Stor och liten hand i hand

A15 (överst) drar mer energi än A7 (underst) bland annat för att varje varje steg i pipelinen drar energi. Klicka för större bilder.

A15-blocket och A7-blocket ska  ha lika många kärnor för att överlämningen av jobb mellan dem ska enkel. De separata L2-cacheminnen hålls synkade (koherenta). Klicka för större bild.

A7- och A15-kärnorna ska kunna fördela trådar mellan sig efter vilken sorts prestanda de kräver eller vilket energisparläge apparaten befinner sig i. Arm kallar kombinationen av A15 och A7 för Big Little (eller närmare bestämt "big.LITTLE").

En A7-A15-processor kan vara strömsnål den mesta av tiden – då uppdaterar A7an epost och Facebook, och vaktar telefonen. Men den kan också kasta in tunga resurser när de behövs för att rendera webbsidor eller spela Angry Birds.

Den kanske tydligaste konsekvensen blir att standbytiden kan höjas dramatiskt i avancerade mobiler jämfört med om dessa skulle använt enbart A15-kärnor.

Systemkretsar som blandar armkärnor av olika slag är ingen nyhet i sig – i fjol höst lanserade exempelvis Marvell en ”trippelkärna”. Men de mindre kärnorna brukar ha specialiserade systemnära uppgifter. I fallet Big Little används både A7- och A15-kärnorna för att köra användaroperativsystemet.

Armprocessortillverkaren Nvidia gjorde i förra månaden en annonsering liknande Big Little. Företagets kommande fyrkärna på Cortex A9 – Tegra 3 Kal El – avslöjades i själva verket vara en femkärna där den femte kärnan är en lågeffekts-A9 som ska kunna ta över jobbet i ett extra strömsnålt läge när de fullstora A9orna sover.

Det här kan Arm också göra, och kallas ”Big Little Task Migration”. Men Arm har också en snäppet mer avancerad lösning: A15- och A7-kärnor ska kunna vara vakna samtidigt och dela trådar mellan sig. I det utförandet kallas arkitekturen ”Big Little MP”.

Dagens processorer kan variera spänning och klockfrekvens för att optimera sin verkningsgrad under olika belastning. Men det finns en gräns – en dragster blir inte en ekobil hur mycket du än sänker varvtalet. Att enligt Arms modell växla körningen mellan olika sorters cpu-kärnor ökar  potentialen till energibesparning i lågprestandaläge.

– Modellen i sig är något som man propagerat för i forskningsvärlden sedan ett tag tillbaka, säger Mats Brorsson, professor på KTH.

Innan en hybridprocessor av detta slag kan börja göra nytta krävs stöd i operativsystem.  Mats Brorssons forskarlag är involverat i ett forskningsprojekt som utvecklar ett sådant operativsystem kallat Barrelfish.

– Tanken är att operativsystemet ska kontrollera hur många kärnor ett program får över tiden, beroende på last och programmens behov. Detta ska alltså inte programmeraren kontrollera eller ens känna till.

Mats Brorsson ser Big little som en av flera intressanta möjliga arkitekturer att testa Barrelfish mot i en eventuell utvidgning av projektet.

– Det hänger på finansieringsläget. Det är dock inte säkert att det blir just Arms arkitektur vi kommer att använda, det viktiga är att det är en kombination av små strömsnåla kärnor med effektiva högpresterande kärnor.

Barrelfish sponsras av Microsoft men är en ren forskningsprodukt som inte har något med någon Windowsversion att göra.

Microsoft nämns heller inte i Arms release. Det som är känt sedan tidigare är att Microsoft utvecklar stöd för Windows 8 på aktuella armprocessorfamiljer som Qualcomm Snapdragon, Nvidia Tegra och TI Omap.

QNX, Linaro och OK Labs nämns däremot i pressreleasen från Arm, vilket betyder att android- och andra linuxmobiler, samt RIMs kommande QNX-mobiler kan komma att köra Big little. QNX är ett dotterbolag till mobilmakaren RIM och arbetar med dess operativsystem. OK Labs hypervisor OKL4 används i fler än en miljard mobiler. Linaro är approcessormakarnas samarbetsorganisation för anpassning av Linux till armprocessorer.

Redan den 11 oktober publicerade Arm en söt reklamfilm om stora och små slädhundar – först nu får vi veta att den i hemlighet handlade om Big Little.

Cortex A7 – även kallad "Kingfisher” – är en dual-issue-cpu med en pipeline på åtta till tio steg som ska kunna klockas till mer än en GHz.

Den första tape-outen av en processor med en A7-kärna beräknas till första halvåret 2012 och en A7-mobil ska kunna finnas i butikshyllorna år 2013.

ST-Ericsson, Broadcom, Freescale, Samsung, Texas Instruments, LG och Hisilicon gör tummen upp för Big Little i Amrs pressrelease. Men läser man pressreleasen noga ser man att det bara är Freescale som uttryckligen deklarerar planer på att själv använda den.

Utöver att användas i A7-A15-hybridmultikärnor, är A7 enligt Arm ett utmärkt val som en ensam enkel- eller dubbelkärna i billigare mobiler. En 28 nm A7 har 50 procent högre prestanda och en femtedel av energiförbrukningen hos en 45 nm Cortex A8 – fjolårsmodellen av app-cpuer för mobiler – på en femtedel av ytan (0,45 kvadratmillimeter). Arm tror A7 är ett bra val för en 600-kronorsmobil anno 2013 – en sådan kan idag använda en 500 MHz Arm11 i 65 nm.

Här finns en utmärkt teknisk rapport från Arm som ger fler detaljer om Big Little (pdf, 150 kbyte).