ARM CortexA-72處理器：何來3.5倍性能

　　ARM雖然是家小公司，但他們是整個ARM處理器陣營的核心，除了蘋果、高通等極少數(shù)可以自己開發(fā)ARM兼容架構(gòu)的公司之外，聯(lián)發(fā)科、海思等大多數(shù)公司都 會直接使用ARM的公版Cortex-A架構(gòu)授權(quán)。64位時代以來，ARM已經(jīng)發(fā)布了Cortex-A57/A53一大一小兩種架構(gòu)，但只有A53遍地開花，高性能的A57核心在手機市場只有三星、高通在用，面臨著難產(chǎn)的尷尬。為此，ARM公司今年2月份推出了A57的繼任者——Cortex-A72架 構(gòu)，號稱性能是A15的3.5倍，功耗則降低了75%。

　　當(dāng)時我們對ARM的Cortex-A72核心了解并不多，只知道A72核心會使用新一代的FinFET工藝生產(chǎn)，包括三星/Globalfoundries的14nm及TSMC的16nm，得益于先進的工藝，A72核心頻率更高，可以達到2.5GHz，更高的頻率有助于A72增強服務(wù)器市場的存在感，這也是它的目標市場之一。

　　ARM日前公布了Coretx-A72核心的詳細架構(gòu)，Anandtech網(wǎng)站也做了一番解析，我們來看下A72架構(gòu)到底有哪些改進，畢竟A72核心很可能成為明年的旗艦手機/平板的標配。

　　值得一提的是，原先首先解釋了A72核心的命名由來，為什么不選擇Cortex-A59這樣的命名呢?ARM解釋說這純粹是方便市場宣傳而已，如果跟A57的命名很相近，那么大家就不容易看出這兩種核心之間的區(qū)別(大家都只會看數(shù)字辯好壞嗎?)。

　　A72核心的性能達到了A15的3.5倍

　　功耗降低了75%

　　ARM之前宣傳A72核心性能是前代的3.5倍，功耗降低了75%，但大家也得清楚這只是宣傳而已，ARM并沒有直接對比A57與A72的差別，如果只看這兩者，A72核心在同樣的14/16nm工藝下只比A57提升了34%(2.6x到3.5x，還得考慮到頻率上的差異)，而在同樣的28nm工藝下，其功耗也不過減少了20%左右。

　　還要注意到，A72核心可以運行在更高的頻率下，這不是簡單地最高頻率，此前A57由于太強，因此它只能在最高頻率下維持很短時間就要降頻，而ARM提供的數(shù)據(jù)表明，A72核心在16nm FinFET工藝下，2.5GHz頻率運行時功耗只有750mW。

　　除了功耗之外，ARM還在A72架構(gòu)上做了很多優(yōu)化，如上圖所示，整數(shù)、浮點、內(nèi)存等性能皆有不同程度的提升，雖然還缺少一些細節(jié)，不過IPC性能上提升16-30%還是有的。

　　由A57升級而來的A72架構(gòu)

　　ARM似乎在性能、功耗及核心面積這三個方面都做了全面的改善，這也是半導(dǎo)體設(shè)計的三個重要指標。這個成績是ARM重新優(yōu)化了幾乎所有A57邏輯區(qū)塊之后才得來的，其中CPU架構(gòu)做了相當(dāng)大的改進，包括新的分支預(yù)測單元，改善了解碼器管線設(shè)計等。

　　在指令預(yù)取這一塊，我們可以看到ARM重新設(shè)計了分支預(yù)測單元，它可以支持更復(fù)雜的算法，提高了性能、降低了功耗以、誤預(yù)測率及投機(speculation)，具體來說就是相比A57降低了50%的誤預(yù)測，25%的投機率。多余的分支預(yù)測單元則被禁止了。——實際工作中，如果分支預(yù)測單元不能有效工作，那就會被繞過去。

　　此外，通過更好地耦合不同的IP模塊，ARM還優(yōu)化了RAM組織。

　　再來看A72的管線設(shè)計，解碼/重命名性能也提升了。解碼器自身是3指令發(fā)射的解碼器，但ARM在提升性能。降低功耗方面花了很大精力。為了提高要性能，提升了有效的解碼帶寬，而解碼器也獲得了一些AArch64指令融合增強。此外，功耗也通過多種方法降低了，包括直接的解碼等。

　　看起來指令分派/收回(Dispatch/retire)單元是提升性能而做的改進中變化最大的。解碼器可以融合指令，ARM的指令分派單元可以將ops操作打亂成更小的微操作(micro-ops)輸送給執(zhí)行單元，這樣可以在指令派發(fā)單元將3發(fā)射變成等效5發(fā)射。這將提高解碼器的吞吐量，同時也提高了每個周期內(nèi)指令派發(fā)單元創(chuàng)建的微操作數(shù)。

　　A72架構(gòu)，ARM表示平均每個指令有1.08個微操作，這將緩解57架構(gòu)中實際受限的指令派發(fā)單元的性能。

　　另一方面執(zhí)行單元也有新的設(shè)計，包括新一代的FP浮點/高級SIMD單元，由于FP浮點管線從9降低到了6，因此延遲更低。FMUL(浮點乘法)的延遲也從5周期降低了3周期，F(xiàn)ADD(浮點加法)從4降到3，F(xiàn)MAC(浮點累積乘)從9降低到6，CVT單元從4降到2。FP浮點單元的渲染管線長度從19降低到了16。

　　整數(shù)單元也做了改進，Radix-16除法器的帶寬加倍，CRC單元延遲降低到了1周期，相比A57架構(gòu)其帶寬達到了3倍。

　　另一個重大的性能改進是L/S(Load/Store)單元，ARM表示L/S單元的帶寬提升了30%，這是因為引入了新的預(yù)取器。

　　A72架構(gòu)紙面上的改進讓人印象深刻，它是A57架構(gòu)的革新升級，不論是性能還是功耗，或者核心面積，A72都有改進。A57架構(gòu)是去年Q3季度進入市場的，但現(xiàn)在才有三星、高通的A57架構(gòu)處理器量產(chǎn)上市，所以A72核心真正進入市場還需要至少1年時間。