三星CPU架構(gòu)細節(jié)曝光，挑戰(zhàn)高通和華為的武器？

(本文由微信公眾號 半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）摘譯自「anandtech] ，這里作為轉(zhuǎn)載分享)

作為今年HotChips會議的重頭戲之一，我們很高興終于看到三星披官方披露了其今年最新新的CPU設(shè)計Exynos M3。

今年1月份，媒體首次報道了三星的新微架構(gòu)的相關(guān)信息，從那時起我們就很清楚，這是一個不容忽視的關(guān)注點：因為三星在性能方面取得了巨大的提升，這在他們近些年來的硅設(shè)計產(chǎn)品上前所未見。

但在接下來的幾個月中，對于新款Exynos 9810及其M3內(nèi)核的披露卻越來越少。中間我們有過很多探索，但總不能窺到其內(nèi)心。當中更是沒有三星的任何內(nèi)容做參考。

回顧三星這系列架構(gòu)的發(fā)展，對產(chǎn)業(yè)來說，這是一個很好的創(chuàng)新和推動。

在2016年的HotChips上，三星首次展示了其初代微架構(gòu)Exynos M1。據(jù)了解，三星的CPU IP是在德克薩斯州奧斯汀的“三星奧斯汀研發(fā)中心”（簡稱SARC）開發(fā)的，該中心成立于2010年，目標是為三星的S.LSI部門和Exynos芯片組建立內(nèi)部IP。在這個中心里，有來自AMD，英特爾和其他公司和高等院校的、才華橫溢的資深專家，后續(xù)的內(nèi)存控制器和自定義互連的出現(xiàn)，就是他們的工作成果。當然，三星首款定制CPU，更是其中的明星。

后來三星又推出了M2 ，值得一提的是，由于M2在整個工作負載中有20％IPC改進，所以即使生產(chǎn)芯片的時鐘速度降低了12％，但是這它的性能還是優(yōu)于M1。三星在M2中實現(xiàn)了一些最初計劃到M3的一些功能，這就使得新的M3設(shè)計變得更加激進。

在這里，三星明確指出了業(yè)界最無情的方面之一，那就是在發(fā)布周期內(nèi)，IP和芯片必須同步。我們看到SoC多個供應(yīng)商的產(chǎn)品，都是為了抓住新產(chǎn)品的商業(yè)發(fā)布窗口而緊急推向市場。

對比Exynos M3的概述以及M1的原始幻燈片，我們看到了很多的相似之處，但M3在桌面上增加了更多。SARC團隊將微架構(gòu)寬度從4寬解碼單元（wide decode unit）增加到6，這是新μarch的整體核心特征。我們看到一個新增的帶有乘法器功能的整數(shù)ALU、第二個負載單元和一個大幅擴展的浮點/ SIMD，這就將計算容量提升了三倍之多。

三星從未真正對M2微體系結(jié)構(gòu)公開，并且也沒有與之相關(guān)的特定編譯器機器模型，但在今天的披露中，我們看到的一個變化是三星進行了從96到100個條目（entries）的微小調(diào)整，重新排序緩沖。正如我們在1月份的第一次μarch披露中所提到的那樣，M3大大擴展到最多228個條目，這使得μarch從這一方面看，與英特爾的核心設(shè)計更為相似（盡管我們無法直接進行不同ISA的密度比較，且隨著指令的復(fù)雜性而變化）。

當Arm公布了A76的μarch細節(jié)，特別是128-entry ROB（這看起來比M3還?。Ｔ谒麄兛磥?，這是性能和面積/功耗之間的平衡。特別值得一提的是，ROB capacity增加了7％，但只帶來1％的性能提升。

三星解釋說，ROB capacity是一個選擇，它與微架構(gòu)的其余部分以及各種緩沖區(qū)和后端調(diào)度程序容量的設(shè)計密切相關(guān) - μarch寬度和μarch寬度相互補充以提高性能，而一個如如M3這樣的，更廣寬度的μarch能夠更快地填充ROB，從而從更大的容量中獲得更強的性能?？偟膩碚f，考慮到提高性能和節(jié)省成本，M3采用了與M1 / M2不同的設(shè)計。

