ARM Cortex-A 移動處理器發(fā)展概覽

　　簡介

　　ARM Cortex-A 移動應(yīng)用處理器產(chǎn)品線橫跨了幾代產(chǎn)品和三個主要產(chǎn)品類別。有些開發(fā)人員和 SoC 設(shè)計人員經(jīng)歷了一款或多款新型 ARM 處理器的推出過程，他們知道該產(chǎn)品線如何從單個高性能通用 CPU 設(shè)計演進成為三個不同產(chǎn)品線，分別面向高端、中端、入門級的移動設(shè)備 SoC 市場，這讓他們受益匪淺。

　　Cortex-A8

　　ARM 在 2005 年向市場推出 Cortex-A8 處理器，是第一款支持 armv7-a 架構(gòu)的處理器。ARMv7 包括 3 個關(guān)鍵要素：NEON 單指令多數(shù)據(jù) （SIMD） 單元、ARM trustZone 安全擴展、以及thumb2 指令集，通過 16 位和 32 位混合長度指令以減小代碼長度。Cortex-A8 是 ARM 實現(xiàn)的第一個基于新ISA的超標(biāo)量處理器：它實現(xiàn)了完全雙發(fā)射流水線，這意味著 cortex-a8 能夠同時發(fā)出在指令流中先后出現(xiàn)的任何兩個沒有數(shù)據(jù)依賴的指令。但是，它不能亂序來發(fā)射或撤銷指令 –該功能在之后的設(shè)計中才被實現(xiàn)。

　　當(dāng)我們推出 Cortex-A8 時，很多合作伙伴認(rèn)為這款處理器放在移動電話上是大材小用，他們很自然地質(zhì)疑道，“客戶會在手機上瀏覽互聯(lián)網(wǎng)？不太可能吧。”但是，我們和業(yè)界一些主要思想領(lǐng)袖合作，向客戶將會需要的產(chǎn)品邁進，尤其是因為當(dāng) Cortex-A8 在 2008 年投入批量生產(chǎn)時，高帶寬無線連接 （3G ） 已經(jīng)問世，大屏幕也用于移動設(shè)備。創(chuàng)新的移動行業(yè)充分利用了該產(chǎn)品：Cortex-A8 芯片的推出正好趕上了智能手機出貨量猛增的大好時機。

　　Cortex-A9

　　推出 Cortex-A8 之后不久，ARM 又推出了首款多核 ARMv7 CPU：cortex-a9。Cortex-A9 利用硬件模塊來管理 CPU 集群中一至四個核心之間的高速緩存一致性，加入了一個外部二級高速緩存。理論上，客戶可以設(shè)計不包括二級緩存的小型版本 Cortex-A9，這種設(shè)計允許剔除管理高速緩存一致性的邏輯模塊，以實現(xiàn)尺寸更小的單核設(shè)計。但實際上，大多數(shù)設(shè)計都采用雙核個或更多核心并附帶二級高速緩存。此外，在2011 年底和 2012 年初，當(dāng)移動 SoC 設(shè)計人員可以采用多個核心之后，提高性能的突破點從提高單核性能轉(zhuǎn)移到提高核的數(shù)量。旗艦級高端移動 CPU迅速從最初的雙核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)移至四核 Cortex-A9。

　　除了開啟了多核性能大門之外，與 Cortex-A8 相比，每個 Cortex-A9 處理器的單時鐘周期指令吞吐量提高了大約 25%。這個性能的提升是在保持相似功耗和芯片面積的前提下， 通過縮短流水線并亂序執(zhí)行以及在流水線早期階段集成neon SIMD 和浮點功能而實現(xiàn)的。

