省電力型と性能追求型、2つのコアでスマホを進化させるARM

ARM社は19日に「Cortex-A7」プロセッサーと「big.LITTLE Processing」を発表した。このうちCortex-A7は、簡易なパイプラインを採用し、電力効率を高めたプロセッサーだ。
　Cortex-A7は最高性能という点では決して高いものではない。名前も“A7”と、iPhone 4でも用いられるなど、2010年までのスマートフォンで主流のコアだったCortex-A8からは、一世代前に戻ったように見えるが、実は話はそう単純ではない。

　たとえば45nmプロセス以前に設計されたCortex-A8はクロック周波数が1GHz止まりだったが、28nmプロセスで製造したCortex-A7は1GHz以上のクロック周波数が利用可能で、かつ同じクロック周波数であればCortex-A7のほうが性能は高い。つまり単体でも低価格スマートフォンに利用できる性能を持つのだ。

　Cortex-A7が電力消費あたりの性能を高めた省電力型とすると、最高性能を追求したCortex-Aシリーズの最上位には「Cortex-A15」プロセッサーがあり、こちらはアウトオブオーダー機構などを採用する高性能タイプだ。

　しかし、プロセッサー性能が高くなると、その分消費電力が増えてしまう。クロック周波数や電源電圧を下げることで、ある程度消費電力を減らすことはできるが、回路規模の小さなプロセッサーと比べると消費電力は増えてしまう。また不要な回路の電源やクロック供給を落とす技術はあるものの、これはアイドル時の消費電力を減らすもので、動作時の消費電力を大きく削減するものではない。

　そこでARM社は、高性能が必要なときにはCortex-A15を、負荷が低いときにはCortex-A7へと切り替えることで、プロセッサーの消費電力を大きく下げるテクノロジーを発表した。これがbig.LITTLE Processingというわけだ。

　big.LITTLE Processingには「big.LITTLE Task Migration」と「big.LITTLE MP」の2つの種類があり、前者は仮想化機能を使いて内部ステートを保存し、プロセッサーを切り替えた後、他方へ内部ステートを読み込んで電力効率の違うプロセッサーを利用する技術だ。もう1つのMPはOSのスケジューラーに手を加え、Cortex-A15とCortex-A7で適切なほうにタスクを割り当てる。負荷の低い処理は電力効率の高いCortex-A7で、処理性能が要求されるスレッドはCortex-A15で実行するわけだ。

Cortex-A15は、2012年あたりから登場するとされており、この世代のシステムでは、big.LITTLE Processingにより、バッテリー寿命が伸びることが予想される。ARMによればCortex-A15単体で構成した場合に比べ、big.LITTLE Processingを採用すると1.7倍程度、バッテリー寿命が延びるとしている。

　Cortex-A15、Cortex-A7ともにARMv7のプロセッサであり、ソフトウェアは互換性がある。しかし大きな違いは、そのパイプラインだ。Cortex-A15はアウトオブオーダー、3命令以上の同時発行が可能なプロセッサだ。また、仮想化支援機能を持ち、システム仮想化に対応できる。

　これに対して、Cortex-A7は、インオーダーで制限付きの2命令同時発行であり、そのパイプラインはシンプルなもの。ただし、仮想化支援機能を備えており、OSを含むソフトウェアからみるとほぼ同一となっている（一部違いがある）。最大4GBの2次キャッシュが利用可能なほか、Cortex-A15と同様に高速な内部バスが利用でき、メモリコントローラーとの接続帯域も広い。

　このCortex-A15とCortex-A7の性能比、電力効率比を示したのが下の写真だ。Cortex-A15とCortex-A7では2〜3倍程度の性能比になるが、電力効率でみるとCortex-A7は、Cortex-A15の2.3〜3.8倍もある。たとえば、整数演算（Dhrystone）であれば、Cortex-A7はCortex-A15の半分程度の性能しかないものの、同じ処理をおこなった場合には28%（電力効率の逆数から）の電力しか消費しないのだ。

　この差を利用して、それほど性能を必要としない場合には、CPUをCortex-A15からCortex-A7に切り替えることで、電力消費を3割以下に下げることが可能になるわけだ。

　ARMで、実際の利用環境を調べてみたところ、一日の利用のうちCortex-A15を必要とする処理時間はわずか12％程度しかなかったという。また、アプリケーションの種類別に必要な処理速度を見た場合でも、処理時間の多くはあまり高い性能を要求しないものだったという。

　さて、2つのコアを切り替えるbig.LITTLE Task Migrationだが、Cortex-A15／Cortex-A7では、ぞれぞれのブロックで2次キャッシュを共有し、この2次キャッシュ間をCCI-400（Cache Coherent Interconnect）で接続して、「同一性」（コヒーレンシ）を保つようにしてある。

また、仮想化支援機能では、仮想マシンとして動作しているプロセッサーの内部状態を完全にメインメモリへ保存することができる。big.LITTLE Processingは、この機能を利用する。

　たとえばCortex-A15からCortex-A7に切り替える場合、動作中のCortex-A15がCortex-A7を起動させる。Cortex-A7が起動すると、Cortex-A15はプロセッサー状態を完全に保存する。これをCortex-A7が読み込んで状態を復帰させ、Cortex-A15が実行中だった処理を継続する。

　このとき両方の2次キャッシュは、同一性が保たれるようにコピーが行なわれる。双方のキャッシュの同一性が保たれたあと、Cortex-A15は、キャッシュをクリアし、自身の電源を切る。逆に、CPU負荷があがり、Cortex-A7では手に負えなくなりそうになると、Cortex-A7が休み、Cortex-A15が動きはじめる。

　この切り替えは、仮想化システムでの「マイグレーション」（動作中の仮想マシンを他のマシンで動かすこと）に似ている。仮想化システムのマイグレーションは、通常システム障害などで行なわれるものだが、big.LITTLE Processingでは、これを負荷状態を条件に切り替え、システムの電力効率を高めるために使っている。

　切り替え（ブラックアウトタイム）は20ms以下とされているがデバイスの状態などにより、一定の値ということではなく、最悪値として20ms程度ということであると推測される。

　このbig.LITTLE Task Migrationでは、仮想化機能でいう「ハイパーバイザー」に相当するものはARM社から供給され、OSやアプリケーション側は、特に対応は必要ないとされている。またbig.LITTLE MPについては、Linuxのスケジューラーに手を入れたものを提供する予定だという。

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