ARM的生存之道（二）：Cortex-A12架構(gòu)深入解析 - 全文

　　在上一章《ARM的生存之道（一）：獨(dú)特的商業(yè)模式》，我們?cè)敿?xì)解讀了ARM的授權(quán)模式經(jīng)營之道，理解了這家英國小公司是如何生存、壯大的。今天我們?cè)俎D(zhuǎn)向技術(shù)方面，重點(diǎn)看看新宣布的Cortex-A12究竟是怎么回事兒。

　　【Cortex-A架構(gòu)體系】

　　在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品領(lǐng)域（臺(tái)式機(jī)、筆記本、平板機(jī)、智能手機(jī)），Intel有兩套架構(gòu)，一是2008年引入的高性能和主流級(jí)別Core（酷睿），二就是低功耗的Atom（凌動(dòng)）。

　　ARM則有三套架構(gòu)，分別是高端的Cortex-A15、主流的Cortex-A9、低功耗高能效的Cortex-A7。Intel的超低壓版Core Y系列、Atom可以說分別對(duì)應(yīng)前兩者，但是面對(duì)A7，Intel還沒有可以競爭的方案。

　?。ˋRM其實(shí)還有Cortex-R系列嵌入式、Cortex-M系列微控制器方案，但不在本文討論范圍內(nèi)。）

　　很顯然，ARM在移動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)有了完整的布局，Intel則正努力將桌面和筆記本那一套拿過來。

　　A15、A7一高一低，可以組成big.LITTLE聯(lián)合方案，但是要注意，A15并不是用來取代A9的，而在很長的一段時(shí)間內(nèi)，A9并沒有真正的后繼者。

　　A15、A7未來將會(huì)分別被64位ARMv8架構(gòu)的A57、A53所取代，A9呢？它的后代在哪里呢？這就是最近宣布的：Cortex-A12。

　　A12將會(huì)和A57、A53形成新一代的“三駕馬車”，但在架構(gòu)上它其實(shí)還是32位的ARMv7，跟其它兩位并不一樣（這個(gè)后邊詳述）。

　?。ㄗ⒁鈾M軸時(shí)間線不是產(chǎn)品上市時(shí)間，而是IP授權(quán)時(shí)間）

　　說起處理器的性能、功耗，除了依賴架構(gòu)之外，生產(chǎn)工藝也是關(guān)鍵所在。當(dāng)前的主流是28nm，接下來還會(huì)有20nm、16/14nm、10nm……

　　尤其是對(duì)于A15來說，28nm已經(jīng)無法在提供足夠性能的同時(shí)將功耗控制在合理水平，這也正是bit.LITTLE誕生的理由之一。如果過渡到20nm，A15的情況無疑會(huì)好很多。

　　當(dāng)然，對(duì)于移動(dòng)GPU也是同樣的道理，比如Imagination PowerVR 6系列宣布了那么久還停留在紙面上，除了開發(fā)周期之外最重要的原因就是當(dāng)前工藝伺候不了它，而根據(jù)與臺(tái)積電的合作，16nm才會(huì)是PowerVR 6系列的理想著陸點(diǎn)。

　　【A12架構(gòu)縱覽、前端設(shè)計(jì)】

　　從高端層面講，A12是雙發(fā)射、亂序執(zhí)行架構(gòu)，整數(shù)流水線10-12級(jí)（A9 8-11級(jí)），整合二級(jí)緩存和載入/存儲(chǔ)、浮點(diǎn)、NEON單元（標(biāo)準(zhǔn)配置而非可選），每個(gè)群簇支持最多四核心，也可以多個(gè)群簇并聯(lián)，組成八核心、十二核心……

　　從指令集架構(gòu)兼容性上講，A12、A7、A15是一家的，都是32位的ARM-v7A，均支持40位物理尋址（最大容量1TB）、128-bit AXI4總線界面、虛擬化、整合緩存。

　　相比之下，A9支持的是32位物理尋址，2×64-bit AXI4總線，外置緩存，NEON單元也是可選的。

　　Cortex-A12架構(gòu)縱覽

　　尤其值得一提的是二級(jí)緩存，A9上是外置的，需要操作系統(tǒng)單獨(dú)支持，A12則和A15/A7一樣完全整合，為所有核心共享，并有自己獨(dú)立的電壓和頻率層，不過如果需要，后者也可以和CPU同步。

　　一級(jí)緩存是四路關(guān)聯(lián)，容量可選32KB、64KB，同時(shí)緩存數(shù)據(jù)線（cache line）也翻番為64Byte，以便更好地和DDR內(nèi)存控制器對(duì)齊。

　　值得一提的是，A12最終也會(huì)支持big.LITTLE，同樣能夠搭配A7，但是目前的初始版本還不行，缺乏必需的一致性界面。

　　A9、A12/A7/A15架構(gòu)特性對(duì)比

　　分支預(yù)測器比A9有了很大改進(jìn)，可以大大改進(jìn)能效、性能，不過在A12設(shè)計(jì)之初，ARM對(duì)其性能估計(jì)不足，直到大約三個(gè)月前才意識(shí)到錯(cuò)誤，但此時(shí)時(shí)間緊迫，ARM必須做出選擇：是照常發(fā)布這個(gè)低效率的設(shè)計(jì)，還是迅速尋找替換一個(gè)更合適的分支預(yù)測器？

