Tại sao điện thoại Android có nhiều lõi hơn máy tính?

Máy tính xách tay thường có nhiều nhất là bốn lõi, và lõi kép có lẽ phổ biến hơn. Gần đây tôi đã chuyển từ quadcore sang dualcore và tôi có thể xác nhận rằng có một số lượng hạn chế sử dụng cho quadcore, ngay cả với các tác vụ chuyên sâu của CPU.

Mặt khác, tại điện thoại di động, quadcores, hexacores và octacores dường như là phổ biến. Tại sao? Những nhiệm vụ có thể sử dụng chúng?

Tôi hiểu rằng big.LITTLE có thể là một phần của câu trả lời. Đó là, lợi ích chính của rất nhiều lõi không phải là khả năng sử dụng đồng thời tất cả chúng, mà là sử dụng lõi có mức tiêu thụ điện phù hợp với khối lượng công việc hiện tại. Tuy nhiên, ví dụ, Snapdragon 625 có tám lõi Cortex-A53, dường như không phải là trường hợp của big.LITTLE.

Có thể kiến ​​trúc ARM có điểm thấp hơn về hiệu suất tối ưu trên mỗi watt. Đó là, việc có một lõi đơn được điều chỉnh cho hiệu suất tối ưu trên mỗi watt dẫn đến hiệu suất trên ARM thấp hơn so với Intel. Vì vậy, nhiều lõi được sử dụng để cung cấp hiệu suất. Đây chỉ là một giả thuyết.

Nhưng ngay cả trong trường hợp này, tôi không thấy khối lượng công việc nào có thể sử dụng hiệu quả, giả sử, tám lõi trên điện thoại di động. Trên máy tính xách tay, tôi có thể tưởng tượng một số ít như tổng hợp đầy đủ (không tăng dần) của một dự án. Nhưng trên điện thoại?

• Các trò chơi có thể đói hiệu năng, nhưng chúng thường yêu cầu hiệu năng GPU hơn là CPU, phải không?
• Về mặt lý thuyết, nhiều lõi có thể tăng tốc độ biên dịch AOT của Android Lollipop / Marshmallow khi cài đặt hoặc khi nâng cấp (nghĩa là, các ứng dụng Tối ưu hóa giai đoạn 3/121). Tôi, tuy nhiên, không chắc chắn nếu điều này có thể sử dụng nhiều lõi. Theo như tôi nhớ mã, chỉ có một ứng dụng đang được biên dịch tại một thời điểm, nhưng có thể có một số sự song song trong chính quá trình biên dịch.
• Ngoài ra Android 7+ có thể sử dụng nhiều lõi khi biên dịch. Nhưng vì nó được biên dịch khi không hoạt động và sạc, nên lợi ích có vẻ là khá nhỏ. Ít nhất là khi một người sạc điện thoại qua đêm - tôi thực sự không quan tâm nếu phải mất 30 phút hoặc hai giờ trong một kịch bản như vậy.

Như bạn đã lưu ý, các big.LITTLE chiến lược kết hợp (về mặt kỹ thuật, HMP , không đồng nhất Multi-Processing cụm) là lý do chính cho rất nhiều (và đôi khi áp đảo nhiều) lõi. Một thiết bị di động thường chạy trong nhiều tình huống, bao gồm cả tải nặng và tải nhẹ.

Một ví dụ cực kỳ đẳng cấp cho người tiêu dùng là Helio X20 của MediaTek, có 2 lõi A72 định hướng hiệu suất, 4 lõi A53 cân bằng, cộng với 4 lõi A35 tiết kiệm năng lượng. Điều đó rất linh hoạt trong các trường hợp sử dụng khác nhau. Tuy nhiên, tôi nghĩ 8 lõi 2 cụm thường là đủ.

Ngoài ra còn có một ví dụ giống như máy tính để bàn khác, dòng Snapdragon 800 của Qualcomm (S 800, S 801 và S 805). Chỉ có 4 lõi của cùng một kiến ​​trúc vi mô trong mỗi SoC, với 2 xung nhịp cao hơn và 2 xung nhịp thấp hơn. Qualcomm đã tạo ra các SoC này vì họ rất tin tưởng vào kiến ​​trúc vi mô của riêng họ (K Eo 400 và K Eo 450).

