「超大核」加持,ARM新一代移動架構超越蘋果A系列

機器之心報導

參與：澤南、杜偉、小舟

Arm 剛剛發布的新架構 A78 與 X1，多核性能超過了蘋果 A13。高通驍龍 875 和三星獵戶座 1000 估計明年初會用上，麒麟 1020 還不確定。

2019 年對於 Arm 來說是振奮人心的一年，在移動端這家公司仍像往常一樣如日中天，而在雲服務領域，越來越多公司（如亞馬遜、華為等）推出了基於 Arm 架構的伺服器晶片，而英偉達也已宣布旗下 GPU 可以配合 ARM 處理器進行深度學習加速。

但正如我們所知，Arm 晶片仍有其不足之處：過去幾年中，Arm 的移動端 Cortex 內核一直活在蘋果高度定製版 CPU 微體系結構的陰影之下，蘋果的「黑科技」總是有辦法能展現超出人們預期的能力——即使前年的 A12 單核性能也比驍龍 865 高出 15%（當然，多核性能是後者更好了）。這些差距儘管有技術上的原因，當然也有 Arm 在商業上的考量。

不過這一切在下一代 Arm 晶片上看起來要有變化了，在昨天 Arm 2020 TechDay 活動上，人們期待已久的 Cortex-A78 確實終於面世了，而且這次 Arm 還放了一個大招：推出了 Cortex-X1 CPU 作為該公司的新旗艦架構。

此舉不僅令人驚訝，也標誌著 Arm 向多種設備妥協的理念正在產生變化。

全新 Cortex-A78：功耗效率翻倍

首先我們還要從 Cortex-A78 來看起。兩年前 Arm 提出的未來路線圖就透露了代號為 Hercules 的架構，它就是 A78 的前身，其代表了最新 Austin 系列 CPU 微體系結構的第三次迭代，這一系列自 A76 開始。

全新 Cortex-A78 很大程度上還是按照 Arm 傳統的設計理念來打造的，它嚴格遵循著性能、功率和面積之間的平衡（PPA）來設計。在保持功耗不爆炸的前提上，A78 有了 20% 的性能提升——這是結合微體系結構改進和全新的 5 納米製程工藝帶來的改進。

Cortex-A78：遵循平衡設計

新一代 Cortex-A78 在 Arm 的路線圖上已經存在了幾年，一直被認為會是 Austin 系列中最小的一代微體系結構升級。作為 Arm 的 Austin 核心設計的第三次迭代，A78 遵循了 Arm 在 Cortex-A76 和 A77 上實現的 25-30％的 IPC 改進。

由於 X1 CPU 架構的出現，A78 這次可以更加專注於效率的提升，我們自然地看到 Arm 的目標在於合理地提升性能。它仍然是 Arm 8.2 CPU，與 Cortex-A55 CPU 分享 ISA 兼容性。在 Arm 給出的設計模板上，我們可以看到每個 DSU（DynamIQ Shared Unit）可有 4 個核心，L3 緩存最多可擴展到 4MB。

在核心的很多地方我們都可以找到微架構改進的痕跡。在前端最大的變化是分支預測器，它現在能夠在每個周期處理最多兩個分支，去年的 Cortex-A77 本質上每個周期只能解決一個。在 L1I 緩存方面，現在我們可以看到 Arm 提供了 32KB 的實現選項，它可以使客戶進一步縮小內核面積，對性能的影響不大，但效率卻有不少提升。

在中核與執行流水線中，大部分工作都在於改善設計的面積和功率效率。我們看到了更多的指令融合案例，這不僅有助於提高內核性能，也還提高了電源效率，因為在相同的工作量下，它消耗的資源越來越少，能耗也變得更小。

總體而言，如果單獨發布 Cortex-A78，恐怕人們會感到有些失望，因為我們看到的是大量減少結構尺寸、犧牲少許性能提高效率的設計。考慮到 X1 的出現，這自然是有道理的。

性能與功耗的完美結合

精準定義期待的性能，新的 Cortex-A78 應達到的功率和 X1 內核的面積增益。

在 Cortex-A78 上，第一組對比數據代表 2021 年目標系統在臺積電 5 納米製程節點上 A78 將達到的提升。

就性能而言，當內核的 ISO 功率目標是 1W 時，Arm 表示 A78 的實現將有 20% 的性能提升。同時，通過 ISO 性能比較，與 N7 上的 2.3GHz 的 A77 相比，A78 可以將功耗和能耗減少一半。

