新一代移動(dòng)處理器

如果今天的智能手機(jī)能夠和經(jīng)典的諾基亞6210手機(jī)一樣工作數(shù)天甚至數(shù)周，那么用戶必然會(huì)欣喜若狂?，F(xiàn)如今，智能手機(jī)功能堪比個(gè)人電腦，頂級的智能手機(jī)大多配備高通Snapdragon 600處理器，其時(shí)鐘頻率比諾基亞6210手機(jī)那一時(shí)代的PC處理器奔騰4還高。但是這些智能手機(jī)頂多使用一兩天就必須要充電，如果滿負(fù)荷工作，則只能夠工作幾個(gè)小時(shí)。用戶對此深惡痛絕，其實(shí)這也并不是移動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)商和移動(dòng)處理器廠商所愿意見到的。

處理器制造商的比賽

幾乎所有處理器廠商都希望能夠優(yōu)化處理器的制造工藝與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高的性能并盡可能地降低能耗。為此，加入ARM指令集的Snapdragon處理器能夠通過對核心分別管理，動(dòng)態(tài)地調(diào)整功率以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。而目前Nexus 10和部分Galaxy S4配備的三星Exynos 5處理器雖然不能夠這樣控制核心，但卻也另辟蹊徑，嘗試將不同的核心捆綁在一起，以求處理器能夠具有更高的性能和較佳的節(jié)能效果。英特爾則希望在2013年的年底在移動(dòng)處理器方面實(shí)現(xiàn)一些技術(shù)創(chuàng)新，在新的Silvermont微架構(gòu)下，英特爾Atom處理器的性能將比目前的處理器提升3倍以上，并且在相同性能水準(zhǔn)下，功耗將降低至五分之一。

下面，我們將為大家介紹這些技術(shù)的進(jìn)展，并且在文章的最后部分，我們還會(huì)為大家介紹一些相關(guān)的Android應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序能夠通過對移動(dòng)設(shè)備模塊的控制，幫助用戶輕松實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

制程：越小越好

對于處理器來說，晶體管自然是越小越好，但是晶體管的小型化必須克服許多困難。

處理器廠商改善處理器最有效的方法是縮小晶體管，處理器的晶體管越小、密度越高，需要的電壓也就越低，并且速度也就更快。但是隨之而來的問題是，晶體管越小，漏電的問題也會(huì)越嚴(yán)重，在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，將晶體管的尺寸從30nm降低到20nm，泄漏的電流功率將達(dá)到功耗的一半左右。

晶體管中源極和漏極之間存在著絕緣層，用于確保在晶體管關(guān)閉時(shí)兩極間沒有電流通過，按照經(jīng)典力學(xué)，絕緣層似乎是不可逾越的。但是根據(jù)量子力學(xué)，微觀粒子具有波的性質(zhì)，而且有不為零的機(jī)率穿過勢壘，也就是說兩極間沒有電流通過是不可能的。而晶體管越小，絕緣層也就越薄。電流通過的機(jī)率也就會(huì)越高，漏電流的問題自然就越嚴(yán)重。為了避免這種情況，英特爾和三星嘗試在晶體管中不再使用二氧化硅的柵極絕緣層，轉(zhuǎn)而使用高介電值（High-K）材料，如氧化鉿，以求在不降低晶體管開關(guān)速度的情況下，降低漏電率。目前，最新的高通Snapdragon 800和英偉達(dá)Tegra 4處理器采用的就是High-K材料的晶體管。

減少漏電流的新技術(shù)

然而，在單個(gè)柵極負(fù)責(zé)控制源極和漏極的溝道時(shí)，由于柵極不具備良好的靜電場控制能力，因此即使柵極處于關(guān)閉狀態(tài)，源極和漏極之間也可能存在漏電流。并且在晶體管越小的情況下，阻力越小。為此，英特爾第三代酷睿（Ivy Bridge）處理器和未來Silvermont微架構(gòu)下的Atom處理器將采用FinFET晶體管（被稱為三柵極晶體管，Tri-Gate transistors）。FinFET晶體管將不再有任何平面的通道，溝道垂直于襯底的鰭片（Fin），柵極三面包圍著溝道。按照行話說，這種柵可以完全耗盡載流子溝道，從而實(shí)現(xiàn)對溝道更好的靜電控制，因此也具備更好的電氣特性。按照英特爾的介紹，理想情況下，F(xiàn)inFET元件比傳統(tǒng)的晶體管速度快37%且能耗低50%

