泽南、杜伟、小舟报道

「超大核」加持,ARM新一代移动架构超越苹果A系列

Arm 刚刚发布的新架构 A78 与 X1,多核性能超过了苹果 A13。高通骁龙 875 和三星猎户座 1000 估计明年初会用上,麒麟 1020 还不确定。

2019 年对于 Arm 来说是振奋人心的一年,在移动端这家公司仍像往常一样如日中天,而在云服务领域,越来越多公司(如亚马逊、华为等)推出了基于 Arm 架构的服务器芯片,而英伟达也已宣布旗下 GPU 可以配合 ARM 处理器进行深度学习加速。

但正如我们所知,Arm 芯片仍有其不足之处:过去几年中,Arm 的移动端 Cortex 内核一直活在苹果高度定制版 CPU 微体系结构的阴影之下,苹果的「黑科技」总是有办法能展现超出人们预期的能力——即使前年的 A12 单核性能也比骁龙 865 高出 15%(当然,多核性能是后者更好了)。这些差距尽管有技术上的原因,当然也有 Arm 在商业上的考量。

不过这一切在下一代 Arm 芯片上看起来要有变化了,在昨天 Arm 2020 TechDay 活动上,人们期待已久的 Cortex-A78 确实终于面世了,而且这次 Arm 还放了一个大招:推出了 Cortex-X1 CPU 作为该公司的新旗舰架构。

此举不仅令人惊讶,也标志着 Arm 向多种设备妥协的理念正在产生变化。

全新 Cortex-A78:功耗效率翻倍

首先我们还要从 Cortex-A78 来看起。两年前 Arm 提出的未来路线图就透露了代号为 Hercules 的架构,它就是 A78 的前身,其代表了最新 Austin 系列 CPU 微体系结构的第三次迭代,这一系列自 A76 开始。

全新 Cortex-A78 很大程度上还是按照 Arm 传统的设计理念来打造的,它严格遵循着性能、功率和面积之间的平衡(PPA)来设计。在保持功耗不爆炸的前提上,A78 有了 20% 的性能提升——这是结合微体系结构改进和全新的 5 纳米制程工艺带来的改进。

Cortex-A78:遵循平衡设计

新一代 Cortex-A78 在 Arm 的路线图上已经存在了几年,一直被认为会是 Austin 系列中最小的一代微体系结构升级。作为 Arm 的 Austin 核心设计的第三次迭代,A78 遵循了 Arm 在 Cortex-A76 和 A77 上实现的 25-30%的 IPC 改进。

由于 X1 CPU 架构的出现,A78 这次可以更加专注于效率的提升,我们自然地看到 Arm 的目标在于合理地提升性能。它仍然是 Arm 8.2 CPU,与 Cortex-A55 CPU 分享 ISA 兼容性。在 Arm 给出的设计模板上,我们可以看到每个 DSU(DynamIQ Shared Unit)可有 4 个核心,L3 缓存最多可扩展到 4MB。

在核心的很多地方我们都可以找到微架构改进的痕迹。在前端最大的变化是分支预测器,它现在能够在每个周期处理最多两个分支,去年的 Cortex-A77 本质上每个周期只能解决一个。在 L1I 缓存方面,现在我们可以看到 Arm 提供了 32KB 的实现选项,它可以使客户进一步缩小内核面积,对性能的影响不大,但效率却有不少提升。

在中核与执行流水线中,大部分工作都在于改善设计的面积和功率效率。我们看到了更多的指令融合案例,这不仅有助于提高内核性能,也还提高了电源效率,因为在相同的工作量下,它消耗的资源越来越少,能耗也变得更小。

总体而言,如果单独发布 Cortex-A78,恐怕人们会感到有些失望,因为我们看到的是大量减少结构尺寸、牺牲少许性能提高效率的设计。考虑到 X1 的出现,这自然是有道理的。

性能与功耗的完美结合

精准定义期待的性能,新的 Cortex-A78 应达到的功率和 X1 内核的面积增益。

在 Cortex-A78 上,第一组对比数据代表 2021 年目标系统在台积电 5 纳米制程节点上 A78 将达到的提升。

就性能而言,当内核的 ISO 功率目标是 1W 时,Arm 表示 A78 的实现将有 20% 的性能提升。同时,通过 ISO 性能比较,与 N7 上的 2.3GHz 的 A77 相比,A78 可以将功耗和能耗减少一半。

查看和具有相似内核配置的 ISO 进程节点的比较,会发现 A78 的性能比 Cortex-A77 提升了大约 7%,同时功耗降低 4%,面积减小 4%。看起来制程对于性能的提升还是贡献了大头。

有趣的是,这是 Arm 首次公布微架构的性能/功率曲线。

对比 Cortex-A77 和 Cortex-A78,在较高的操作频率下成本较高,并且为了达到更高的操作频率,所需的电压也随功率的平方增加(P = f * V^2)。A78 达到 A77 的性能峰值点,将降低 36% 的功耗。在中间性能水平上,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:打破功耗约束