一個更大的前端

深入了解前端的更多細節(jié)，我們看到了分支預(yù)測器（branch predicto）和fetch單元的各種改進。M1的分支預(yù)測器與其他μarch的不同之處在于它能夠在每個周期采用兩個分支并且在后端具有兩個分支端口。M3似乎保持這個寬度，但是將μBTB從64個增加到128個。mainBTB仍保留在4K條目中，但在采用了分支之后，延遲方面已有了明顯提升。

除此之外，分支預(yù)測器質(zhì)量總體上也有了提升，這就使得錯過分支平均減少了15％。有趣的是，三星實際上發(fā)布了一個實際的MPKI（Misses per kilo instructions）值，這是迄今為止Arm（或任何供應(yīng)商？）都沒有看到的東西。在這里，三星監(jiān)控來自各種應(yīng)用程序和用例的，不斷擴展的4000-6000代碼跟蹤套件，以便在開發(fā)過程中驗證其性能。

分支預(yù)測器和fetch單元分別供給decoupled address隊列和decoupled instruction指令隊列，這樣做或者可以使得這些單元在實現(xiàn)中進行時鐘門控。

fetch單元的帶寬已加倍，現(xiàn)在每個周期最多可讀取48個字節(jié)，相當于每個周期12個32b指令 ，這就讓獲取與解碼容量的比率變?yōu)?：1，比1.5：1的比率有了明顯增加（ M1中的24B / c，4解碼）。三星解釋說，以應(yīng)對更廣泛的微架構(gòu)上越來越大的分支泡沫問題，需要大幅增加這樣的設(shè)計。他們承認，平均而言，所采用分支之間的距離小于12條指令，但較大的寬度對臨時指令突發(fā)有很大幫助。

雖然這種變化具有很高的瞬時功率利用率，但是當指令隊列（現(xiàn)在是深度的兩倍）被填充得比解碼單元解碼還快時，因為它允許fetch單元被時鐘門控，這就使得它對所使用的功率具有整體凈正面影響，。在這里，整體能效與分支預(yù)測器質(zhì)量更緊密相關(guān)，因為在獲取指令時實際上并不重要。

指令緩存/ L1I為64KB。我們不確定這是否比M2增加，因為它很難測量，但它肯定是M1μarch的兩倍。

指令轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)（ITLB）已從256個條目增加到512個條目。需要注意的是，三星正在采用三級層次結(jié)構(gòu)，而不是我們在Arm的處理器中看到的結(jié)構(gòu)。A75和A76分別具有第一級32和48條μITLB，其中mainTLB 共有1280個條目，包括1024個條目（頁面最大為64KB）和一個輔助256條目表（頁數(shù)》 = 1MB）。

三星也有一級數(shù)據(jù)和指令TLB，但沒有透露L1 ITLB的大小。

Middle-Machine：更廣泛的解碼，重命名和發(fā)送

來到Middle-Machine（解碼器，重命名，調(diào)度），我們看到了1.5倍寬的解碼單元的這個事實。三星在此處未披露任何細節(jié)，但它改進了指令/μOP融合功能。重命名和調(diào)度吞吐量匹配解碼寬度; 這里，重要的是不要嘗試過多地解讀它并將其與Arm的CPU內(nèi)核進行比較，因為我們正在談?wù)摬煌?yīng)商之間的不同μOP類型。在這里，三星μarch支持自M1以來的多調(diào)度形式; 解碼器發(fā)出一個μOP，可以同時調(diào)度到多個調(diào)度程序，但在ROB中，他們?nèi)匀恢粚⑵溆嫗橐粋€調(diào)度和一個條目。

在整數(shù)核心中，我們看到兩個額外的調(diào)度器，因此M3現(xiàn)在能夠發(fā)出9μOps，而不是前代產(chǎn)品的7μOps。其中一個新端口是具有乘法功能的附加ALU單元，使MUL吞吐量加倍，并將簡單整數(shù)算術(shù)吞吐量提高25％。

輔助附加端口是第二負載AGU，其能夠使核心的負載帶寬加倍。

浮點單位“野獸”

在浮點核心中，我們看到了一個與先前的μarch非常不同的“野獸”。在這里，三星增加了第三條管道，增加了在FPU中發(fā)送（dispatched）和發(fā)布（issued）的μOP。就簡單的浮點能力而言，M3通過3個128b FMAC / FADD單元，使乘法和算術(shù)吞吐量增加了三倍。這意味著吞吐量直接從從3 FLOPS（1x FMAC（2）+ 1x FADD（1））增長到6 FLOPS（3x FMAC（2））。