Đối với các trò chơi, ngay cả khi chúng dường như đòi hỏi hiệu năng GPU hơn là CPU, chúng vẫn gây ra gánh nặng cho CPU. GPU không thể hoạt động một mình mà không có thứ gì khác cung cấp dữ liệu cần xử lý và đó là một trong những công việc chính mà CPU đang làm trong khi bạn chơi game. Trong hầu hết các trường hợp chơi trò chơi, GPU chỉ hiển thị đồ họa, trong khi tất cả các công việc khác như tải dữ liệu, tài nguyên và tài sản và tính toán cơ học trong trò chơi như hệ thống, môi trường và vật lý đều được CPU thực hiện. Bạn sẽ không quan sát tốc độ khung hình cao hơn nếu bạn nâng cấp GPU của mình trong khi gắn bó với CPU cấp thấp.

Một lý do phụ là cách Android sử dụng tài nguyên CPU . Android khá nhiều làm cho môi trường ứng dụng của riêng họ. Nó không sử dụng gì ngoài mã (và API) từ Java, nhưng nó có máy ảo riêng có tên Dalvik, sau này được thay thế bằng ART (API cấp 21). APK có mã thực thi của chúng ở định dạng "trung tính", giống như .classcác tệp trong Java. Trước khi chạy, mã được biên dịch một lần nữa vào hướng dẫn gốc của máy ^[1] . Quá trình biên dịch là đa luồng và có thể sử dụng đa lõi để tăng hiệu năng.
Và khi một ứng dụng đang chạy, có một số quy trình và cơ chế khác (như Garbage Collector) chạy dọc hoặc song song với ứng dụng. Nhiều lõi hơn có thể cho phép các quy trình hỗ trợ chạy hiệu quả hơn, cũng như ứng dụng chính.
_{1. Nếu bạn sử dụng mã định danh loại tệp, bạn sẽ thấy rằng các tệp dex "được tối ưu hóa" có định dạng ELF, trong khi các tệp dex "trung tính" chỉ ở định dạng của riêng chúng.}

Một lý do khác là các lõi ARM không thể hoạt động nhanh như chip Intel x86 . Kiến trúc vi mô Intel x86 có thể có từ năm 1976, khi chip Intel 8086 bắt đầu được thiết kế, điều đó có nghĩa là x86 đã phát triển trong một thời gian dài. Một lõi ARM Cortex-A73 cao cấp hiện đại duy nhất chỉ mạnh bằng lõi Intel Clarkdale, lấy Core i5-660 làm ví dụ (GeekBench, lõi đơn). Điều này là do x86 là một kiến trúc vi mô CISC trong khi ARM là RISCkiến trúc vi mô. Bạn chắc chắn không muốn một chiếc điện thoại trở nên lag khi chỉ có hai ứng dụng hoạt động. Nhiều lõi hơn sẽ giúp giảm áp lực. Đó là lý do tại sao các SoC lõi kép tương đối phổ biến chỉ trên đồng hồ thông minh. Ai cần hiệu suất trên một chiếc đồng hồ thông minh?

Thật thú vị, nhiều lõi hơn sẽ dẫn đến ít năng lượng hơn so với một lõi đơn ở cùng tải . Mối quan hệ giữa tần số CPU và mức tiêu thụ năng lượng nhiều hơn tuyến tính, do đó, tần số gấp đôi sẽ luôn dẫn đến yêu cầu nhiều hơn gấp đôi, thậm chí gấp 3 hoặc 4 lần năng lượng, trong khi cung cấp hiệu suất thấp hơn hai lần (do các hạn chế tài nguyên khác như bộ đệm ). Vì vậy, 4 lõi có thể dễ dàng đánh bại một lõi đơn ở cùng tải, cung cấp hiệu năng tốt hơn và đồng thời đòi hỏi ít năng lượng hơn.

Đọc thêm:

• Tại sao lõi 8 và 10 CPU trong điện thoại thông minh là một ý tưởng hay - bài học từ nhà bếp
• Tại sao một số điện thoại có hai bộ xử lý lõi tứ và một số có lõi octa xung nhịp tương tự. Cái nào tốt hơn về mặt hiệu suất?

Lý do là đơn giản như nhiều phức tạp.

Câu trả lời ngắn gọn là "bởi vì thị trường điện thoại di động chưa bao giờ và không được điều khiển bởi Intel".

Câu trả lời dài là quá lâu để tiếp tục ở đây, nhưng khái niệm cơ bản là Intel đã thống trị thị trường PC trong nhiều năm bằng mọi cách có thể, đến mức phải trả tiền và làm hỏng (và bị phạt vì điều này) để CPU của anh ta trở thành sự lựa chọn đầu tiên và duy nhất cho các nhà sản xuất PC.