另一種解決問題的方法是意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）希望2013年年底引入的FD-SOI晶體管，這種晶體管雖然也是平面的，但是降低厚度的溝道層與硅襯底被完全隔離開來，和FinFET晶體管一樣，溝道被完全耗盡。因而，F(xiàn)D-SOI和FinFET晶體管有著類似的開關(guān)特性，并且兩者也都明顯比傳統(tǒng)的晶體管更有優(yōu)勢，為未來幾年繼續(xù)降低晶體管尺寸創(chuàng)造了條件。

架構(gòu)：靈活、高效

新的處理器能夠在各個(gè)核心之間靈活地分配任務(wù)及關(guān)閉芯片中未使用的區(qū)域。

目前，移動(dòng)處理器架構(gòu)方面的爭論主要是兩種使用同一指令集（ARM v7）的架構(gòu)：高通的Krait和ARM的Cortex。Krait可以在多核心系統(tǒng)中單獨(dú)調(diào)整各個(gè)核心的電壓，按照高通的說法，這將能夠比Cortex核心節(jié)省25%～40%的能耗。當(dāng)然處理器中不同核心之間數(shù)據(jù)傳遞與時(shí)鐘頻率同步時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生一定的性能損耗。

Krait進(jìn)一步節(jié)省能源的方法是采用相對較短的流水線，它的整數(shù)流水線僅有11級，而ARM的頂級模型Cortex-A15有15～24級整數(shù)流水線。處理器通過流水線將指令分解成較小的層次并行加以執(zhí)行，這種策略能夠在一定程度上提高性能，因?yàn)樘幚砥魍ǔＴ诿總€(gè)時(shí)鐘周期完成流水線的N個(gè)序列，所以工作時(shí)流水線必須始終填滿，如果缺少后續(xù)的數(shù)據(jù)或者程序指令，則必將犧牲一定的性能。不過，Krait靈活的無序架構(gòu)和Cortex-A15在必要時(shí)改變命令序列的技術(shù)雖然能夠加速代碼的執(zhí)行，但是如果處理器偶爾錯(cuò)誤地關(guān)閉了一個(gè)長流水線的指令，那么就需要清空整個(gè)流水線，從頭開始執(zhí)行，這將浪費(fèi)一定的能源。同時(shí)，亂序執(zhí)行需要增加額外的芯片切換電路，這也同樣會(huì)產(chǎn)生功耗。

節(jié)約能源的迷你內(nèi)核

Cortex-A15的性能非常高，但是功耗也同樣很高，因而，ARM芯片的制造商將Cortex-A15與較低主頻的Cortex-A7捆綁在一起，設(shè)計(jì)成“big.LITTLE”處理器。Cortex-A7只有8級流水線，并且只采用簡單的順序流水線。不過，根據(jù)ARM的介紹，它僅有Cortex-A15的五分之一面積，速度約為Cortex-A15的一半，能源效率則是Cortex-A15的3倍。

第一批“big.LITTLE”處理器將會(huì)是三星的Exynos 5 Octa和英偉達(dá)的Tegra 4，它們捆綁了4個(gè)Cortex-A15核心和4個(gè)Cortex-A7核心。不過，對于操作系統(tǒng)來說，這些處理器只是一個(gè)四核處理器，因?yàn)镃ortex-A15和Cortex-A7核心邏輯上是一個(gè)核心，所以只有一個(gè)可以被激活。

首先由Cortex-A7核心開始加載任務(wù)，如果它的負(fù)載接近極限，則會(huì)將線程轉(zhuǎn)移給所關(guān)聯(lián)的Cortex-A15核心。類似的切換除了核心的能源管理需要進(jìn)行相應(yīng)的處理外，操作系統(tǒng)也需要有一些必要的改變。而根據(jù)ARM的介紹，千兆赫茲時(shí)鐘頻率下線程切換的周期大約是30 000到50 000，也就是說切換只需30μs～50μs，基本上察覺不到。切換速度可以如此之快，是因?yàn)檫@兩種核心使用相同的指令集，完全兼容對方。

