تکنولوژی big.LITTLE چیست و چگونه کار می‌کند؟

CPU های ARM سال‌ها است که روی معماری چند هسته‌ای خاصی به نام تکنولوژی big.LITTLE کار می‌کنند. اما این تکنولوژی چیست و چرا آنقدر اهمیت دارد؟ در ادامه با روکیدا همراه باشید تا به شرح این موضوع بپردازیم.

در حال حاضر، ARM پرکاربردترین سیستم و معماری CPU در جهان است. شاید این سیستم در کامپیوتر شما نقش پررنگی نداشته باشد، اما گوشی هوشمند یا تبلت شما نمی‌تواند بدون پردازنده مرکزی کار کند.

علاوه بر این، شرکت اپل نیز از معماری ARM در طراحی پردازنده مرکزی آیفون‌ها و آیپدهای خود استفاده می‌کند. پردازنده‌های ARM می‌توانند عملکردی شگفت‌انگیز در عین حال کم مصرف و به‌صرفه داشته باشند.

در حقیقت این پردازنده‌ها باعث مصرف کم گوشی می‌شوند. میزان این مصرف انرژی به‌قدری کم است که دیگر نیازی به فن‌های خنک کننده در گوشی‌های هوشمند نیست.

بیشتر این کارایی به دلیل تنظیمات اصلی big.LITTLE است که شرکت‌هایی مانند اپل، کوالکام، مدیاتک و دیگر سازندگان پردازنده از آن استفاده می‌کنند.

اما تکنولوژی Big.LITTLE دقیقا چیست و چرا اهمیت فراوانی دارد

نحوه کار اکثریت پردازنده‌های مدرن بدین صورت است که چندین هسته دارند و سیستم وظایف را میان آن‌ها تقسیم می‌کند. به‌طور معمول این CPUهای چند هسته‌ای دارای هسته‌های یکسانی هستند که توانایی انجام دستورالعمل‌هایی مشابه با سرعت یکسان دارند.

همه وظایف صرف نظر از میزان سختی یا اهمیت آن‌ها به‌خوبی انجام شده و بین این هسته‌ها توزیع می‌شوند. اما در مورد پردازنده‌های ARM دارای معماری Big.LITTLE این چنین نیست.

طراحی پردازنده‌های ARM، با تنظیمات معمولی و استاندارد خود تفاوت زیادی با طراحی پردازنده‌های مبتنی بر معماری Big.LITTLE دارد. در پردازنده‌های مبتنی بر big.LITTLE دو بخش اصلی هسته با طراحی و وظایف متفاوت دارند.

در این نوع پردازنده‌ها، ما اغلب شاهد هسته‌هایی با کارایی بسیار بالا که برای انجام وظایف سخت و سنگین طراحی شده‌اند و هسته‌های کم مصرف برای انجام وظایف معمولی‌تر هستیم.

هسته‌های با کارایی بالا، معمولا بسیار قوی‌تر هستند و انرژی بیشتری مصرف می‎کنند. آن‌ها همچنین می‌توانند در مدت کوتاهی به سرعت بسیار بالا دست پیدا کنند. در حالی که هسته‌های کم مصرف، ضعیف‌تر هستند و با سرعت کم‌تر و مصرف بهینه به انجام وظایف معمولی خود می‌پردازند.

این وظایف معمولی در گوشی‌های هوشمند شامل پیام کوتاه، ایمیل، برقراری تماس و دیگر موارد مشابه می‌شود و کارهایی هستند که تمام گوشی‌ها باید بتوانند به‌سادگی انجام دهند.

وظایف عادی باید توسط هسته‌های کم مصرف انجام شوند و هسته‌های بزرگ‌تر با کارایی بالا برای کارهای دیگر مانند بازی‌ کردن یا جستجو در صفحات وب استفاده می‌شوند.

در این سیستم از روش Global Task Scheduling یا چند پردازش ناهمگن (HMP) برای توزیع حجم وظایف بین هسته‌های مختلف CPU استفاده می‌شود.

این ویژگی باعث می‌شود 95 درصد وظایف گوشی هوشمند توسط هسته کوچک‌تر انجام شوند که باعث کاهش مصرف باتری می‌شود. آن‌ها همچنین به دلیل سبک بودن وظایف خود عملکرد سریع‌تری دارند.

تاریخچه این ایده انقلابی

قبل از وجود چیزی به نام تکنولوژی Big.LITTLE همه پردازنده‌های چندهسته‌ای ARM درست مانند CPUهای x86، آرایش یکسان و بخش‌های مشابهی داشتند.

تکنولوژی Big.LITTLE برای اولین بار در اکتبر 2011 به همراه دو طرح جدید کورتکس A7 و کورتکس A15 معرفی شد. در این سیستم پیشنهادی، هر دو هسته اصلی می‌توانستند جفت شوند. به‌طوری که Cortex-A15 به عنوان هسته بزرگ و Cortex-A7 به عنوان هسته کوچک عمل کند.

پس از آن، تمام طرح‌های آینده ARM با معماری Big.LITTLE ساخته شدند. یکی از اولین پردازنده‌هایی که با این طراحی راه‌اندازی شد، Exynos 5 Octa 5410 سامسونگ بود که سال 2014 در گوشی گلکسی اس 4 سامسونگ استفاده شد.

گلکسی اس 4 دارای چهار هسته Cortex-A7 با سرعت 1.2 گیگاهرتز و چهار هسته Cortex-A15 با سرعت 1.6 گیگاهرتز و در مجموع 8 هسته بود.