因為執(zhí)行吞吐量的急劇增加，所以必須擴展調(diào)度程序和物理寄存器文件，也就是說將調(diào)度程序從32增加到62，將FP PRF從96增加到192個。

三星一直在努力減少執(zhí)行延遲，這也適用于浮點流水線。在這里，乘法單元已經(jīng)將周期從4個周期削減到3個周期，這也有利于FMAC從5個周期下降到4個周期。簡單的浮點添加將周期從3降到2，與此同時，F(xiàn)DIV能升到Radix-64單元，且顯著減少了分區(qū)延遲。

在這里稍微提一下，我記得Arm已經(jīng)在A76中大肆宣傳其新的浮點管道已有好幾年了，他們?yōu)樾潞诵牡摹白钕冗M”VX數(shù)據(jù)路徑感到非常自豪。但三星似乎在擊敗了Arm，因為M3具有相同的浮點延遲，同時具有更高的執(zhí)行吞吐量以及更低的延遲ASIMD功能。當我們可以并排測試硅產(chǎn)品時，我們將來會更詳細地比較這些。

新負載/存儲單元

在加載/存儲單元中，由于增加了第二個128b的負載端口，我們再次看到讀取帶寬加倍。這里的負載使用延遲在4個周期內(nèi)保持不變。存儲帶寬同樣有相應(yīng)的提升。這一代M3具有雙帶寬優(yōu)勢，因為它的兩個LD單元工作在128b /周期，而A75則為64b /周期。

總體而言，LD / ST調(diào)度程序的容量已經(jīng)增加，在存儲緩沖區(qū)方面，盡管我們沒有確切的值，但可以看到也大概增加了一倍。為了更好地服務(wù)于更廣泛的μarch，L1數(shù)據(jù)高速緩存上的outstanding misses已從8增加到12，這意味著在高速緩存misses期間，該單元可以提供多達12個并發(fā)數(shù)據(jù)請求，而核心/系統(tǒng)從更高層次獲取數(shù)據(jù)緩存級別或內(nèi)存?？紤]到M3μarch的機器寬度（machine width），這看起來似乎很低 。Arm沒有公開披露A75以及此前產(chǎn)品在這方面的規(guī)格，但他們將MLP /內(nèi)存級并行性作為A76披露的一個重點，這里L(fēng)1D提供多達20個outstanding misses。這比M3可以做的更多。

在這里，三星的預(yù)取器需要具有最高質(zhì)量，以避免任何內(nèi)存瓶頸，并實現(xiàn)最佳完美cache-hit操作的目標，實際上他們說新的“混合”（hybridized）預(yù)取器已經(jīng)有所增強。在這里hybridized本質(zhì)上意味著會有更多的預(yù)取者，或者單個預(yù)取器能夠處理不同類型的內(nèi)存模式。

幻燈片再次提到了我們之前在指令方面描述的新TLB層次結(jié)構(gòu)（hierarchy）。在數(shù)據(jù)方面，我們看到與M1相同的32-entry micro-DTLB，但是現(xiàn)在有一個全新的mid-level DTLB，它有512個條目。指令TLB和數(shù)據(jù)TLB現(xiàn)在都由增強的和更大的統(tǒng)一的具有4096個條目的L2 TLB服務(wù)，而前一代中只有1024個條目。

核心管道：一切都有成本

擴大微架構(gòu)需要付出成本代價。與Exynos M1相比，M3在其管道深度上增加了兩個周期，并添加了輔助調(diào)度階段（secondary dispatch stage），以及用于寄存器讀取（second stage）的第二階段。通常CPU流水線深度計為從預(yù)測/分支到寄存器回寫的階段，在這種情況下，M3在17 stages，而M1為15 stages，A75和A76則為13 stages。

Branch misprediction penalty是16個周期，因為有一個驅(qū)動周期（drive cycle）回到前端，再次比M1上的14c penalty多2個周期。如果μarch在各階段之間存在任何其他快速路徑，可以減少關(guān)鍵情況下的延遲，那么三星也不會談?wù)?。M3和M1的缺點是它的Arm對應(yīng)物位于3對2級取指和解碼單元（+2級），2對1級寄存器重命名單元（+1），以及需要第二個調(diào)度階段（+1）。