　　Cortex-A15

　　隨著智能手機市場開始加速發(fā)展，ARM 再次預(yù)見到了不斷發(fā)展的移動系統(tǒng)對芯片性能提出的更高要求。為此ARM開發(fā)了一款性能上大幅提升的處理器，用以專門針對新的高端移動市場。在已經(jīng)非常強大的 Cortex-A9 的基礎(chǔ)上，ARM 憑借 cortex-a15 又將性能提高了 50% 以上。此外，Cortex-A15 引入了一系列架構(gòu)擴展，從而實現(xiàn)了更大物理地址空間、硬件虛擬化支持和擴展一致性。在 32 位系統(tǒng)中內(nèi)存被劃分為 2GB 設(shè)備內(nèi)存和 2GB 普通內(nèi)存，當(dāng)設(shè)備的 RAM 超出2GB的時候，擁有更大的物理地址空間就變得異常重要。ARM和其他合作伙伴也一直在探索虛擬化技術(shù)在商務(wù)移動系統(tǒng)和自帶設(shè)備中的用戶操作系統(tǒng)以及類似應(yīng)用情景進行探索。。擴展一致性在 big.LITTLE 處理器技術(shù)中被應(yīng)用的淋漓盡致，它提供了一種降低平均功耗并在功耗受限的條件下優(yōu)化達到最大性能的方法。

　　Cortex-A15 集群集成了監(jiān)聽控制單元 （SCU） 以實現(xiàn)硬件一致性，每個集群包含一至四個 CPU 核心，并集成二級高速緩存控制器 – Cortex-A15 之后的所有 ARM Cortex-A 系列 CPU 都沿用了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在移動設(shè)備中不斷突破性能極限

　　比較 Cortex-A 系列高端處理器的性能，可以看到自從 Cortex-A8 1GH 處理器在 2008 年上市以來，性能有了大幅提升。

　　一致性擴展機制，實現(xiàn)為 AMBA ACE， 使下圖所示的big.little SoC成為可能。在 big.LITTLE 系統(tǒng)中，通常實現(xiàn)一個“大”CPU 集群，并對其進行調(diào)節(jié)以滿足高性能的要求，同時對“小”的 CPU 集群進行調(diào)節(jié)，滿足對高能效。在典型工作負(fù)載中，LITTLE 處理器可以處理絕大部分工作，而“big”CPU 集群的激活時間不足 10%，在很多情況下還達不到總 CPU 運行時間的 1%。通過 CoreLink CCI-400 高速緩存一致性互連組件，CPU 集群能夠監(jiān)聽其他集群的高速緩存，從而實現(xiàn)軟件線程從一個集群到另一集群的快速轉(zhuǎn)移。

　　Cortex-A12

　　隨著智能手機市場的爆炸式增長，SoC 供應(yīng)商和 OEM 將該市場劃分為旗艦高端級別、中端級別、低成本入門級別。隨著這些細分市場的出現(xiàn)，ARM 一直在定義專門針對上述三個級別市場的不同處理器。cortex-a12 是采用全新微架構(gòu)的一個全新處理器，專門面向快速發(fā)展的中端移動市場。下圖顯示了這些細分市場的規(guī)模，以及面向這些細分市場的 ARM Cortex-A 產(chǎn)品：

　　Cortex-A12 的設(shè)計面向中端移動 SoC，以滿足這一細分市場對于芯片面積和功耗的要求。它使用無序雙執(zhí)行流水線，其性能比當(dāng)前在許多中端移動 SoC 中使用的 Cortex-A9 高出 40%。Cortex-A12 在 2013 年中推向市場，有望在 2014 投入量產(chǎn)。它是一款 32 位處理器，具有與 Cortex-A15 相同的物理地址擴展和相關(guān)的架構(gòu)特性。

　　Cortex-A12 能夠在很多（但并非全部）用例中提供接近 Cortex-A15 的性能。Cortex-A12 還針對中端移動設(shè)計進行了優(yōu)化，取消了一些企業(yè)功能，使用略微簡單的流水線，因此在橫跨多個市場的高端設(shè)備上都可以找到Cortex-A15的身影，而 Cortex-A12 則專門面向中端移動設(shè)計。

