功耗優化多過性能 ARM Cortex-A73解析

2020-12-20 中關村在線

1ARM新架構Cortex-A73解析

    雖然目前智慧型手機和平板之類的設備已經對極致性能沒有了太多的訴求，但VR又成了下一個著力點，近日ARM就在Computex 2016上公布了可以說是為VR設備的沉浸式體驗準備的Cortex-A73新架構，均對VR的性能和顯示需求做好了準備。


功耗優化多過性能 ARM Cortex-A73解析

    回顧一下前任A72，作為big.LITTLE架構裡的大核在今年的主流市場得到了廣泛應用，驍龍650裡有兩個，驍龍652裡有四個，麒麟950/955裡有四個，聯發科Helio X20/X25裡有兩個，當然考慮到各自的不同定位，工作頻率及製程工藝上的選擇都各有不同；從產品分布可以看出，今年的Cortex-A72並不如前任Cortex-A57那樣在高端市場吃香（驍龍810、Exynos 7420），三星用了半自主架構，而高通則徹底回到自主架構。



2A9~A73發展歷史回顧

    拋開那顆著名的壽命極長、高能效比的Cortex-A7不說，Cortex-A9是對於ARM來說極為重要的裡程碑，採用該架構的平臺——諸如蘋果A5、三星Exynos 4210/4412、德儀OMAP 4430/4460都證明了A9的成功。

    之後便是毀譽參半的Cortex-A15，性能相比之前突飛猛進的同時帶來了不小的功耗和發熱問題，比如Exynos 5250/5410都受其影響，再想想當年的核彈Tegra 4什麼的……

    而看到這一問題的ARM也在隨後推出了著名的big.LITTLE架構，隨之誕生了全球首款真八核Exynos 5422，以及麒麟920等平臺。

    隨著Cortex-A57的登場，ARM陣營正式邁入ARMv8 64位指令集時代，當然這也是蘋果A7的功勞，與Cortex-A53結合的大小核架構成為了隨後的主流，其中出現了4大4小、2大4小、不同頻率的兩組4小各種組合方式，並流傳至今；其中有人歡喜有人愁，三星靠Exynos 7420成功奪得眼球，而驍龍810則因為發熱問題成為了一代尷尬的旗艦。

    在這些主流微架構之外，還有2013年7月公布的Cortex-A12以及2014年2月公布的Cortex-A17，短命和不受待見沒讓其成為主流，只有MT6595這樣極少的平臺採用。


3A17家族而非A72升級

    而此次的A73並非是簡單的A72升級，這還要從ARM的家族劃分說起，A15、A57、A72屬於Austin家族（來源於ARM位於美國德州奧斯汀的設計中心），而A5、A7、A53則屬於Cambridge家族（名字來源於ARM總部英國劍橋），A12、A17以及剛剛公布的A73屬於Sophia家族（名字來源於歐洲最大科技園區索菲亞，也就是ARM法國CPU設計中心所在地）。

    雖然命名上Cortex-A73看似是A72的升級，但是從技術層面講，它其實是A17的進化版本，整體微架構、流水線、寬度設計都與之類似，反而和A72差別很大，並且，A73也沒有保留A72的三發射，而是採用了與之前的Sophia家族微架構相同的雙發射。而ARM此次的宣傳顯然也是側重能效而非性能，對於前兩代動輒5W甚至10W的峰值功耗來說，ARM期待Cortex-A73能夠長效的保持高性能，而不是因為短暫高頻運行後發熱降頻，換句話說，要持久…

    對比一下A73與A72的流水線圖，你就能發現設計思路上的顯著不同。Cortex-A72採用了15級以上的亂序流水線設計、128位預取指令、3發射解碼、每個時鐘周期分配最多5個微操作、滿足最多7個發射隊列進入8個執行流水線。


    而A73的設計頗似A17，流水線深度較A72有所減少，預取階段從A72的5級減少為4級，進入浮點流水線的微操作還經過一個額外的取指階段，整個流水線只有11~12級。


    由此可以看出A73的設計基於跟A17相同的邏輯，通過優化流水線、資源和接口來在可實現的最小功耗水平上獲取最高的性能。ARM也表示他們還特別進行了32位/64位狀態下的平衡優化。

    性能提升上，ARM表示A73在所有重要的移動應用上都具備超越A72的性能表現，不過給出的對比倒是不多，比如BBench網頁載入測試性能相比A72提升10%，FFMEG解碼多媒體性能提升5%，內存存取性能提升15%。


    而更被看重的性能方面，整數應用當中A73有25%的功耗降低，浮點和二級緩存應用當中有30%左右的降低，ARM也表示在相同的頻率下，A73整體相對於A72有著20%的功耗降低。 




    10nm製程讓A73的尺寸在相同性能下比A72小25%，因此雙核A73的尺寸基本跟四核A53相同，特別是在如今眾多採用4+4 A53設計的處理器性能表現並不搶眼的情況下，這一組合有望被2xA73+4xA53的設計替代，在核數減少單線程性能大幅提升的同時保持相同的晶片面積。

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