Việc kiểm soát toàn bộ thị trường đã cho phép Intel tăng giá CPU trong khi quyết định một cách giả tạo những tính năng và công suất xử lý mà người dùng nên có, và nếu bạn phân tích một chút lịch sử Intel, bạn sẽ nhận thấy rằng sức mạnh chính của nó về cơ bản là sự gia tăng tần số CPU, do đó, nó hầu như không bao giờ cố gắng làm điều gì đó thực sự thông minh hoặc sáng tạo; và nó không cần nó, bởi vì nó chỉ có thể nói với mọi người "bạn không cần nhiều lõi hơn, nhưng tôi có CPU mới ngon ngọt này chạy nhanh hơn 100 MHz". Đồng thời, nó có thể bán CPU đa lõi trên thị trường máy chủ với giá cao vô lý _{(vì máy chủ luôn cần thiếthàng tấn công suất song song, đến mức có một xu hướng hiện tại là cố gắng nhận ra các máy chủ sử dụng ... đoán xem? Hàng trăm CPU điện thoại giá rẻ của bạn hoạt động song song)}

Đến lượt nó, điều này đã phản ánh vào cộng đồng các nhà phát triển chưa bao giờ bắt kịp tầm quan trọng của lập trình song song, do đó, nhiều người nếu không phải hầu hết trong số họ không bao giờ bận tâm sử dụng nhiều hơn một luồng - để thể hiện nó trong một luồng không cách kỹ thuật, có phần mềm của họ làm nhiều hơn một nhiệm vụ tại một thời điểm. Nhân tiện, điều này có ý nghĩa khi 99% cơ sở khách hàng của bạn có tối đa hai lõi. Đáng buồn thay, điều này đã dẫn đến truyền thuyết rằng các thuật toán song song thực sự khó thực hiện và chỉ áp dụng cho một tập hợp nhỏ các vấn đề.

Thay vào đó, cuối cùng, thị trường di động chưa bao giờ thấy Intel thành công; hoàn toàn ngược lại, thực tế, vì hầu hết thời gian Intel cố gắng làm điều gì đó khác với kiến ​​trúc X86 thông thường. Vì vậy, thiếu là ảnh hưởng và kiểm soát thị trường, các nhà sản xuất CPU khác đã đi theo hướng đã trở thành sự bình thường cho các lứa tuổi bên ngoài thị trường PC: điện toán song song.

Có hai yếu tố đang diễn ra, một yếu tố rất thực tế và lịch sử khác.

Lý do thực tế là việc sử dụng các kiến ​​trúc hỗn hợp trong điện thoại. Tiêu thụ điện năng là rất quan trọng đối với điện thoại và điện thoại dành nhiều thời gian ở các chế độ mà chúng đòi hỏi rất ít hiệu năng. Thật hợp lý khi có một số lõi được tối ưu hóa để tiêu thụ năng lượng tối thiểu khi cần ít hiệu suất trong khi có một số lõi được tối ưu hóa để cung cấp hiệu suất tối đa khi cần.

Lý do khác phần lớn là lịch sử. Cho đến năm 2005 hoặc lâu hơn, CPU máy tính để bàn đều là các lõi đơn. Cải thiện hiệu suất CPU của máy tính để bàn hầu như chỉ tạo ra một lõi có thể thực thi càng nhiều lệnh mỗi giây càng tốt. Ngay cả ngày nay, rất nhiều phần mềm máy tính để bàn không thể tận dụng tối đa nhiều lõi mà nhiều người thích CPU có 4 lõi hơn CPU 8 lõi với lõi chậm hơn 20%.

Để có được hiệu năng càng cao từ một lõi càng tốt đòi hỏi số lượng lớn bất động sản CPU. Đây là bất động sản có thể được sử dụng để cung cấp nhiều lõi hơn. Đây là lý do tại sao CPU Kaby Lake mới nhất của Intel đạt tối đa 4 lõi và mọi người mua chúng vì mỗi lõi nhanh hơn lõi của người tiền nhiệm. Đối với nhiều người, chúng là một bản nâng cấp ngay cả từ CPU có số lượng lõi cao hơn.

