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La tecnologia Smart Speed di Freescale

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Freescale ha introdotto sulla famiglia di processori i.MX31 una tecnologia innovativa e potente, nota con il termine Smart Speed, in grado di combinare un’elevata capacità di calcolo con un utilizzo efficiente delle batterie, come richiesto dai recenti dispositivi per l’utilizzo mobile.

La tecnologia Smart Speed è basata su un’architettura in grado di realizzare un vero parallelismo nei processori destinati all’utilizzo in applicazioni mobile, permettendo così maggiori capacità di calcolo a parità di cicli di CPU. Nelle architetture relative ai processori di tipo convenzionale, i miglioramenti di prestazione sono generalmente ottenuti aumentando la frequenza di clock; il principale svantaggio di questa soluzione è che il consumo di potenza cresce, di conseguenza. La tecnologia Smart Speed, invece, introduce maggiore potenza di calcolo senza aumentare l’utilizzo delle batterie.

L’utilizzo dei computer portatili e dei dispositivi palmari è drammaticamente cresciuto negli ultimi anni, e, conseguentemente, si è presentato un nuovo problema: la durata delle batterie è diventata troppo corta. La soluzione a questo problema non è semplice. Da un lato, sono possibili dei miglioramenti relative alla capacità delle batterie, ma I benefici che ne derivano sono disponibili in tempi non brevi: è stato stimato che, approssimativamente, tali miglioramenti sono quantificabili in misura del cinque percento ogni due anni. Dall’altro lato, sono necessari dei consistenti sforzi per esplorare e rendere disponibili nuove tecnologie che aiutino i dispositivi di tipo mobile ad essere più efficienti nell’utilizzo delle batterie. Con la tecnologia Smart Speed, Freescale ha ridisegnato l’architettura dei processori, dal livello del transistor agli accessi in memory, alle modalità di basso consumo dell’alimentazione, fino ai blocchi del software. Il risultato è stato quello di ottenere processori in grado di fornire una maggiore durata di funzionamento, mantenendo il livello di prestazioni richiesto dai moderni dispositivi della tecnologia mobile.

Cicli effettivi per istruzione (eCPI)

Al fine di eseguire una misura più accurata delle prestazioni di un dispositivo mobile, viene adottato l’indice che misura il numero effettivo di cicli per istruzione (eCPI). Per esempio, i processori per applicazioni multimediali i.MX31 e i.MX31L (entrambi basati sulla tecnologia Smart Speed) con frequenza di clock pari a 532 MHz presentano un valore di eCPI equivalente ad un processore convenzionale funzionante a 3 GHz, ma con un migliore consumo di potenza. Più basso è il valore di eCPI, migliori sono le prestazioni del processore; inoltre, ciò comporta un aumento nella durata delle batterie. In un processore basato su un’architetura di tipo general-purpose, il valore di eCPI è solitamente compreso tra 1.4 e 1.7; in un processore con un’ architettura che include delle unità di esecuzione general-purpose (dette GEU, General-purpose Execution Units) per recuperare le istruzioni ed i dati dalla memoria (come avviene per esempio nei processori CISC, RISC, DSP), il valore di eCPI è all’incirca pari a 1. Per otenere un valore di eCPI inferiore a 1, è necessario ricorrere a delle architetture che usano unità di esecuzione specializzate (dette SEU, Specialized Execution Units). Le SEU richiedono un minor numero di trasferimenti dalla memoria, sono più efficienti e richiedono minor potenza delle GEU. Per esempio, un processore basato su un’architettura SEU con un valore di eCPI pari a 0.3, confrontato con un altro processore basato su un’architettura GEU con un valore di eCPI pari a 1.5, probabilmente richiederà un quinto della frequenza di clock per funzionare alla stessa velocità.

I principi alla base di Smart Speed

La tecnologia Smart Speed è basata sui seguenti tre principi basilari:

  1. le prestazioni del processore sono determinate dal valore di eCPI: occorre compiere degli sforzi per ridurre il valore di questo indice, definendo quali EU sono richieste per rendere il processore più efficiente. Prestazioni migliori sono possibili aumentando il numero di task che si possono eseguire a parità di tempo, non solo aumentando la frequenza di clock
  2. promuovere il parallelismo tra EU: anche un elevato numero di EU non è sufficiente, se queste rimangono in uno stato di attesa per la maggiorparte del loro tempo. Una singola task può essere spezzata in più step e, utilizzando il parallelismo, la loro esecuzione può essere programmata ed eseguita al fine di ridurre i periodi di attesa. Il parallelismo non è ottenuto utilizzando le comuni architetture di bus, ma piuttosto con delle strutture più efficienti a livello del bus, come ad esempio le strutture basate sui crossbar o le connessioni mesh. La tecnologia Smart Speed utilizza uno switch crossbar 6x5 che arriva quasi ad eliminare gli stati di attesa. Uno switch crossbar, infatti, crea un accesso punto a punto tra i bus master ed i bus slave: tutti i componenti connessi ad un lato (i master) possono comunicare con tutti i dispositivi connessi all’altro lato (gli slave), e le transazioni possono avvenire simultaneamente, consentendo così di raggiungere un elevato livello di parallelismo. Se, per esempio, la velocità del bus è impostata a 166 MHz, e possono essere eseguite fino a cinque transazioni simultaneamente, il crossbar può raggiungere una capacità equivalente pari a 830 MHz
  3. usare l’energia fornita dalle batterie come una preziosa fonte di energia: essa deve essere utilizzata in un modo efficiente ed intelligente

Le immagini seguenti di Freescale mostrano il “gap” di energia esistente tra quanto è reso disponibile dalle batterie e quanto è richiesto dal sistema, senza e con, rispettivamente, l’adozione della tecnologia Smart Speed.

La prima immagine riporta il gap esistente tra le batterie (in blu) e le funzionalità richieste, relativamente ad un’architettura di tipo tradizionale in cui le prestazioni sono migliorate aumentando la frequenza di clock ed usando le stesse batterie. L’immagine successiva, invece, mostra il gap relative ad un sistema basato su un’architettura con una gestione più efficiente delle risorse energetiche.
La seguente imagine mostra come le tecnologie di tipo mobile, sempre più veloci, stiano richiedendo un utilizzo sempre più intenso delle batterie: con questo tipo di tendenza, le architetture tradizionali potrebbero non essere in grado di soddisfare le funzionalità sempre più bisognose di potenza richieste dal mercato dei dispositivi mobile.

La tecnologia Smart Speed di Freescale - Conclusioni

Freescale ha aggiunto molte SEU alle famiglie di processori Mobile eXtreme Convergence (MXC) ed i.MX, con lo scopo di diminuire il valore di eCPI del sistema, per funzionalità quali pre- e post-processing video, video processing, grafica e funzionalità in banda base. Un’opportuna combinazione di GEU e SEU è in grado di portare parallelismo al sistema, accorciando il “gap” di energia richiesto dalla funzionalità dei dispositivi mobile.

Riferimenti

Freescale Semiconductor

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