三星承認，雖然這是一個負面因素，但為了讓更大的μarch按計劃完成，這是一個必要的“”惡魔，雖然機器在分支誤預(yù)測方面做得很好，但這是新μarch的一個大成本。

總的來說，三星的微體系結(jié)構(gòu)選擇實際上并沒有在實際產(chǎn)品中體現(xiàn)出很大的時鐘速度優(yōu)勢。這似乎只是讓他們在物理設(shè)計和限制關(guān)鍵路徑方面做得更好，以便在合理的電壓下實現(xiàn)更高的頻率。

一個新的3級緩存層次結(jié)構(gòu)

遠離CPU核心本身，我們正在研究新的L2 / L3緩存層次結(jié)構(gòu)。與A75和A76一樣，M3引入了新的私有L2緩存作為核心和共享最后一級緩存之間的中間級別。新的私有L2包含較低的數(shù)據(jù)緩存，每個核心的容量為512KB。與共享L2相比，M1中的訪問延遲從22個周期減少到12個周期。三星在這里的表現(xiàn)，與Arm的A75相比處于劣勢，因為據(jù)后者的數(shù)據(jù)顯示，其L2 hit 延遲只有8個周期。值得注意的是，在實際物理實現(xiàn)的硅片中，由于RAM和物理布局中的設(shè)計選擇，這個數(shù)字可能會上升。實際上，Snapdragon 845在2.8GHz時的L2延遲測量為 ~4.4ns，而2.7GHz Exynos 9810的數(shù)據(jù)約為4.6ns。

L2緩存的帶寬也增加了一倍，現(xiàn)在實現(xiàn)了32B /周期，而M1則為16B /周期。作為對比，A75從L2讀取帶寬16B /周期，寫入帶寬則為32B /周期。

當三星最初公布其Exynos 9810的L3緩存是如何工作的時候，我們感覺是有點混亂的但。最終我們得到了澄清，那就是Arm實際上并沒有允許第三方核心插入其DynamiQ集群/ L3系統(tǒng)，也就是說新SoC的硅實現(xiàn)與Arm的對應(yīng)物無任何關(guān)系。

在這里，我們看到以NUCA（（Non-uniform cache architecture：非統(tǒng)一緩存架構(gòu)）方式實現(xiàn)的大型4MB緩存?？偣灿?個1MB的片（slice），每個“片”位于CPU核心的對面。由于布局不均勻，核心與切片之間的訪問延遲并不相同。核心訪問相鄰切片有32個周期的延遲，但在CPU和最遠切片之間的訪問則有44個周期的延遲。三星在典型模式中引用了37個周期平均延遲的數(shù)據(jù)。

在這里，與Arm的方案相比，M3似乎更弱。

Arm A75的L3 hit有25個周期的延遲。在實際中，我們看到Snapdragon 845達到~11.4ns，而Exynos 9810則測得 11ns到20ns之間。雖然DSU較低的最大時鐘可能是一個缺點，但實際上它在相反情況下也是一個優(yōu)勢; 當CPU核心的時鐘頻率降低時，他們?nèi)匀豢梢岳每焖龠\行的DSU / L3緩存及其較低的延遲。相反，M3的緩存層次結(jié)構(gòu)與其CPU內(nèi)核一起減慢。

M1 / M2的總線單元處理多達28個outstanding misses，而M3處理多達80個未完成的utstanding misses-，如果這應(yīng)用到L3或者如果在某個方面L2塊包含在該圖中，則缺乏清晰度。Arm從不談?wù)揂75的功能，但詳細說明A76能夠處理L2緩存上的46個outstanding misses，在DSU的L3上有94個outstanding misses。

L3切片之間的數(shù)據(jù)分區(qū)由address hash決定，并且所有切片同時通電。相比之下，較大的SoC中的DSU默認使用兩個片實現(xiàn)，其中每個片可以是一半斷電 -，在斷電能力方面給出L3的1/4的粒度。我不確定SD845是如何在這里實現(xiàn)的。