Theo thời gian, hy vọng sẽ thấy nhiều phần mềm máy tính để bàn được tối ưu hóa hoàn toàn để hỗ trợ nhiều lõi hơn. Khi điều đó xảy ra, sự đánh đổi kỹ thuật sẽ bắt đầu ưu tiên nhiều lõi hơn các lõi nhanh hơn trên máy tính để bàn. Mặc dù các lõi gần như chắc chắn vẫn sẽ nhanh hơn, nhưng bạn sẽ bắt đầu thấy mọi người thích CPU 8 lõi hơn CPU 4 lõi ngay cả khi mỗi lõi chậm hơn 20%. Các nhà thiết kế chip sẽ theo dõi thị trường.

Điều quan trọng đối với một chiếc điện thoại là có thể cung cấp năng lượng tính toán trong các đợt ngắn (chúng tôi cần một số ứng dụng nhất định phải nhanh) nhưng cũng để tránh quá nóng (tản nhiệt khó khăn hơn cho điện thoại so với máy tính xách tay hoặc PC). Để thực hiện điều này, các kiến ​​trúc sư thiết kế điện thoại sử dụng một lõi đơn khi khối lượng công việc nhẹ và cung cấp thêm lõi để tăng hiệu suất khi cần thiết. Nếu điện thoại sử dụng ít lõi lớn hơn, quá nóng sẽ trở thành vấn đề ngay cả khi khối lượng công việc khá nhẹ.

Nguồn: Một khóa học kiến ​​trúc máy tính cấp độ sau đại học.

Đầu tiên, máy ảo Java trong lịch sử có thể hưởng lợi từ đa lõi nhiều hơn phần mềm máy tính để bàn thông thường. Ngay cả khi bạn viết một ứng dụng một luồng trong Java, nó sẽ chạy nhanh hơn trên đa lõi vì hầu hết các mã trình thu gom rác sẽ chạy cùng với ứng dụng của bạn.

Thứ hai, rất nhiều thứ đang diễn ra trong nền trên điện thoại của bạn: cập nhật tự động, tải xuống quảng cáo, phần mềm chống vi-rút, quản lý mô-đun GSM, v.v. Trên máy tính xách tay, tất cả các tác vụ này sẽ hầu như không làm cho một lõi bận rộn, nhưng lõi ARM thì ít mạnh hơn nhiều, vì vậy bạn có thể muốn có ít nhất một vài trong số đó dành riêng cho các tác vụ nền nếu bạn muốn có một hệ thống đáp ứng.

Cuối cùng, có tiếp thị. Không có nhiều người dùng có khả năng đánh giá liệu họ sẽ được hưởng lợi từ 8 lõi, nhưng một điện thoại thông minh 8 lõi chắc chắn có giá đắt hơn 2 hoặc 4 lõi.

Các câu trả lời cho đến nay giải thích một số khía cạnh của vấn đề dẫn đến số lượng lõi CPU quá nhiều trên điện thoại Android. Đọc lại lần nữa; Điện thoại Android. IPhone đã quản lý để bị mắc kẹt chỉ một vài lõi trong nhiều năm và vẫn hoạt động mượt mà hơn bất kỳ flagship Android nào.

Các nhà thiết kế của Android đã tạo ra một canh bạc lớn khi quyết định chọn lập trình Java và do đó, JVM là thời gian chạy của các ứng dụng. Java, do các nguyên tắc thiết kế của nó giải quyết vấn đề cần phải biên dịch và xây dựng mã cho từng kiến ​​trúc CPU trước khi có thể chạy trên nó bằng cách hy sinh hiệu năng. Java giới thiệu một máy ảo nặng và cồng kềnh thường được gọi là JVM. JVM thực sự mô phỏng CPU ở mức phần mềm để tránh phải biên dịch mã riêng cho từng thiết bị. Hãy nghĩ về JVM như một CPU ảo có các thuộc tính giống nhau bất kể thiết bị nào chạy nó để mã chỉ cần được biên dịch một lần cho JVM và sau đó có thể chạy trên mọi thiết bị. Điều này cho phép các nhà sản xuất ném bất kỳ phần cứng nào họ muốn trước khi cần phải lo lắng về khả năng tương thích ứng dụng.

Bản thân JVM chỉ là một đặc tả và mọi người có thể tự do phát triển JVM của riêng mình miễn là nó tuân thủ thông số kỹ thuật này. JVM gốc của Android được gọi là Dalvik. Ngày nay Google đã thay thế điều đó bằng ART.

