکدیگر می باشد و تنها ولتاژ و فرکانس کاری هسته ها از یکدیگر متمایز است. در این معماری تعادل مطلوبی میان توان پردازشی و مصرف انرژی برای پردازنده های چند هسته ای برقرار می گردد. شکل زیر ارتباط میان سنگینی محاسبه بر دوش هسته ها با فرکانس و ولتاژ کاری را در دو نوع پردازش متقارن و نامتقارن ( دوهسته ای) نشان می دهد.

پیچیدگی محاسبه با رنگ صورتی و فرکانس کاری با رنگ آبی نشان داده شده است. همانگونه که در شکل مشاهده می شود، در حالت نامتقارن (شکل سمت چپ) یکی از هسته ها با حداکثر توان و دیگر هسته به دلیل سبک بودن وظیفه با فرکانس کاری پایین کار می کند. این مدل فعالیت منجر به منطبق شدن هسته ها با نوع وظیفه و در نتیجه کاهش توان مصرفی می شود. در حالت متقارن (شکل سمت راست) هر دوی هسته ها با فرکانس و ولتاژ متناسب با سنگین ترین وظیفه مشغول فعالیت هستند. هرچند در این نوع پردازش عمل انطباق ولتاژ و فرکانس براساس سنگینی وظیفه انجام می شود اما این انطباق برای تمام هسته ها به یک شکل صورت می گیرد، در نتیجه فرکانس تمام هسته ها مشابه یکدیگر بوده و نسبت به حالت نامتقارن انرژی بیشتری مصرف می گردد.

اما این نکته فقط یک جنبه از مسئله را به ما می شناساند. در جنبه دیگر، حالت نامتقارن از نوعی کاهش عملکرد رنج می برد.

هر چند هسته ۱ (CPU1) در معماری ساعت متقارن نسبت به معماری نامتقارن انرژی بیشتری مصرف می کند اما به دلیل فرکانس کاری بیشتر وظیفه محوله را سریع تر انجام می دهد. سرعت بیشتر در انجام وظیفه موجب می شود که در عملیات سبک و نه چندان طولانی، کار زودتر تمام شده و هسته زودتر به حالت استندبای ( Low power State) برود. ماحصل این نوع پردازش منجر به این می شود که مصرف خالص انرژی (جمع انرژی مصرف شده در مدت زمان موردنظر) برای هر دو حالت متقارن و نامتقارن در نهایت یکسان گردد. شکل زیر میزان اتلاف انرژی را در هر دو حالت متقارن و نامتقارن نشان می دهد.

کاهش عملکرد در معماری نامتقارن در دو حالت از انتقال اطلاعات صورت می پذیرد. در حالت نامتقارن، هر هسته و متعلقات آن مثل حافظه های کش L1 و L2 و واحد SCU - Snoop control Unit در حوزه های فرکانسی متفاوتی عمل می کنند. همانگونه که در شکل زیر  (حالت A) مشاهده می شود داده ها باید از طریق کش L2 و واحد SCU به هسته منتقل شوند که به دلیل یکسان نبودن فرکانس ها میان این واحد ها، به چندین کلاک اضافی برای اتمام کار نیاز است، در نتیجه عملکرد پردازنده دچار تنزل می شود.

نوع دیگری از انتقال داده که با کاهش عملکرد متناظر انجام می شود مربوط به حالتی است که قرار است اطلاعات از هسته ای به هسته دیگر منتقل شوند که در شکل با حالت B نمایش داده شده است. اگر هسته اول از پس انجام کار برنیاید و نیاز به هسته دوم با فرکانس بیشتر برای انجام وظیفه باشد، به دلیل اختلاف فرکانسی میان دو هسته، هسته دوم باید زمان بیشتری را برای دریافت داده ها به انتظار بنشیند و در نتیجه عملکرد کلی باز هم کاهش می یابد. در حالت متقارن به دلیل یکسان بودن فرکانس تخصیص داده شده برای تمام هسته ها، کاهش عملکرد بدین شکل به وقوع نمی پیوندد.