查看和具有相似內核配置的 ISO 進程節點的比較，會發現 A78 的性能比 Cortex-A77 提升了大約 7%，同時功耗降低 4%，面積減小 4%。看起來製程對於性能的提升還是貢獻了大頭。

有趣的是，這是 Arm 首次公布微架構的性能/功率曲線。

對比 Cortex-A77 和 Cortex-A78，在較高的操作頻率下成本較高，並且為了達到更高的操作頻率，所需的電壓也隨功率的平方增加（P = f * V^2）。A78 達到 A77 的性能峰值點，將降低 36% 的功耗。在中間性能水平上，功耗降低 30%。在相同的功耗水平上，A78 的性能提升了 7%。

全新 Cotex-X1：打破功耗約束

Arm 現有的業務模型一直在嘗試構建最廣泛用戶所需要的晶片，但這也產生了一個悖論：性能、功率和面積三者只能取其二。儘管可以肯定的是，蘋果的 CPU 內核在技術上是強大的，但 Arm 性能劣勢的一個重要因素是其業務需求不支持構建一個「超大核」。

但隨著公司業務的擴展，看起來新一代微架構已經和 Cortex-A76 時代有了顯著的變化。

粗略地看 Cortex-X1，你會發現它要比 Arm 天梯圖上的任何其他核心都要高。X1 顯然是基於 A78 打造的，他們都來自於 Austin CPU 設計團隊，但 X1 最大的不同在於打破了以往對於功耗和面積的枷鎖，專注於獲得最高性能。

就最終性能表現來說，與前代 Cortex-A77 相比，Cortex-X1 的整數性能提升了 30%；與同步推出的 Cortex-A78 相比，整數性能提升了 22%；機器學習性能更是較 Cortex-A77/78 提升了 100%。

另一個值得注意的地方在於，Cortex-X1 的設計遵循 Arm 的新許可體系「Cortex-X Custom Program」，其允許客戶在新微體系結構的設計階段早期進行協作，並要求對晶片配置進行高度的自定義化。沒錯，高通就是這套許可之前版本的主要受益者。

Cortex-X1：體積更大、性能更好

這款具有全新架構的 Cortex-X1 完全脫離了 Arm 往常追求「性能平衡」的設計哲學，轉而追求純粹性能，即使犧牲掉一些能耗和空間效率也在所不惜。

與 Cortex-A78 相比，Cortex-X1 整體的提升情況是怎樣的呢？

需要注意的是，Cortex-A78 和 Cortex-X1 都基於 ARMv8.2 指令集，指令集是兼容的，但 Cortex-X1 是自定義 CPU 核心；

從解碼帶寬來看，Cortex-A78 是 4 路，Cortex-X1 增加到了 5 路，提升了 25%；

NEON 浮點從 2 條 128b 提升到了 4 條 128b，這意味著浮點運算性能實現了翻番；

從緩存方面來看，Cortex-X1 的 L1 緩存為 64K、L2 緩存為 1M、L3 緩存為 8M，這些都較 Cortex-A78 提升了一倍。

Cortex-X1 與 Cortex-78 的架構的整體對比詳情。

接下來一一分析 Cortex-X1 相對於前代 CPUs 和 Cortex-A78 都在哪些方面做了提升。

首先，Cortex-X1 具有一個更強大的核心，主要體現在以下幾個方面：

L0-BTB 容量從 64 提升到了 96，增加了 50%；

可用指令取出帶寬增加，具體來說，L1I 的取出帶寬從 4 條指令增加至 5 條，提升了 25%，同時解碼帶寬也相應增加；基於 Mop-cache 的取出和重命名帶寬提升了 33%，每周期指令從 6 條增加至 8 條；

2x Mop 高速緩存容量較 Cortex-A77 增加一倍。

其次，Cortex-X1 突破了帶寬和深度的極限，主要體現在以下幾個方面：

與 Cortex-A78 相比，Cortex-X1 的分配帶寬提升 33%，達到了每周期 8 指令；

無序窗口大小（out-of-order window size）提升了 40%，從 160 增加至 224 entry；

FP/ASIMD 執行帶寬提升一倍，具體來說，Cortex-X1 的總帶寬達到了 4×128b，相當於英特爾 Sunny Cove 或者 AMD Zen2 臺式機核心。

