big.LITTLE: что это за технология, для чего нужна, характерные особенности

Бич современных мобильных устройств – низкая энергоэффективность. То есть это только со стороны так кажется, что она низкая, когда приходится раз в день заряжать смартфон.

А так-то стараниями разработчиков крупных корпораций ее довели до устрашающих величин.

И одним из приемов, служащих достижению данной цели, является использование в чипсетах архитектуры под названием big.LITTLE. Разберем в доступной форме, что это такое и как помогает экономить заряд аккумулятора вашего девайса.

Без многозадачности – никуда!

Все современные операционные системы, использующиеся в смартфонах и планшетах, являются многозадачными, т.е., способными одновременно использовать несколько вычислительных процессов.

Во времена одноядерных чипсетов многозадачность сводилась к своеобразной очереди, которая распределяла кванты, т.е, временные интервалы, требуемые на выполнение определенной работы, между несколькими параллельными процессами.


В многоядерных к этому добавилось еще и распределение ресурсов между ядрами.

Это вынудило разработчиков софта кардинально изменить подходы к его созданию, поскольку старые приложения не способны были в полной мере использовать потенциал новой архитектуры.

Быстрее, выше, сильнее!

Поначалу ни о чем таком создатели процессоров не задумывались. Развитие шло экстенсивным путем: уменьшим техпроцесс, повысим тактовую частоту – получим результат на выходе в виде увеличения производительности и снижения энергопотребления.

Однако на пути прогресса встали ограничения в виде законов физики. Увеличивать тактовую частоту до бесконечности было невозможно, а повышение требований к техпроцессу требовало все больших затрат.


Кстати, одной из причин возникновения многоядерности стали именно они: для достижения той же мощности на одноядерной системе начиная с определенного уровня сложности требуются неизмеримо большие затраты: закон Мура подошел к своему логическому финалу.

И если проблему повышения производительности еще можно было решить простым наращиванием числа ядер вначале до двух, затем – до четырех, а потом – до восьми, то с потреблением энергии все было куда как хуже.

«Большой-маленький»

Именно так переводится название технологии big.LITTLE, представленной на конференции ARM Techcon 2012.

Суть ее проста, как все гениальное. Вычислительные процессы, протекающие во время работы операционной системы, отнюдь не равноценны.

Смешно сравнивать, например, современную 3D игру и работу какого-нибудь мессенджера. Мало того – большую часть времени использования устройства задействуется только малая часть его системных ресурсов. А энергию «мотает» весь процессор.


Так что вполне логично для не требующих высокой вычислительной мощности задач выделить специальные ядра, менее производительные, но зато более экономные.

Именно так и сделала за год до анонса технологии ARM NVIDIA, тогда еще трепыхавшаяся кое-как на рынке чипсетов для мобильных устройств в безнадежной борьбе с Qualcomm. Представленное ею решение носило название vSMP.

Экзотический по нынешним временам пятиядерный чипсет Tegra 3 обладал четырьмя «нормальными» ядрами с тактовой частотой 1,6 ГГц и одним дополнительным, работавшем всего на 500 МГц.

На нем вышло даже несколько моделей смартфонов и планшетов, среди которых – такие известные, как LG Optimus 4X HD и HTC One X.


Однако решение было не слишком удачным, поэтому на чипмейкеров особого впечатления не произвело. А вот ARM довела идею до практического воплощения.

Процессор-концепт, представленный на ARM Techcon 2012, тоже был пятиядерным, но с иным соотношением мощных и экономных ядер: три первых и два – вторых. С течением времени эта схема трансформировалась в «4х4».

Первой идею поддержала Samsung, затем – LG, у которой тогда еще были собственные разработки мобильных чипсетов, затем - MediaTek, и, после большого перерыва – Qualcomm.

Развитие технологии

Первые поколения процессоров использовавших архитектуру big.LITTLE, не имели возможности одновременно задействовать оба кластера. При решении простых задач подключался энергоэффективный, а высокопроизводительный в это время простаивал.

Под высокой вычислительной нагрузкой – наоборот. Т.е., реально такие чипсеты восьмиядерными были только номинально.

Решение о том, какую вычислительную мощность выделить на тот или иной процесс, принимается на уровне операционной системы при помощи планировщика задач. Он же и выбирает, какому из кластеров «поручить» эти вычисления.

Однако со временем контролеры прерываний, отвечавшие за распределение данных между кластерами, стали более «умными», и появилась вариация технологии под названием big.LITTLE MP.

Она давала возможность задействовать оба кластера параллельно, что существенно повысило производительность системы.

А в 2017 году зашатался трон под Его Величеством Intel с его наследниками x86 семейства: концепция big.LITTLE в тандеме ARM-Microsoft пришла на ноутбуки. Совершенно логично: прожорливые интеловские «камни» резали львиную долю автономности.


В десктопах это было не критично, но только не в мобильных системах. На момент написания статьи уже вышли первые модели из линейки Lenovo IdeaPad на 7 нм платформе Snapdragon 8cx с таким же точно набором ядер (4хCortex-A76 плюс 4хCortex-A55), как в большинстве современных чипсетов для смартфонов среднего класса!

Впрочем, к этому времени собственные технологии использования разнокластерных ядер уже появились и у Intel, и у ее извечного соперника AMD.

Параллельно во флагманских SoC появилась уже не двух-, а трехступенчатое разделение: одно сверхвысокопроизводительное ядро, три высокопроизводительных, и четыре – энергоэффективных. Однако принципиально это – все та же big.LITTLE MP.

А есть ли у big.LITTLE недостатки?

Есть, конечно. Это повышенная сложность программирования для систем, построенных на основе данной архитектуры. Из-за этого могут возникать странные ошибки.

Например, известна проблема с различными размерами кэш-линий для каждого кластера в некоторых чипсетах Exynos, используемых в смартфонах Samsung.

По мере развития технологии выявленные минусы устраняются тем или иным способом, так что на данный момент никаких критических проблем не имеется.

В заключение

Технология big.LITTLE стала столь же ультимативной для чипсетов мобильных устройств, как и ядра ARM.

Даже еще более того: ведь Apple хоть и пользовалась поначалу разработками пока еще британцев при создании ядер CPU и GPU, но все-таки теперь их SoC целиком и полностью собственные.

А вот система из двух кластеров у них в точности такая, как у «андроидов».


Без ее использования производительность смартфонов давным-давно бы «застряла» на отметке этак десятилетней давности. Или же их габариты пришлось бы увеличивать, чтобы уместить дополнительную емкость аккумулятора.

Так что своими компактными и мощными девайсами мы уже дважды обязаны разработкам ARM. В первый раз – самой по себе RISC архитектуре, которая и дала название компании.