Arm 现有的业务模型一直在尝试构建最广泛用户所需要的芯片,但这也产生了一个悖论:性能、功率和面积三者只能取其二。尽管可以肯定的是,苹果的 CPU 内核在技术上是强大的,但 Arm 性能劣势的一个重要因素是其业务需求不支持构建一个「超大核」。

但随着公司业务的扩展,看起来新一代微架构已经和 Cortex-A76 时代有了显著的变化。

粗略地看 Cortex-X1,你会发现它要比 Arm 天梯图上的任何其他核心都要高。X1 显然是基于 A78 打造的,他们都来自于 Austin CPU 设计团队,但 X1 最大的不同在于打破了以往对于功耗和面积的枷锁,专注于获得最高性能。

就最终性能表现来说,与前代 Cortex-A77 相比,Cortex-X1 的整数性能提升了 30%;与同步推出的 Cortex-A78 相比,整数性能提升了 22%;机器学习性能更是较 Cortex-A77/78 提升了 100%。

另一个值得注意的地方在于,Cortex-X1 的设计遵循 Arm 的新许可体系「Cortex-X Custom Program」,其允许客户在新微体系结构的设计阶段早期进行协作,并要求对芯片配置进行高度的自定义化。没错,高通就是这套许可之前版本的主要受益者。

Cortex-X1:体积更大、性能更好

这款具有全新架构的 Cortex-X1 完全脱离了 Arm 往常追求「性能平衡」的设计哲学,转而追求纯粹性能,即使牺牲掉一些能耗和空间效率也在所不惜。

与 Cortex-A78 相比,Cortex-X1 整体的提升情况是怎样的呢?
  • 需要注意的是,Cortex-A78 和 Cortex-X1 都基于 ARMv8.2 指令集,指令集是兼容的,但 Cortex-X1 是自定义 CPU 核心;

  • 从解码带宽来看,Cortex-A78 是 4 路,Cortex-X1 增加到了 5 路,提升了 25%;

  • NEON 浮点从 2 条 128b 提升到了 4 条 128b,这意味着浮点运算性能实现了翻番;

  • 从缓存方面来看,Cortex-X1 的 L1 缓存为 64K、L2 缓存为 1M、L3 缓存为 8M,这些都较 Cortex-A78 提升了一倍。

Cortex-X1 与 Cortex-78 的架构的整体对比详情。

接下来一一分析 Cortex-X1 相对于前代 CPUs 和 Cortex-A78 都在哪些方面做了提升。

首先,Cortex-X1 具有一个更强大的核心,主要体现在以下几个方面:
  • L0-BTB 容量从 64 提升到了 96,增加了 50%;

  • 可用指令取出带宽增加,具体来说,L1I 的取出带宽从 4 条指令增加至 5 条,提升了 25%,同时解码带宽也相应增加;基于 Mop-cache 的取出和重命名带宽提升了 33%,每周期指令从 6 条增加至 8 条;

  • 2x Mop 高速缓存容量较 Cortex-A77 增加一倍。

其次,Cortex-X1 突破了带宽和深度的极限,主要体现在以下几个方面:
  • 与 Cortex-A78 相比,Cortex-X1 的分配带宽提升 33%,达到了每周期 8 指令;

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

  • FP/ASIMD 执行带宽提升一倍,具体来说,Cortex-X1 的总带宽达到了 4×128b,相当于英特尔 Sunny Cove 或者 AMD Zen2 台式机核心。

最后,Cortex-X1 集成大带宽和高性能,具体体现在以下几个方面:
  • L1I 和 L1D 的缓存配置为 64K,L2 最大缓存达到 1M;

  • 提升存储子系统(memory subsystem)性能,以支持更大的动态负载和存储(in-flight loads and stores),将窗口大小提升了 33%;

  • L2-TLB 的大小较 Cortex-A78 增加一倍,较 Cortex-A77 增加 66%,覆盖了 2000 entry,在 4K 页面上提供最高 8M 的内存。

此外,与 Cortex-A77 相比,Cortex-X1 有 30% 的 IPC 提升,涵盖了 SPEC2006 的整数和浮点运算套件。

Arm 在 Cortex-X1 的功率和面积效率方面相对模糊。如果供应商能够执行良好的实现,并且即将推出的 5nm 制程不会有坏消息的话,那么就会得到以下功耗预测:

最后,如果你想要具体性能对比的数字,虽然从 Arm 的设计到最终手机跑分还有一段距离,但过去的经验表明这基本是八九不离十的:这一代厂商使用的 Cortex-X1 核心预计可以达到 Arm 宣称的 3GHz 目标,Cortex-A78 估计跑不到这么高。基于 A78 的核心,其功耗预计与使用 A77 的(如骁龙 865)核心相同,性能提升大约有 7%,加上少许的时钟频率提升,总体而言改进不甚明显,但也符合预期。

X1 系统的性能提升将极具竞争力,甚至可以比骁龙 865 多出 37%,这会让它单核水平接近 A13,多核能力超出。不过,它的竞争对手也将是苹果还没发布的 A14。