Bây giờ vấn đề với JVM là gì? Nó là một phần mềm nặng, tiêu tốn rất nhiều tài nguyên máy tính. Thêm vào đó một số thuộc tính khác của ngôn ngữ Java như Bộ sưu tập rác và mức tiêu thụ tài nguyên của JVM đơn giản là trở nên quá nhiều cho một thiết bị có sức mạnh phần cứng khiêm tốn. Mỗi ứng dụng và dịch vụ hệ thống mở trên thiết bị của bạn là một phiên bản của ART JVM và đến bây giờ bạn có thể kết luận rằng việc quản lý tất cả chúng đòi hỏi một số phần cứng thực sự có khả năng. Điều sẽ còn tồi tệ hơn khi có nhu cầu vẽ giao diện người dùng.

Mỗi ứng dụng chạy trên một số Chủ đề. Mỗi lõi CPU chỉ có thể chạy một luồng mỗi lần. Mỗi ứng dụng có một luồng chính mà trên đó nó thực hiện các công việc liên quan đến giao diện người dùng. Có thể có nhiều luồng hơn cho mỗi ứng dụng để thực hiện truy cập tệp, mạng, v.v. Nhìn chung có nhiều ứng dụng (và dịch vụ hệ thống) mở hơn so với lõi CPU và kết quả là thường có nhiều luồng hơn so với lõi CPU. Vì vậy, mỗi lõi phải chuyển đổi giữa việc xử lý các luồng khác nhau liên tục, thực hiện từng bước một và tiếp theo. Việc chuyển đổi này mất rất nhiều thời gian cho CPU và trong trường hợp các ứng dụng chủ yếu là JVM, thì nhiệm vụ này càng trở nên mệt mỏi hơn.

Dựa trên lời giải thích này, người ta có thể suy luận rằng Android cần phần cứng mạnh mẽ để chạy trơn tru. Các thế hệ đầu tiên của thiết bị Android đã nổi tiếng vì bị lag, hỏng và nhiều điều không may khác. Nhưng trong những năm qua, những vấn đề này hầu hết đã được giải quyết bằng cách dựa vào phần cứng mạnh mẽ.

Mặt khác, ứng dụng iOS được biên dịch thành mã máy gốc và do đó không cần ảo hóa. Ngôn ngữ được sử dụng và hệ điều hành cũng hiệu quả hơn và do đó cho phép các thiết bị này hoạt động trơn tru mà không cần một số chipset quá mức.

Tiếp tục tất cả những điều trên, tôi có thể nói rằng các trường hợp sử dụng PC và điện thoại khá khác nhau. PC hầu hết được sử dụng trong một hoặc một vài ứng dụng (tất nhiên trình duyệt có nhiều tab yêu cầu nhiều lõi cpu, có thể bị lag ngay cả trên i-3 hàng đầu), điện thoại được sử dụng cho đa nhiệm. Ít nhất là kết nối mạng, vẽ UI, kích hoạt hệ thống, thông báo. Nếu bạn mở trình quản lý tác vụ trên PC thì cũng có nhiều quy trình, nhưng chúng sử dụng ít hơn vài% năng lượng cpu ngay cả trên bộ đôi Core 2 cũ. 4 lõi là khá rẻ (MTK 65x2 có giá 1 đô la khi bắt đầu cho OEM) Nó cũng RỦI RO so với CISC khi thiếu hiệu năng trên mỗi lõi lần cuối. Năng lượng hiệu quả! = Mạnh mẽ, như chúng ta có thể thấy ở đây . Đa lõi là hoàn hảo cho thiết bị di động, vì không có tải trọng đơn nặng và trải nghiệm đa tác vụ (nhưng chúng ta có thể thấy rằng iPhone cần ít lõi và RAM hơn nhờ phần mềm tốtnhư trong video này hoặc những người khác )

Tôi nghĩ rằng một trong những yếu tố thúc đẩy chính vượt quá 4 hoặc 8 (đối với cấu hình lớn: nhỏ) chỉ là tiếp thị vào lúc này.

Một vấn đề lớn của số lượng lõi cao là khi bạn xem xét kích thước của bộ nhớ. Thông thường trong các ứng dụng máy tính để bàn khi bạn muốn cải thiện việc sử dụng nhiều lõi, bạn cần sao chép cấu trúc và sử dụng nhiều bộ nhớ hơn trong một ứng dụng luồng đơn.

Điều này không xảy ra vì RAM rất đắt (đặc biệt là trong tình huống khủng hoảng RAM 2017/2018). Tiếp thị muốn số lượng cao nhưng kiểm soát muốn cắt giảm giá thành phần. Nếu bạn thấy số dư ít hơn 1 Gigabyte RAM cho mỗi lõi thì bạn sẽ thấy sự thỏa hiệp thất bại.