تکنولوژی Big.LITTLE با وجود تمام خوبی‌هایش، معایب و خطاهایی در زمانبندی خود داشت. در ابتدا از روش Clustered Switching استفاده می‌شد. در این روش تنها یکی از پردازنده‌ها فعال است و نمی‌توانیم از 8 هسته گوشی موبایل به‌صورت همزمان استفاده کنیم.

در صورتی که حجم وظایف و فعالیت‌ها کم باشد، تمام کارها به بخش LITTLE و اگر وظایف مقداری سنگین‌تر شوند به بخش Big انتقال پیدا می‎کنند. درست است که این روش، چندان هم بد به نظر نمی‌آید اما تجربیات گذشته نشان می‌دهند روشی بسیار ناکارآمد بود.

پس از آن روشی به نام سوئیچر داخل کرنل (in-kernel switcher) ایجاد شد. در این روش 4 هسته مجازی ساخته می‌شود و داخل هر یک، یک پردازنده Big و یک پردازنده LITTLE وجود دارند.

عملکرد با توجه به میزان سنگین یا سبک بودن وظایف یک پردازنده مجازی، بین استفاده از هسته کوچک و هسته بزرگ در جریان است.

سپس روشی به نام Global Task Scheduling به وجود آمد. در این روش همه 8 هسته فیزیکی می‌توانند به‌صورت همزمان در دسترس باشند.

در این روش سیستم زمانبندی می‌داند کدام هسته‌ها بزرگ و کدام یک کوچک هستند و با توجه به این موضوع، به تقسیم وظایف می‌پردازد. وظایف سنگین به بخش Big و وظایف سبک‎تر به بخش LITTLE محول می‌شوند.

تکنولوژی Big.LITTLE چه تغییراتی در CPU ایجاد کرد

پردازنده‌های ARM از قبل شهرت خوبی در موضوع ارائه تعادل مناسب میان عملکرد و مصرف بهینه باتری داشتند. هرچند مصرف کم انرژی برای این پردازنده ها ضروری است.

از طرفی، این پردازنده‌ها در گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شوند. آن‌ها بدنه بسیار باریک بدون هیچ نوع دستگاه خنک کننده دارند. به همین دلیل حداکثر دمای پردازنده‌ها، میزانی اندک است و آن‌ها باید به واسطه مصرف کم‌تر انرژی دمای خود را همواره پایین نگه دارند.

فناوری Big.LITTLE به دلیل ایجاد تعادل در قدرت و عملکرد و همچنین بهبود آن‌ها، تغییر بسیار بزرگی ایجاد کرد. امروزه بیشتر پردازنده‌های ARM براساس این فناوری طراحی شده‌اند. حتی در دستگاه‌های شرکت اپل از این سیستم استفاده می‌شود.

اینتل در حال حاضر تصمیم دارد این معماری را در سیستم پردازنده‌های X86 خود نیز پیاده کند. پردازنده‌های Alder Lake مفهوم محاسبات ناهمگن را وارد دنیای رایانه خواهند کرد. مزایای تکنولوژی Big.LITTLE بسیار زیاد هستند و نمی‌توان از آن‌ها چشم‌پوشی کرد.

DynamIQ چیست؟

DynamIQ یک معماری نوین است که در ماه می 2017 توسط ARM و به عنوان جایگزینی برای سیستم Big.LITTLE معرفی شده است. DynamIQ یک قدم جلوتر از Big.LITTLE عمل می‌کند و انعطاف پذیری بیشتر و مقیاس‌بندی بهتری دارد.

در حالی که Big.LITTLE فقط به دو بخش کوچک و بزرگ تقسیم می‌شد، DynamIQ تعداد هسته‌های هر بخش را تا 8 عدد افزایش می‌دهد. این موضوع باعث می‌شود چندین هسته در یک بخش قرار داشته باشند و 32 بخش در هر CPU جای بگیرد.

DynamIQ همچنین تنظیم دقیق‌تر ولتاژ در هسته و حافظه پنهان L2 را سریع‌تر ارائه می‌دهد. می‌توان گفت شباهت بسیار زیادی به Big.LITTLE دارد، با این تفاوت که انعطاف‌پذیری بیشتری در تعداد بخش‌ها و هسته‌ها دارد.

اسپندراگون 888 که تراشه پرچمدار کوالکام در سال 2021 بود، از فناوری DynamIQ استفاده می‌کند. در اسپندراگون 888، یک هسته اصلی وجود دارد.

هسته کورتکس ایکس وان با فرکانس 2.84 گیگاهرتز و یک بخش دیگر با عملکرد بالا اما اولویت کمتر، سه هسته کورتکس A78 با سرعت 2.42 گیگاهرتز و در نهایت، چهار هسته کارآمد کورتکس A55 با سرعت 1.8 گیگاهرتز در این تراشه وجود دارند.

اسپندراگون 888 یک سیستم هشت هسته‌ای است اما از سه بخش اصلی برای فعالیت‌های مختلف استفاده می‌کند.

تحول عظیم صنعت ساخت پردازنده

به جرات می‌توان گفت معرفی تکنولوژی Big.LITTLE و مفهوم محاسبات ناهمگن باعث تغییرات عظیم در ساخت پردازنده‌ها شده است.

به لطف این فناوری و جانشین آن، DynamIQ، امروزه پردازنده‌های ARM بزرگ‌ترین و بهترین پردازنده‌های کم مصرف و قوی در جهان هستند و ما از آینده پردازنده‌های ARM بسیار هیجان‌زده هستیم.

منبع: makeuseof.com