最后，三星解釋說，這種切片設(shè)計旨在為高端移動設(shè)備之外的不同設(shè)計實現(xiàn)更好的可配置性，當然這仍然是最優(yōu)先考慮的因素。但S.LSI在汽車領(lǐng)域也在努力。

對于緩存層次結(jié)構(gòu)總體，三星承認最終產(chǎn)品并未達到他們真正想要的水平。最終產(chǎn)品就像這樣，因為必須進行權(quán)衡才能獲得為這一代實現(xiàn)的3級緩存層次結(jié)構(gòu)。在這里，我認為我們將更加關(guān)注下一代M4。

物理布局：理解硅片

三星今年披露了其芯片的核心平面圖，我們很樂于見到這個，以下是對這些術(shù)語的一些簡短說明：

pL2： Private L2 cache， here we see the 512KB cache implemented in what seems to be two banks/slices.

FPB： Floating point data path; the FP and ASIMD execution units themselves.

FRS： Floating point schedulers as well as the FP/vector physical register file memories.

MC： Mid-core， the decoders and rename units.

DFX： This is debug/test logic and stands for “design for X” such as DFD （Design for debug）， DFT （Design for test）， DFM （Design for manufacturability）， and other miscellaneous logic.

LS： Load/store unit along with the 64KB of L1 data cache memories.

IXU： Integer execution unit; contains the execution units， schedulers and integer physical register file memories.

TBW： Transparent buffer writes， includes the TLB structures.

FE： The front-end including branch predictors， fetch units and the 64KB L1 instruction cache memories.

Exynos 9810平面圖

與M1相比，M3中幾乎所有功能單元的尺寸都大大增加，最終內(nèi)核功能模塊的面積為2.52mm2，另外還有0.98mm2的512LB L2緩存和邏輯。

Exynos 9810平面圖

在這里，三星展示了整個集群平面圖，再次標記了4個核心，它們彼此相鄰排列，L2和L3幻燈片也有序地彼此相鄰放置。這種布局似乎節(jié)省了一些布局工作，因為每個塊設(shè)計一次然后簡單地復(fù)制4次。

IPC提高59％

最后，三星談了一下他們的性能分析基礎(chǔ)架構(gòu)以及它們?nèi)绾瓮ㄟ^RTL和模型模擬運行各種工作負載跟蹤，以便評估設(shè)計選擇、發(fā)現(xiàn)錯誤并對μarch進行微調(diào)。

在這張幻燈片中，我們最終得到了核心IPC增長的官方數(shù)字：~59％。

正如我們在圖表中看到的那樣，所有工作負載的增長都不是線性的，切我們看到高ILP工作負載的增長僅有限25％，而MLP工作負載可能則幾乎沒有增加。另外，還有很多混合工作負載的IPC增加了》 80％。

性能和效率：三星的數(shù)據(jù)

接下來的幻燈片展示了M2，M3和A75的GeekBench4性能表現(xiàn)。代表產(chǎn)品則分別是Exynos 8895，Exynos 9810和Snapdragon 845。

功率效率（Power efficiency）一直是M3的一個重要主題

正如我們在評測中所述，三星的2.7GHz高頻率需要非常高的電壓和功耗。雖然它展示了領(lǐng)先的性能，但最終效率卻低于Exynos 8895的M2。這里的數(shù)字代表有源系統(tǒng)功率，這意味著在CPU，內(nèi)存控制器和DRAM方面，就像我們在AT測量它一樣。

將時鐘降低到與M2相同的2.3GHz，根據(jù)三星的演示，我們在效率方面看到M3的領(lǐng)先。

下圖則顯示了完成工作負載套件的能源使用情況以及測試期間的平均功耗。左邊的條形表示效率，條形越短（焦耳越?。?，平臺效率越高。右邊的條代表性能分數(shù)，條形越長，性能越好。

我還重新測試了M3的三個頂級頻率的工作負載; 1794，2314和2704MHz，讓我們更廣泛地了解效率如何隨性能而變化。

總體而言，M3提供了非常動態(tài)的結(jié)果范圍。在（幾乎）等效的峰值性能與這一代的A75競爭結(jié)果相比，M3能夠發(fā)揮良好的效率優(yōu)勢。M3的低性能點仍然優(yōu)于M2的2.3GHz最高性能 ，同時還具有顯著的功率和能效優(yōu)勢。

