MIPS Technologies

Schnellere Taktfrequenz oder mehr Parallelisierung?

Basisband-Prozessoren für Mobilgeräte laufen in der Regel mit einer möglichst niedrigen Taktrate, um den Leistungsverbrauch zu minimieren. Wir sprechen hier von Taktraten im Bereich von 250 bis 500 MHz. Allerdings führen die neuesten Luftschnittstellen-Standards zu drastisch höheren Datendurchsätzen, was den Basisband-Prozessoren eine höhere Leistung abverlangt – bei gleichzeitig verringerter Latenz.

Man braucht kein großer Wissenschaftler zu sein, um herauszufinden, warum das so ist. LTE (Long Term Evolution) ist der neueste Luftschnittstellen-Standard und wird bereits von Mobilfunkbetreibern wie Verizon, NTT DoCoMo und Telia Sonera angeboten. LTE sorgt in seiner Maximalkonfiguration für eine 50-fache Erhöhung der Datenmenge – verglichen zu den Vorgängergenerationen 3G und W-CDMA. Natürlich wissen wir, dass theoretische, maximale Datenraten nie erreicht werden; trotzdem ist dieser Punkt bemerkenswert. Aufgrund der Echtzeit-Natur der Basisband-Daten muss diese Datenmenge auch weiterhin in Echtzeit verarbeitet werden. Die einzige Möglichkeit für ein Basisband-System, diesen erhöhten Durchsatz zu kompensieren, besteht darin, die Latenz deutlich zu verringern. Die Übertragungsintervallzeit (TTI – Time Transmission Interval) beträgt bei LTE deshalb nur 1 ms – verglichen zu 10 ms für W-CDMA. Dieser Wert drückt die Dauer zur Übertragung eines Datenblocks aus. Die Notwendigkeit, diese enorme Datenmenge zu verarbeiten und zu übertragen, verlangt von den Basisband-Prozessoren eine erhebliche Leistungssteigerung. Dies trifft auch auf den nächsten WiFi-Standard 802.11ac zu, der Datenraten von 1 Gbit/s verspricht.

Höhere Taktfrequenz oder Multicore?

Typischerweise steigt die Leistungsfähigkeit der Anwender- und Steuerungsebene, wenn die Taktfrequenz des Prozessors erhöht wird. Dies ist natürlich kontraproduktiv was den Stromverbrauch angeht. Eine höhere Taktfrequenz ist daher zuerst einmal nicht erwünscht. Eine Alternative wäre, mehrere Prozessorkerne zu verwenden, was die Verarbeitungslast verteilt und eine höhere Leistungsfähigkeit ohne große Anhebung der Taktfrequenz ermöglicht. Durch die höhere Transistorzahl nimmt damit zwar die statische Leistungsaufnahme zu – dies hat aber weniger Einfluss als eine höhere dynamische Leistungsaufnahme, wie sie bei der Verdoppelung der Taktfrequenz auftritt. Multicore hat leider aber den Nachteil, dass bei einer möglichen Lizenzierung die Kosten für den zweiten Kern ebenfalls anfallen. Auch die höheren Fertigungskosten durch das größere Halbleiter-Die sind mit zu beachten.

Multithreading?

Zum Glück gibt es noch andere Möglichkeiten, wie der Einsatz von Hardware-Multithreading, was den Prozessorkern wie zwei Kerne aussehen lässt. Jeder Kern betreibt dann ein unabhängiges Betriebssystem (OS) oder Echtzeit-Betriebssystem (RTOS). Dabei wird die Verarbeitungslast auf das verteilt, was dem RTOS als zwei Kerne erscheint. Im MIPS32 34K-Core werden diese Elemente VPEs (Virtual Processing Elements) genannt. Bei einem Multithreaded-Core fällt die Zunahme der Die-Größe relativ gering aus und es fallen keine Lizenzgebühren für einen zweiten Core an. Auch die Latenz lässt sich erheblich verringern, da Threads geparkt und mit einem Kontext-Switch ohne Overhead wieder aufgerufen werden können. Damit sind die zwei wesentlichen technischen Anforderungen erfüllt.

Einer unserer Basisband-Kunden simulierte sein Multimode-Modem und fand heraus, dass sich mit MIPS’ Multithreading Prozessor Stillstände um über 20 Prozent verringerten! Alles zusammen führt zu einer besseren Nutzererfahrung im Mobilbereich, da die Reaktionsfähigkeit wesentlich erhöht wird.

Multi... heißt aber auch höhere Software-Komplexität

Um die Frage »Höhere Taktfrequenz oder höhere Parallelisierung – beantworten zu können, müssen die Anforderungen der Anwendung, insbesondere von der Grenze der Leistungsaufnahme, genau untersucht werden. Für Basisband-Prozessoren in mobilen Geräten bietet Multithreading eindeutig eine Lösung, mit der sich die Leistungsfähigkeit in einer wesentlich stromverbrauchsfreundlicheren Art erhöhen lässt als beim Verdoppeln der Taktfrequenz oder beim Wechsel zu Multicore.

Weiterführende Links:

• Mikroprozessoren: Neue Prozessor-Core-Familie von Mips
• Frontalangriff auf ARM und Intel: MIPS stellt superskalares Multiprocessing-System vor
• Globalpress Electronics Summit 2011: MIPS: »64-Bit die Zweite«