通過電源門控（Powergating）關(guān)閉處理器中未使用的核心可以充分地節(jié)省電力，一旦整個(gè)捆綁的核心空閑下來，處理器甚至還可以分離各自的L2高速緩存供其他核心使用。但是類似的操作同樣需要耗費(fèi)電力，因此ARM想到了一個(gè)更有效的方法，就是所謂的“big.LITTLE MP”。ARM希望未來這種處理器可以任意地組合核心，例如兩個(gè)Cortex-A15核心和4個(gè)Cortex-A7核心，這將可以實(shí)現(xiàn)更靈活的性能與功耗之間的微調(diào)，此外，任務(wù)管理器還應(yīng)該能夠提前將任務(wù)分配給合適的核心。不過如此復(fù)雜的線程和核心管理，ARM必須先想辦法讓操作系統(tǒng)能夠相應(yīng)地進(jìn)行修改方可。

英特爾也希望能夠在手機(jī)和平板電腦處理器市場站穩(wěn)腳跟。目前Saltwell架構(gòu)的Atom正被用于Motoralas Razr i和華碩的Fonepad，對于英特爾來說這可以算是值得慶祝的成功，因?yàn)檫@些設(shè)備給出了一個(gè)經(jīng)得起考驗(yàn)的成績單。它們不僅具有良好的性能，同時(shí)還可以提供較長的續(xù)航時(shí)間。獲得如此優(yōu)秀成績的原因是英特爾在節(jié)能模式SOi1和SOi3使用了電源門控。與完全切斷處理器供電的節(jié)能模式不同，電源門控技術(shù)只是調(diào)整了未使用電路的電壓，芯片的其余部分仍然正常工作。因而，它能夠在節(jié)能的同時(shí)，確保重要的關(guān)鍵性功能不受影響，同時(shí)又能夠從待機(jī)模式中迅速地被喚醒。如果用戶將設(shè)備放在桌子上，閑置一會(huì)兒處理器將進(jìn)入到S0i1模式，顯示屏將被關(guān)閉，接下來如果長時(shí)間閑置處理器則將會(huì)轉(zhuǎn)到深度睡眠模式S0i3，此時(shí)應(yīng)用程序?qū)⒖梢岳^續(xù)同步數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)不同于普通電腦的S3節(jié)能模式。

Saltwell的繼任者Silvermont將在2013年年底進(jìn)入市場，新的處理器將能夠更高效地工作，因?yàn)樵撎幚砥鲗⒉捎?2nm的FinFET元件并支持亂序執(zhí)行。因此，Silvermont架構(gòu)的處理器比當(dāng)前的ARM處理器速度更快，并且在相同性能的情況下，能源效率是其4倍。

節(jié)省電力的Android應(yīng)用程序

除了處理器之外，顯示屏和移動(dòng)通訊芯片也是耗能大戶，因此Android系統(tǒng)將在空置時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)入待機(jī)模式、關(guān)閉屏幕和降低處理器工作頻率。通過所謂的“喚醒鎖”，應(yīng)用程序可以在后臺(tái)運(yùn)行，繼續(xù)使用其他系統(tǒng)資源。這樣可以防止深度睡眠影響正常的功能，例如中斷下載或者停止音樂播放等。但“喚醒鎖”狀態(tài)下不允許靈活地操作無線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通訊。要想保證功能完整且節(jié)省更多的電力，我們必須使用一些節(jié)能軟件。例如，高通公司的Android應(yīng)用程序BatteryGuru可以對用戶的使用行為進(jìn)行分析，然后確定什么時(shí)候應(yīng)該激活應(yīng)用程序，什么時(shí)候可以同步數(shù)據(jù)，又應(yīng)該在什么時(shí)候關(guān)閉移動(dòng)數(shù)據(jù)或者無線網(wǎng)絡(luò)模塊。未來，手機(jī)廠商也將會(huì)重視軟件節(jié)能的方案，通過操作系統(tǒng)提供類似的功能，確保在維持手機(jī)高性能運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，能夠有足夠的續(xù)航時(shí)間。