مقایسه معماری ها از نگاه شرکت های سازنده

حال بهتر است نگاهی به ادعای شرکت ها در زمینه تکنولوژی های به کار رفته در چیپ های تولیدی داشته باشیم.

کوالکام که با به کارگیری هسته های Krait و معماری نامتقارن یکی از غول های بزرگ تکنولوژی محسوب می شود نسبت به بازدهی عملکرد پردازنده هایش در مقابل معماری big.LITTLE واکنش مستندی ارایه نکرده است. اما در مقابل دیگر هسته های آرم با معماری متقارن به شکل زیر بسنده کرده است. کوالکام معماری نامتقارن خود را ۲۵ تا ۴۰٪ بهینه تر از طراحی های متقارن آرم می داند.

البته در این نمودار هیچ اشاره ای به نوع اندازه گیری یا نوع محاسبه صورت گرفته، نشده است. اما اگر در مجموع حالات و وظایف در نظر بگیریم، ادعای کوالکام منطقی به نظر می رسد.

در مقابل آرم با به کارگیری هسته های فوق کم مصرف A7 که نزدیک به ۳.۳ برابر انرژی کمتری نسبت به A15 مصرف می کنند نمودار زیر را از عملکرد معماری big.LITTLE به نمایش گذاشته است.

خوشبختانه نمودار آرم اطلاعات دقیق تری متناسب با سنگینی وظیفه محوله را به نمایش می گذارد.

محور افقی نمایش دهنده عملکرد (متناسب با سنگینی عملیات) و محور افقی حاکی از مصرف کلی انرژی می باشد. در بازه عملکردی پایین ( خط سبزرنگ بین نقطه A و B) به دلیل استفاده big.LITTLE از هسته های A7 شاهد کاهش محسوس مصرف انرژی این معماری نسبت به معماری نامتقارن هستیم. در این بازه، وظایفی همچون ویرایش متن، پردازش پشت زمینه سیستم عامل، پخش موسیقی و... انجام می پذیرد. در بازه عملکردی B تا C که بیشتر به بازی های سه بعدی گرافیک بالا اختصاص دارد، توان مصرفی معماری big.LITTLE و معماری نامتقارن نزدیک به هم می باشد.

بحث نهایی و نتیجه گیری

به نظر می رسد که معماری big.LITTLE از نظر تئوریکی مصرف انرژی بهینه تری نسبت به ایده پردازش نامتقارن دارد چرا که:

همانگونه که اکثرا در تجربه کار با گوشی هوشمند متوجه شده اید، عمیاتی همانند کار با ایمیل، کار با پیغام ها، برقراری تماس، وب گردی، پخش موسیقی و فیلم با کیفیت خوب، بازی های سبک و پردازش پشت زمینه سیستم عامل، رایج ترین مواردی هستند که به وفور توسط کاربران در کار با گوشی های هوشمند صورت می پذیرد. تمامی این موارد در حوزه وظایف سبک تا متوسط از نظر شدت پردازشی تقسیم بندی می شوند که به لطف چهار هسته A7 با کمترین مصرف انرژی به خوبی صورت می پذیرند. در کارهای سنگین همانند بازی های سه بعدی گرافیک بالا یا ویدیوهای کیفیت عالی، که به ندرت توسط کاربران انجام می پذیرد، هر دو معماری با عملکردی تقریبا یکسان از نظر توان مصرفی به رقابت با یکدیگر می روند.

دقت داشته باشید که شرکتی همانند کوالکام از معماری آرم برای طراحی پردازنده هایش استفاده می کند اما در طراحی هسته ها با الهام از هسته های آرم، خود هسته هایی با نام Krait را طراحی و به بازار عرضه می کند. به دلیل تفاوت در طراحی هسته ها، مقایسه مستقیم میان مدل های تولیدی این شرکت همانند اسنپ دراگون S4 pro یا اسنپ دراگون ۶۰۰ با هسته های krait در مقابل Exynos octa ( با هسته های A15 و A7) یا تگرا ۴ ( با هسته های A15) منطقی و علمی نخواهد بود. آنچه که در این مقاله مقایسه شده، تفاوت میان معماری نرخ ساعت نامتقارن در مقابل معماری big.LITTLE است که اگر هسته ها را یکسان در نظر بگیریم مقایسه معنادارتر خواهد شد.