　　Cortex-A57

　　cortex-a57 是 ARM 針對 2013 年、2014 年和 2015 年設(shè)計起點的 CPU 產(chǎn)品系列的旗艦級 CPU，它采用 armv8-a 架構(gòu)，提供 64 位功能，而且通過 Aarch32 執(zhí)行狀態(tài)，保持與 ARMv7 架構(gòu)的完全后向兼容性。在高于 4GB 的內(nèi)存廣泛使用之前，64 位并不是移動系統(tǒng)真正必需的，即便到那時也可以使用擴展物理尋址技術(shù)來解決，但盡早推出 64 位，可以實現(xiàn)更長、更順暢的軟件遷移，讓高性能應(yīng)用程序能夠充分利用更大虛擬地址范圍來運行內(nèi)容創(chuàng)建應(yīng)用程序，例如視頻編輯、照片編輯和增強現(xiàn)實。新架構(gòu)可以運行 64 位操作系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)上無縫混合運行 32 位和 64 位應(yīng)用程序。ARMv8 架構(gòu)可以實現(xiàn)狀態(tài)之間的輕松轉(zhuǎn)換。

　　除了 ARMv8 的架構(gòu)優(yōu)勢之外，Cortex-A57 還提高了單個時鐘周期性能，比高性能 的Cortex-A15 CPU 高出了 20% 至 40%。它還改進了二級高速緩存的的設(shè)計以及內(nèi)存系統(tǒng)的其他組件，極大的提高了能效。Cortex-A57 將為移動系統(tǒng)提供前所未有的高能效性能水平，而借助 big.LITTLE，SoC 能以很低的平均功耗做到這一點。

　　高效率產(chǎn)品線：Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A53

　　隨著智能手機市場的崛起，最先出現(xiàn)的市場是入門級市場。在新興市場，移動設(shè)備沒有獲得無線運營商的補貼，因此用戶必須支付全價來購買移動設(shè)備，并且按月支付合約的服務(wù)費用。新興市場的價格范圍在 150 美元以下，并將很快降至 75 美元以下 – 我們需要一種不同類型的 SoC 設(shè)計來滿足這些市場的需求。在 Cortex-A9 發(fā)布之后不久，ARM 試圖開發(fā)一款處理器來滿足這一市場需求：這款產(chǎn)品的尺寸和功耗與舊款 ARM926 等功能性手機處理器大致相同，但性能高于在第一代智能手機中使用的 arm11 系列。2009 年，我們發(fā)布了 Cortex-A5，該設(shè)計通過有序單執(zhí)行 8 級流水線實現(xiàn)了上述目標(biāo)。利用這種簡單流水線設(shè)計，我們可將功耗保持在非常低的水平。而簡化的功能集，造就了ARM 有史以來最高效的（每 mW 性能）應(yīng)用處理器。

　　在 cortex-a5 取得成功的基礎(chǔ)上ARM又設(shè)計了目前已在入門級智能手機中得到大量應(yīng)用cortex-a7 處理器，形成了一個充滿活力的智能手機處理器細分市場。隨著 Cortex-A5 取得成功，下一個目標(biāo)是開發(fā)能夠匹配 Cortex-A15 的架構(gòu)功能集的類似處理器，從而在 big.LITTLE 配對中將其與 Cortex-A15 結(jié)合使用。同時，該款處理器還應(yīng)該在 Cortex-A5 的基礎(chǔ)上提升性能，并具有與之相同的功效、和相似的功耗以及芯片大小。Cortex-A7 通過添加部分雙執(zhí)行，增加TLB 和內(nèi)存結(jié)構(gòu)，同時集成二級高速緩存，將單時鐘周期性能提高了 20%。

　　高能效 CPU 產(chǎn)品線的最新成員利用了相同的 8 級有序流水線，但通過多種方式顯著提升了性能，包括完全雙執(zhí)行流水線、更寬的內(nèi)部總線、增強浮點和 SIMD 吞吐容量、更大的TLB，以及其他對存儲器系統(tǒng)的改進。cortex-a53 包括可選 內(nèi)部RAM ECC 保護，還提供外部總線選項，使得該處理器在移動和企業(yè)應(yīng)用中都可以部署。

　　除了微架構(gòu)性能改進之外，Cortex-A53 還增加了對 ARMv8 架構(gòu)的支持，為獨立入門級移動芯片設(shè)計，和包含多個 Cortex-A53 集群的可擴展企業(yè)應(yīng)用引入 64 位功能，同時在高端移動系統(tǒng)中，將Cortex-A53和性能更強的Cortex-A57在big.LITTLE系統(tǒng)設(shè)計中配對使用。