更有意思的是,X1 可以让 Arm 在性能层面上接近英特尔和 AMD 目前的桌面系统。如果说之前人们对于手机芯片打 X86 嗤之以鼻,现在倒是可以认真考虑一下了。

功耗方面,保守地看 Cortex-X1 将使用 A78 的 1.5 倍功率,但即使 X1 的功耗是 A77/A78 的两倍,它在能效方面仍然可以与苹果竞争——核心性能提升很大程度上弥补了它功耗方面的不足。功耗的增加让 X1 的能耗效率比 A78 低 23%,比目前的骁龙 865 低 11-14%。这样的数字,看起来是可以接受的。

多年以来,我们一直希望 Arm 能够获得不妥协的性能,而 Cortex-X1 似乎正是这样,实在令人兴奋。

你想要几个 X1 核心?

牺牲功耗提升性能,在手机上自然不是完美的选择。Arm 确实也提醒人们,在移动端上我们几乎不可能看到两个以上 X1 大核的设计。而对于追求效率的客户,只用 Cortex-A78 而不选择 X1 也是有可能的。

看起来,带有 Cortex-X1 的手机 SoC 将会是 X1、A78 和 A55 三种核心混用。在发布活动中,Arm 也展示了高通常用的 1+3+4 核心配置,下一代的骁龙 875 很可能也将如此设计。

与此同时,三星电子 SoC 设计团队副总裁 Joonseok Kim 也对新设计表示欢迎,或许下一代旗舰 Exynos 芯片也将出现 X1 的身影。不过三星是否会采用两块 X1 大核,以及三星的 5 纳米制程进度都是未知数。

而正受到贸易战影响的华为海思,今年下半年的麒麟芯片采用最新 Cortex-X1 设计的可能性则更小。而且华为最近几代也倾向于不使用最新的 Arm 架构。

总结:ARM 终于开始追求纯粹的性能

刚刚发布的 Cortex-A78 和 Cortex-X1 给我们带来的感觉非常不同。A78 显然是最近一代架构中升级幅度最小的,与之相对的是,Cortex-X1 对 Arm 来说是一个巨大的改变,其 30% 的 IPC 提升大大超过了人们对于新架构每年 20-25% 左右提升的期待。这一步伐远远超过了竞争对手的能力范围。

而且这一预测性能还在极度接近 X86 架构高端芯片的水平,着实令人兴奋。明年各家的旗舰系列手机,让我们充满期待。

参考内容:
https://www.anandtech.com/show/15813/arm-cortex-a78-cortex-x1-cpu-ip-diverging
入门功耗芯片ARM架构
相关数据
Qualcomm机构

高通公司(英语:Qualcomm,NASDAQ:QCOM)是一个位于美国加州圣地亚哥的无线电通信技术研发公司,由加州大学圣地亚哥分校教授厄文·马克·雅克布和安德鲁·维特比创建,于1985年成立。两人此前曾共同创建Linkabit。 高通公司是全球3G、4G与5G技术研发的领先企业,目前已经向全球多家制造商提供技术使用授权,涉及了世界上所有电信设备和消费电子设备的品牌。根据iSuppli的统计数据,高通在2007年度一季度首次一举成为全球最大的无线半导体供应商,并在此后继续保持这一领导地位。其骁龙移动智能处理器是业界领先的全合一、全系列移动处理器,具有高性能、低功耗、逼真的多媒体和全面的连接性。目前公司的产品和业务正在变革医疗、汽车、物联网、智能家居、智慧城市等多个领域。

http://www.qualcomm.com/
深度学习技术

深度学习(deep learning)是机器学习的分支,是一种试图使用包含复杂结构或由多重非线性变换构成的多个处理层对数据进行高层抽象的算法。 深度学习是机器学习中一种基于对数据进行表征学习的算法,至今已有数种深度学习框架,如卷积神经网络和深度置信网络和递归神经网络等已被应用在计算机视觉、语音识别、自然语言处理、音频识别与生物信息学等领域并获取了极好的效果。

机器学习技术

机器学习是人工智能的一个分支,是一门多领域交叉学科,涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、计算复杂性理论等多门学科。机器学习理论主要是设计和分析一些让计算机可以自动“学习”的算法。因为学习算法中涉及了大量的统计学理论,机器学习与推断统计学联系尤为密切,也被称为统计学习理论。算法设计方面,机器学习理论关注可以实现的,行之有效的学习算法。

Samsung Group机构

三星集团是韩国最大的跨国企业集团,同时也是上市企业全球500强,三星集团包括众多的国际下属企业,旗下子公司有:三星电子、三星物产、三星航空、三星人寿保险、雷诺三星汽车等,业务涉及电子、金融、机械、化学等众多领域。 三星集团成立于1938年,由李秉喆创办。三星集团是家族企业,李氏家族世袭,旗下各个三星产业均为家族产业,并由家族中的其他成员管理,集团领导人已传至 李氏第三代,李健熙为现任集团会长,其子李在镕任三星电子副会长。

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