時鐘頻率在2.3GHz的時候，M3的性能則明顯優(yōu)于A75。

最后在2.7GHz進一步拉大了性能差距，但效率卻很高，比其他任何最新的SoC消耗更多的功耗。

三星的未來戰(zhàn)略與結(jié)論

最后，三星更多地討論了該項目的時間表以及如何開展工作。

正如我們在介紹中所說的那樣，M3的計劃在2014年第2季度開始，隨著M1的完成，RTL也在2015年第1季度開始。在這里，三星改變了節(jié)奏和規(guī)劃，將最初計劃用于M3的一部分功能放入M2中。在這里，最初的M3計劃進行了修訂，以便在2016年第一季度實現(xiàn)更大的微架構(gòu)性能推動。

RTL于2017年第一季度交付給SoC團隊，用于Exynos 9810的第一個EVT0流片。值得注意的是，實際生產(chǎn)的硅片是EVT1，其tape-out在2017年中期發(fā)生。而最后商用的Exynos 9810在2018年3月上市。

M3對于三星設(shè)計團隊來說是一次相當大的突破工作，因為他們不得不經(jīng)歷一個近乎項目重構(gòu)的規(guī)劃，并且必須應(yīng)對極端的時間壓力。在截止日期前推出下一代產(chǎn)品。

由于時間限制，三星在這個產(chǎn)品上留下了很多的改進空間，特別是微體系結(jié)構(gòu)中較弱的部分之一——緩存層次結(jié)構(gòu)（cache hierarchy，），這是三星方面表示其并不滿意的東西，這是推動設(shè)計團隊努力繼續(xù)前進的動力所在。

三星不愿意透露任何一種物理實現(xiàn)細節(jié)。由于HotChips是一個微體系結(jié)構(gòu)論壇，因此披露信息保留在M3的μarch中。正如我們過去所看到的，當供應(yīng)商以不同方式實施時，單個微體系結(jié)構(gòu)的性能和功耗特性可能會大不相同?？紤]到這一點，在測量最終產(chǎn)品時，很難將硅片的這些相互纏繞的方面分開。

M3看起來像一個整體堅實的微體系結(jié)構(gòu)，感覺更像我們在桌面級產(chǎn)品中看到的。感覺三星在利用μarch的性能方面采取了更直接的方法 ，在許多方面它表現(xiàn)得比Arm更加“兇猛”， 這也解釋了M3的硅尺寸比較大的原因。

在評估IP的效率時，查看更高級別的微體系結(jié)構(gòu)是不夠的，因為晶體管結(jié)構(gòu)的實際電氣工程方面和設(shè)計選擇中的細節(jié)很容易超過任何明顯的更高級別特性。況且，沒有供應(yīng)商真的會披露這些細節(jié)，更不用說它將遠遠超出公眾讀者的范圍。

在這里，最后的幻燈片可能是最具啟發(fā)性的披露，讓我們一瞥三星未來的戰(zhàn)略：

據(jù)說SARC設(shè)計團隊現(xiàn)在每年都會有強勁的年度發(fā)布節(jié)奏和持續(xù)改進。事實上，當我在詢問一些不同的設(shè)計選擇和規(guī)格時，我在M3和A76之間進行比較時，三星提醒我，Arm的新核心的真正競爭將是明年的新款Exynos M4，而不是M3。

到目前為止，我們只發(fā)布了兩代改進版，但M2和M3的IPC增長率分別為20％和59％，三星確實發(fā)布了雖然短暫但非常強勁的追趕軌跡。

就在幾天前， Arm公開宣布其性能核心路線圖至2020年，揭示了A76繼任者Deimos和Hercules，承諾約15％和10％的代際收益。M3在預(yù)計性能方面似乎已達到或超過A76（至少在SPEC2006中），因此根據(jù)M4的功率效率，我們可能最終看到三星定制設(shè)計的競爭優(yōu)勢得到回報。

總的來說，我們感謝三星做了如今所見的微架構(gòu)披露，作為超越Arm的產(chǎn)品，它們在這個秘密行業(yè)中是一個相當罕見的事件。希望S.LSI和SARC解決Exynos 9810和M3的弱點，并努力使明年的SoC取得更大的成功。我們一定期待得到它！