最後，Cortex-X1 集成大帶寬和高性能，具體體現在以下幾個方面：

L1I 和 L1D 的緩存配置為 64K，L2 最大緩存達到 1M；

提升存儲子系統（memory subsystem）性能，以支持更大的動態負載和存儲（in-flight loads and stores），將窗口大小提升了 33%；

L2-TLB 的大小較 Cortex-A78 增加一倍，較 Cortex-A77 增加 66%，覆蓋了 2000 entry，在 4K 頁面上提供最高 8M 的內存。

此外，與 Cortex-A77 相比，Cortex-X1 有 30% 的 IPC 提升，涵蓋了 SPEC2006 的整數和浮點運算套件。

Arm 在 Cortex-X1 的功率和面積效率方面相對模糊。如果供應商能夠執行良好的實現，並且即將推出的 5nm 製程不會有壞消息的話，那麼就會得到以下功耗預測：

最後，如果你想要具體性能對比的數字，雖然從 Arm 的設計到最終手機跑分還有一段距離，但過去的經驗表明這基本是八九不離十的：這一代廠商使用的 Cortex-X1 核心預計可以達到 Arm 宣稱的 3GHz 目標，Cortex-A78 估計跑不到這麼高。基於 A78 的核心，其功耗預計與使用 A77 的（如驍龍 865）核心相同，性能提升大約有 7%，加上少許的時鐘頻率提升，總體而言改進不甚明顯，但也符合預期。

X1 系統的性能提升將極具競爭力，甚至可以比驍龍 865 多出 37%，這會讓它單核水平接近 A13，多核能力超出。不過，它的競爭對手也將是蘋果還沒發布的 A14。

更有意思的是，X1 可以讓 Arm 在性能層面上接近英特爾和 AMD 目前的桌面系統。如果說之前人們對於手機晶片打 X86 嗤之以鼻，現在倒是可以認真考慮一下了。

功耗方面，保守地看 Cortex-X1 將使用 A78 的 1.5 倍功率，但即使 X1 的功耗是 A77/A78 的兩倍，它在能效方面仍然可以與蘋果競爭——核心性能提升很大程度上彌補了它功耗方面的不足。功耗的增加讓 X1 的能耗效率比 A78 低 23％，比目前的驍龍 865 低 11-14％。這樣的數字，看起來是可以接受的。

多年以來，我們一直希望 Arm 能夠獲得不妥協的性能，而 Cortex-X1 似乎正是這樣，實在令人興奮。

你想要幾個 X1 核心？

犧牲功耗提升性能，在手機上自然不是完美的選擇。Arm 確實也提醒人們，在移動端上我們幾乎不可能看到兩個以上 X1 大核的設計。而對於追求效率的客戶，只用 Cortex-A78 而不選擇 X1 也是有可能的。

看起來，帶有 Cortex-X1 的手機 SoC 將會是 X1、A78 和 A55 三種核心混用。在發布活動中，Arm 也展示了高通常用的 1+3+4 核心配置，下一代的驍龍 875 很可能也將如此設計。

與此同時，三星電子 SoC 設計團隊副總裁 Joonseok Kim 也對新設計表示歡迎，或許下一代旗艦 Exynos 晶片也將出現 X1 的身影。不過三星是否會採用兩塊 X1 大核，以及三星的 5 納米製程進度都是未知數。

而正受到貿易戰影響的華為海思，今年下半年的麒麟晶片採用最新 Cortex-X1 設計的可能性則更小。而且華為最近幾代也傾向於不使用最新的 Arm 架構。

總結：ARM 終於開始追求純粹的性能

剛剛發布的 Cortex-A78 和 Cortex-X1 給我們帶來的感覺非常不同。A78 顯然是最近一代架構中升級幅度最小的，與之相對的是，Cortex-X1 對 Arm 來說是一個巨大的改變，其 30% 的 IPC 提升大大超過了人們對於新架構每年 20-25% 左右提升的期待。這一步伐遠遠超過了競爭對手的能力範圍。

而且這一預測性能還在極度接近 X86 架構高端晶片的水平，著實令人興奮。明年各家的旗艦系列手機，讓我們充滿期待。

參考內容：

https://www.anandtech.com/show/15813/arm-cortex-a78-cortex-x1-cpu-ip-diverging