شاید برای خوانندگان مقاله این شبهه به وجود آید که انجام این وظایف سبک با توجه به موارد ذکر شده در سطور بالا، مدت زمان بیشتری برای انجام نیاز دارند چرا که A7 از نظر توان پردازشی ضعیف تر از A15 می باشد. این قسمت را با یک مثال توضیح خواهم داد.

فرض کنید که دو چیپ یکی با معماری نامتقارن و دارای چهار هسته A15 و دیگری با معماری big.LITTLE و دارای هشت هسته (چهار هسته A15 و چهار هسته A7) موجود باشد.

طبق فرض بالا وظایف سبک به دلیل تعداد زیاد رخداد ( احتمال وقوع بیشتر در یک بازه زمانی) نسبت به وظایف سنگین، بیشترین اتلاف انرژی را به خود اختصاص می دهند. در نتیجه تمرکز ما باید روی این دسته از وظایف باشد.

در وظایف سبک بی شک A15 قادر است بسیار سریع تر از A7 کار را به اتمام برساند در نتیجه مصرف خالص انرژی نباید آنچنان تفاوتی داشته باشد. اما همانند آنچه که در نمودار آرم نشان داده شد، در وظایف سبک مصرف انرژی کل هسته های A7 متقارن بسیار کمتر از A15 نامتقارن می باشد. اما چرا؟؟

1. همانطور که در ابتدا اشاره شد پردازش نامتقارن نسبت به حالت متقارن از سرعت کمتری در اتمام رساندن وظایف برخوردار است.

2. چون وظایف سبک می باشد در نتیجه، چهار هسته ی A15 نامتقارن به طور کامل وارد گود نمی شوند در حالی که هر چهار هسته A7 به دلیل متقارن بودن با نهایت قدرت وظایف را انجام می دهند.

3. و در نهایت جدول زیر که به منزله زدن سنگ آخر در نشان دادن ایده مناسب معماری big.LITTLE است، به خوبی تفاوت میان عملکرد (Performance) و مصرف انرژی بین دو هسته A7 و A15 را در چندین نوع بنچمارک نشان می دهد. ستون اول نشان دهنده برتری عملکرد پردازشی Cortex-A15 نسبت به Cortex-A7 است و ستون دوم حاکی از برتری بازدهی ( نسبت عملکرد به توان مصرفی) Cortex-A7 در برابر Cortex-A15 می باشد. برای مثال در بنچمارک Dhrystone در سطر اول، Cortex-A15 توانسته است 1.9 برابر از نظر عملکرد و کارایی پردازشی بهتر از Cortex-A7 عمل کند، اما از آنجا که Cortex-A7 بیشترین بازدهی را در میان تمامی برادران خود دارد، توانسته است در بنچمارک اول نزدیک به 3.5 برابر بازدهی بالاتری کسب کند. در کل Cortex-A7 در یک توان پردازشی ثابت توانسته است انرژی کمتری در تمامی بنچمارک ها نسبت به Cortex-A15 مصرف کند.

این نمودار نیز نکات جالبی با خود دارد:

از دلایل بالا به راحتی می توان برداشت نمود که در وظایف سبک و مداوم، چهار هسته A7 متقارن نسبت به چهار هسته A15 نامتقارن به مراتب انرژی کمتری مصرف می کند.

سخن پایانی

پس تاکنون متوجه اساس ایده big.LITTLE شده اید. این ایده می گوید: باعنایت به این که بیشترین مصرف باتری به ازای کارهای سبک و مداوم صورت می گیرد و کارهای سنگین به دلیل رخداد کم، مصرف خالص کمتری از باتری دارند، اگر بتوان هسته های فوق کم مصرف را برای پردازش کارهای سبک در نظر گرفت، میزان خالص مصرف باتری کاهش معناداری پیدا می کنند. در عوض با استفاده از هسته های پرقدرت متقارن برای کارهای سنگین، می توان محصول نهایی را برای انجام درست این امورپیچیده آماده ساخت.

