big.LITTLE 架構是什麼？

ARM 是目前世界上使用最廣泛的 CPU 架構。

它可能無法為您的計算機供電，但幾乎可以肯定，它可以為您的智能手機或平板電腦供電。此外，Apple 現在在其內部 CPU 設計中使用 ARM 架構。

原因很明顯。

ARM CPU 可以擁有驚人的性能，同時還能設法保持低功耗。事實上，它們是如此之低，以至於它們可以安裝在具有被動冷卻功能的薄型智能手機中。很大一部分能效歸功於 big.LITTLE 內核設置，Apple、高通、聯發科和其他 CPU 製造商都在使用它。

但究竟什麼是 big.LITTLE，為什麼它如此重要？

ARM 的 big.LITTLE CPU 架構是什麼？

大多數現代 CPU 的工作方式是它們通常具有多個內核，系統在這些內核之間分配任務。通常，這些多核 CPU 具有相同的內核，能夠處理相同的指令並達到相同的時鐘速度。所有任務，無論大小，都在這些核心之間進行處理和分配。ARM big.LITTLE CPU 並非如此。

雖然存在具有“傳統”內核設置的 ARM CPU，但基於 big.LITTLE 的 CPU 設計具有兩個內核“集群”，具有針對不同任務設計的不同內核。在這些類型的 CPU 中，我們經常會看到設計用於執行要求苛刻的任務的“高性能”內核和處理更傳統任務的“節能”內核。這些高性能內核通常規格高、耗電大，時鐘速度明顯更高，而節能內核更弱、時鐘更低、功耗更少。

在智能手機中，這些“常規任務”包括短信、電子郵件、通話、音頻等，其中包括智能手機必須執行的大部分常見任務。這些旨在卸載到節能內核，而更大的高性能內核則留給其他要求更高的任務，例如移動遊戲和網頁瀏覽。該系統使用全局任務調度或異構多處理 (HMP) 在所有不同的 CPU 內核之間分配工作負載。

優點是雙重的。由於日常任務由較小的內核處理，這些內核本質上耗電量較低，因此這些 CPU 通常消耗的功率要少得多。它們還具有更好的性能，因為要求更高的任務本身就有一組 CPU 內核。您將獲得性能更好且能效更高的 CPU。

一個有著坎坷歷史的革命性理念

在 big.LITTLE 出現之前，所有多核 ARM CPU 都具有相同內核的排列，就像 x86 CPU 一樣。big.LITTLE 於 2011 年 10 月首次推出，它與兩個新的核心設計 Cortex-A7 和 Cortex-A15 一起推出。在該提議的系統中，兩種內核設計都可以配對：Cortex-A15 將充當大內核，而 Cortex-A7 將充當小內核。從那裡開始，ARM Holdings 即將推出的核心設計都將與 big.LITTLE 兼容，因為矽製造商認為它適合。

首批採用這種內核設計的 CPU 之一是三星的 Exynos 5 Octa 5410，它在 2013 年為三星 Galaxy S4 提供動力。它具有四個時鐘頻率為 1.2 GHz 的 Cortex-A7 內核和四個時鐘頻率為 1.6 GHz 的 Cortex-A15 內核，用於共8核。

然而，這些早期 big.LITTLE CPU 的調度程序的工作方式非常笨拙。這些早期的調度程序使用“集群交換”來一次性處理整個集群。如果整個處理器的負載較低，它將使用低功耗內核，但如果負載增加，它會將整個工作負載轉移到大內核。這絕對是一種方法，但回想起來，這是一種相當低效的方法。

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然後，我們看到了內核切換器。在這裡，大內核與小內核配對，兩者都被調度程序作為單個“虛擬內核”尋址。根據虛擬內核是低負載還是高負載，它將在使用小內核和大內核之間切換。

從那裡，我們最終得到了異構多處理。在這裡，每個內核都可以單獨尋址。調度程序知道哪些內核較大，哪些內核較小，並從那裡開始分配工作負載，將較低的負載分配給節能的內核，將較大的負載分配給高性能的內核。

big.LITTLE 如何改變 CPU 格局？

ARM 處理器在性能和能效之間提供良好的平衡方面已經享有盛譽。然而，在這些 CPU 上，低功耗是必不可少的。畢竟，這些處理器是用在智能手機上的，智能手機體積小，機身纖薄，沒有任何主動散熱，所以熱限制非常低，CPU需要消耗功率來滿足它們。

不過，big.LITTLE 是巨大的，因為它能夠同時提高性能和電源效率。如今，大多數（如果不是全部）ARM CPU 都是基於 big.LITTLE 的設計，即使是 Apple 手機也是如此。現在，英特爾準備在其未來的 x86 處理器上採用這種架構的一兩頁：Alder Lake處理器將在 PC 領域引入異構計算的概念。

優勢實在是太大了，不容否認。

什麼是DynamIQ？

圖片來源：高通

DynamIQ 是 ARM 於 2017 年 5 月宣布的新核心架構，是 big.LITTLE 的各種繼承者。DynamIQ 旨在將 big.LITTLE 在異構計算方面所做的更進一步，提供更大的靈活性和更好的擴展性。

big.LITTLE 僅限於兩個集群，而 DynamIQ 將每個集群的最大內核數增加到 8 個，允許在單個集群中進行多核設計，並且每個 CPU 最多允許 32 個集群。此外，DynamIQ 提供更精確的每核電壓調節和更好的 L2 緩存速度。簡而言之，它與 big.LITTLE 非常相似，並將其基本概念向前推進，不同之處在於它現在允許在具有多個集群和核心設計方面具有更大的靈活性。

DynamIQ 處理器的一個例子是高通公司 2021 年的旗艦芯片驍龍 888。在 big.LITTLE 處理器中，經常會看到大小內核集群。

然而，在 Snapdragon 888 中，有一個“主內核”，一個主頻為 2.84 GHz 的 Cortex-X1 內核，然後是一個更典型的高性能集群（現在是二級），包括三個主頻為 2.42 GHz 的 Cortex-A78 內核. 最後，節能內核是四個時鐘頻率為 1.8 GHz 的 Cortex-A55 內核。這是一個八核設置，但它使用三種不同的內核設計來處理不同的任務。

一次完整的行業變革

可以說，big.LITTLE 的引入和異構計算的概念徹底顛覆了 CPU 的遊戲。如今的 ARM CPU 與 x86 一側最大的處理器進行了較量，同時還將功耗和電池壽命保持在最低水平，這一切都歸功於 big.LITTLE 及其繼任者 DynamIQ。

我們對 ARM 處理器的未來發展感到非常興奮。