　　下圖顯示了連續(xù)幾代高能效Cortex-A CPU 的性能對比。因為采用最新的設(shè)計 Cortex-A53 能夠提供比僅僅幾年前的旗艦級 CPU （Cortex-A9）出色的多性能。下圖顯示的性能比較測試是在相同頻率下進行的。在物理實現(xiàn)中，Cortex-A53、Cortex-A7 和 Cortex-A5 的 8 級流水線達到的頻率和采用更長流水線的“big” Cortex-A CPU能達到的頻率差距在15%之內(nèi)。實際量產(chǎn) SoC 頻率存在很大差異，取決于流程選項和后端設(shè)計，我們已經(jīng)看到 Cortex-A7 在采用 28nm制程下可以達到 1.2GHz、1.5GHz 甚至更高的頻率。

　　有關(guān) ARM 的高效率產(chǎn)品線的更多信息，請參閱 Kinjal Dave 的博客 – 高效率、中端或高性能 Cortex-A – 差異何在？

　　有關(guān) Cortex-A53 的更多信息，請參閱我早期的關(guān)于最新高效率 Cortex-A CPU 的博客 – 有關(guān) Cortex-A53 的 5 大必備知識

　　移動應(yīng)用處理器全面路線圖

　　本路線圖將上述所有處理器都集中在單個圖表中，展示了 ARM所提供的高性能級別、中端級別、入門級別的移動應(yīng)用程序處理器，以及所支持的高速緩存一致性互聯(lián)組件。

　　以上路線圖展示了ARM 三個級別的移動應(yīng)用處理器產(chǎn)品路線圖，我們未來產(chǎn)品的開發(fā)也將繼續(xù)遵循這一路線。我們專門針對高端、中端和高效率這三個細分市場的處理器設(shè)計，使我們能夠提供針對這三級智能手機和平板電腦市場的定制產(chǎn)品。

　　為適當(dāng)任務(wù)尋找適當(dāng)處理器不再是難以決斷的選擇

　　ARM 的 big.LITTLE 技術(shù)旨在為消費者提供最佳整體用戶體驗 – 包括按需動態(tài)性能、更高的能效、“不發(fā)熱”的耐用器件。市場上最早利用該技術(shù)的產(chǎn)品包括三星 GS4（國際版）和三星 Note 3（國際版）

　　下圖顯示了將在 2013 年和 2014 年推出的采用未來設(shè)計的高端移動 CPU 子系統(tǒng)，將在 2014 年和 2015 年的設(shè)備中使用。它采用 big.LITTLE 電源管理技術(shù)，利用 Cortex-A57 的強大性能，并且提供高速緩存一致性互聯(lián) （cci） 功能，能夠為GPU 計算提供的 IO 一致性的支持。

　　有關(guān) big.LITTLE 的更多詳細信息，請參見我近期在 ARM TechCon 2013上進行的有關(guān) big.LITTLE 平臺測量結(jié)果的演示（旨在展示性能改進和節(jié)能）：big.LITTLE 技術(shù)向完全異構(gòu)全局任務(wù)調(diào)度邁進 - Techcon 演示文稿

　　另外，您可能希望閱讀我早期論述該技術(shù)要點的博客 – 有關(guān) big.LITTLE 的十大必備知識

　　以上系統(tǒng)示意圖展示了最先進的移動 CPU 設(shè)計，它采用 Cortex-A57 和 Cortex-A53 處理器，并且結(jié)合最新的 mali_t760 GPU。請注意，它具有 2 個 big 核心。從我們已經(jīng)進行的性能測試來看，2 個 big 核心似乎已經(jīng)能滿足當(dāng)前工作負(fù)載。采用由Cortex-A15和Cortex-A7構(gòu)成的當(dāng)前最高端的移動 SoC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖和下圖也是非常類似。Cortex-A50 系列處理器代表了將在 2014 年間問世的移動 SoC 的未來拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢 … 但 ARM 不會就此止步。我們將繼續(xù)在低功耗 CPU、GPU 和系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域開發(fā)新的創(chuàng)新技術(shù)，以此推動智能手機、平板電腦和新興設(shè)備類型的創(chuàng)新，實現(xiàn)高效移動計算，提升全球數(shù)十億用戶的生活質(zhì)量。