اما نکاتی وجود دارد که باید در مقایسه به آن دقت فراوان گردد:

- big.LITTLE می تواند در استفاده روزمره و واقعی از محصول، مصرف انرژی را کاهش دهد، چرا که وابستگی شدیدی به نوع کاربرد محصول دارد. بی شک در بنچمارک هایی همانند پخش ویدیو با کیفیت بالا نباید انتظار فوق العاده ای از آن برای ثبت رکورد طول عمر باتری داشت. چرا که این مدل بنچمارک ها از واقعیت استفاده روزمره از موبایل دور می باشند. افرادی که از محصول خود مبتنی بر این چیپ برای امور سرگرمی سنگین همانند بازی های سنگین بهره می برند، طول عمر باتری بیشتری نسبت به دیگر محصولات با چیپ های دیگر نصیبشان نخواهد گردید.

- چیپ های مبتنی بر معماری big.LITTLE به دلیل به کارگیری ۸ هسته نسبت به دیگر پردازنده های رایج، بزرگ تر و گران تر می باشند و طراحی محصولات نازک با این چیپ ها کار ساده ای نخواهد بود.

آنچه که فعلا به صورت علامت سوال باقی مانده است، تفاوت واقعی و عملی معماری big.LITTLE نسبت به معماری های قبلی آرم و معماری هسته های Krait می باشد. کوالکام با به کارگیری فناوری نوین HPM در لیتوگرافی سری اسنپ دراگون ۸۰۰ خود، حرف های بسیاری برای گفتن خواهد داشت. بی شک سری ۸۰۰ این شرکت جواب خوب و شایسته ای به معماری big.LITTLE آرم خواهد بود که برای مقایسه فعلا باید به انتظار بنشینیم.

نکات تکمیلی

آرم بعد از انجام تست های فراوان به نتایج جالبی دست پیدا کرده است. آنالیز آرم نشان می دهد که بسیاری از امور روزانه در استفاده از موبایل نیاز به هسته هایی با قدرت متوسط دارند. حتی بعضی از امور سنگین مانند فیلم های Full HD توسط واحد GPU پردازش شده و زحمت زیادی به گردن CPU نمی اندازند.

در تست های آرم و همانگونه که در شکل زیر مشهود است، استفاده از معماری big.LITTLE منجر به کاهش ۵۰ درصدی در مصرف انرژی برای وظایف متداولی همانند وب گردی و پخش موزیک می شود. در وب گردی big.LITTLE توانسته است به همان عملکردی دست پیدا کند که هسته های A15 توانسته اند، اما با این تفاوت که معماری big.LITTLE نزدیک به ۵۰٪ انرژی کمتری مصرف کرده است.

شکل های زیر نیز به خوبی عملکرد معماری big.LITTLE را در افزایش توان پردازشی در کنار کاهش مصرف انرژی نشان می دهد.

نمودار زیر نیز از نتایج تست های متفاوت آرم استخراج شده است . آرم در یک آنالیز طولانی مدت و بر روی سیستم عامل اندروید ساندویچ بستنی میزان و نوع استفاده از هسته ها ( فرکانس و ولتاژ) را توسط محصولی که در حالت استفاده رزمره به کارگرفته شده است را مورد بررسی قرار داده است.

همانگونه که در نمودار بالا مشهود است پخش موزیک، پخش فیلم و بازی های عادی، فشار کمی را به هسته ها وارد ساختند ( مناطق با رنگ سبز). فقط در صفحات وب و آن هم با فایل های فلش زیاد، هسته ها به پیک کاری خود ( رنگ آبی ) رسیده اند. حال با تقسیم وظایف میان هسته های A7 برای انجام امور ناحیه سبز و هسته های A15 برای انجام امور ناحیه آبی، حجم زیادی در مصرف توان صرفه جویی می شود. این میزان صرفه جویی در نمودار واقع در پایین شکل آمده است. مثلا برای پخش موزیک به اندازه ۷۰٪، برای پخش فیلم به اندازه ۶۰٪ و... صرفه جویی می شود.