　　A12團(tuán)隊(duì)最終選擇了A53里的分支預(yù)測器，拉過來塞給A12，并做了一些細(xì)微的針對(duì)性調(diào)整。

　　【A12后端設(shè)計(jì)】

　　A12的前端雖然比A9效率更高，但真正的性能提升來自于核心內(nèi)部的執(zhí)行。類似A15，A12在功能單元之前引入了多個(gè)獨(dú)立的發(fā)射隊(duì)列。

　　指令解碼進(jìn)入微操作，重命名指令分派進(jìn)入發(fā)射隊(duì)列，然后微操作在操作數(shù)可用的時(shí)候從發(fā)射隊(duì)列中發(fā)射出來。這一切都依賴于發(fā)射隊(duì)列的正確順序處理，A12是可以亂序執(zhí)行的（絕大部分情況下）。

　　A9只有一個(gè)發(fā)射隊(duì)列，只能處理4個(gè)解碼指令；A12增加到了三個(gè)隊(duì)列，每個(gè)都比A9里更大。僅此一點(diǎn)就能大大提升IPC。

　　這三個(gè)發(fā)射隊(duì)列分別是：整數(shù)、FP/NEON、載入/存儲(chǔ)。

　　下邊就是A12、A9的簡單架構(gòu)對(duì)比圖，其中藍(lán)色部分是順序執(zhí)行的，粉色/黃色則是亂序執(zhí)行的。很顯然，A12仍然只是部分亂序架構(gòu)，只不過比A9“更亂”而已。

　　Cortex-A12

　　Cortex-A9

　　A12保留了A9中的兩條整數(shù)流水線，但是和A7/A15一樣加入了對(duì)整數(shù)除法的支持，A系列其它架構(gòu)都沒有這一點(diǎn)，不過除此之外整數(shù)流水線沒啥變化。

　　FP/NEON單元的改進(jìn)非常大。A9剛發(fā)布的時(shí)候，NEON代碼很少能用到，這也正是NVIDIA Tegra 2去掉了它的主要原因，不過現(xiàn)在情況不同了，Android和移動(dòng)應(yīng)用對(duì)NEON的支持已經(jīng)很好了。

　　A12仍然是整數(shù)和浮點(diǎn)操作的物理寄存器文件相分離，但是比A9里更大了。

　　A9中的浮點(diǎn)和NEON指令都是順序執(zhí)行的，A12將它們改成了完全亂序，至少在非內(nèi)存操作上如此。FP/NEON發(fā)射隊(duì)列是雙發(fā)射的，分成兩個(gè)流水線，都可以完全亂序操作，配合也很緊密，可以在浮點(diǎn)和整數(shù)單元之間快速轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。

　　AGU單元也變成了兩個(gè)，對(duì)應(yīng)兩條流水線，而且也成了完全亂序的。

　　
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　　【提升40％？A12性能、未來展望】

　　A9架構(gòu)誕生于2009年，當(dāng)時(shí)智能手機(jī)才剛剛起步，而這幾年的巨變讓很多東西都完全變了，比如FP/NEON指令大大增加了，內(nèi)存訪問頻率更高了，應(yīng)用性能要求更高了，A9在浮點(diǎn)、內(nèi)存方面的缺陷就暴露了出來。

　　為此，A9架構(gòu)這幾年來也在不斷改進(jìn)，先后衍生了四個(gè)版本：最初的r1版對(duì)應(yīng)40nm工藝，主頻最高1GHz；r2版改進(jìn)了預(yù)取部分，工藝不變主頻可達(dá)1.2GHz；r3版來到了32nm工藝，配合改進(jìn)與調(diào)校，頻率也升至1.6GHz；最新的r4版由改進(jìn)了薄弱的分支預(yù)測和內(nèi)存系統(tǒng)，會(huì)用在28nm上，主頻有望高達(dá)2.3GHz。

　　不過，這些細(xì)微的調(diào)整并不能掩蓋A9本質(zhì)上的劣勢。這，就是A12要彌補(bǔ)的。

　　ARM雖然也聲稱A9是亂序執(zhí)行架構(gòu)，但其實(shí)僅限整數(shù)部分，浮點(diǎn)和內(nèi)存操作都是順序的。A12則變成了一個(gè)幾乎完全亂序的結(jié)構(gòu)，各處設(shè)計(jì)也都有了改進(jìn)。未來幾年，A9仍將繼續(xù)輔以并深挖潛力，但是很顯然，A12會(huì)有更好的性能、更高的能效。

　　在同樣的頻率下，ARM宣稱A12的性能可比A9提升40％，比如照ARM的說法，F(xiàn)P/NEON的改進(jìn)能讓FFMPEG負(fù)載下同頻率性能提升48％！當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中肯定沒這么多。

　　能效和內(nèi)核面積的改進(jìn)更有趣。ARM聲稱使用同樣的制造工藝，A12的內(nèi)核面積估計(jì)會(huì)比A9大最多40％，但能效可與A9持平或者更好。

　　A12 IP在幾周前才剛剛最終定案，目前已經(jīng)對(duì)外提供授權(quán)。按照以往的開發(fā)周期慣例，第一款芯片將在大約一年后誕生，第一款設(shè)備則可能要2014年底或者2015年初。這段時(shí)間就是A9發(fā)揮余熱的最后時(shí)刻。

　　不過，移動(dòng)市場發(fā)展這么快，兩年后還需要A12么？特別是還有高通的Krait 300的定位就很類似?；蛟S還是那句話，沒有很差的產(chǎn)品，只有不合理的定價(jià)。如果能比驍龍600系列便宜很多，A12一樣會(huì)很吸引人。

　　最后提一句，ARM表示會(huì)繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化A15的功耗問題。