MIPS的強(qiáng)大武器，Aptiv內(nèi)核細(xì)節(jié)詳解 - 全文

　　MIPS公司自從去年被Imagination 等公司瓜分了以后，沉寂了很長(zhǎng)一段時(shí)間，使這個(gè)當(dāng)初與ARM同為RISC雙雄的傳統(tǒng)處理器設(shè)計(jì)廠商與ARM的距離越走越遠(yuǎn)，但在經(jīng)過收購(gòu)和整頓以后，MIPS卷土重來，Imagination在近日不但更新了MIPS旗艦級(jí)的 Aptiv 內(nèi)核現(xiàn)有的產(chǎn)品組合，并且宣布在今年稍晚點(diǎn)時(shí)候推出包括32位和64位內(nèi)核的全系列新款MIPS CPU，新的 MIPS Series5 CPU 內(nèi)核代號(hào)為“Warrior”（“勇士”）。新產(chǎn)品將增加新的架構(gòu)特性，從而為各種應(yīng)用提供同類最佳的性能與效率。這個(gè)曾經(jīng)的勇士又重回第一陣營(yíng)，準(zhǔn)備和ARM在32/64位處理器領(lǐng)域展開“廝殺”。

　　下面對(duì)MIPS的Aptiv處理器進(jìn)行全解析，讓大家了解，RISC并不只是有ARM。

　　MIPS發(fā)布的Aptiv系列總共包括三款處理器——ProAptiv、interAptiv和microAptiv，其中前兩者可選擇多核配置，最大核心數(shù)量proAptiv為6，interAptiv為4。而最低端的microAptiv均為單核心。

　　以下三張表格有助于對(duì)比MIPS和ARM兩者全系列產(chǎn)品的性能，注意這里主要根據(jù)命名即產(chǎn)商自己給予的定位分類，而不是實(shí)際性能排序。其中Cortex-A系列對(duì)應(yīng)MIPS proAptiv，Cortex-R系列對(duì)應(yīng)interAptiv，Cortex-M系列對(duì)應(yīng)microAptiv。

　　雖然MIPS將interAptiv定位于Cortex-A5/A7/A9的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但根據(jù)其內(nèi)部緩存ECC支持等一些特性，將其和Cortex-R系列性能對(duì)比更好一些，兩者官方的市場(chǎng)定位倒是相同——無線基帶以及汽車安全/傳動(dòng)系控制等應(yīng)用。

　　而在微控制器核心領(lǐng)域，MIPS microAptiv系列的對(duì)手是ARM Cortex-M系列。

　　下面讓我們來總覽MIPS此次新發(fā)布的處理器一些架構(gòu)細(xì)節(jié)：

　　proAptiv架構(gòu)總覽

　　proAptiv處理器家族可擁有1-6個(gè)物理核心，每個(gè)核心的面積均為標(biāo)準(zhǔn)Cortex-A15的一半。想必圍觀群眾已經(jīng)有人表示驚嘆，但做到這一點(diǎn)也不是完全不可能，此前業(yè)內(nèi)已經(jīng)有部分人士覺得ARM Cortex-A15的面積比起其標(biāo)稱的性能是大了點(diǎn)。MIPS對(duì)Anandtech表示，由于ARM對(duì)于Cortex-A15的具體規(guī)格沒有嚴(yán)格規(guī)定，所以面積值只是估計(jì)。一半面積的比值是在移去Cortex-A15中NEON的面積值之后得來，并且MIPS proAptiv中類似模塊32bit SIMD引擎（DSP ASE）非可選部分而是必定集成。

　　每個(gè)proAptiv核心都是一顆超標(biāo)量（superscalar）架構(gòu)并支持亂序執(zhí)行的CPU，單周期可進(jìn)行4條整數(shù)以及2條浮點(diǎn)操作。多重級(jí)別TLB（頁(yè)表緩沖）的應(yīng)用以及支路緩存/預(yù)測(cè)的改進(jìn)使得proAptiv對(duì)比上代1074K系列性能提高超過60%。而FPU部分具有dual-issue特性，運(yùn)行頻率和CPU相同。

　　proAptiv和interAptiv家族還引入了EVA（Extended Virtual Addressing，擴(kuò)展虛擬化尋址）技術(shù)用來更好地管理可用空間。類似于Cortex-A15，這些IP具備一個(gè)coherence manager以及整合的L2緩存控制器并支持ECC。不同之處是Cortex-A15的設(shè)計(jì)極限支持32核心，而proAptiv家族最多支持6個(gè)。有意思的部分是proAptiv的Coherent Processing System（CPS）可根據(jù)負(fù)載控制各個(gè)核心的電壓/頻率等，類似于ARM在Cortex-A15中引入的big.LITTLE大小核心節(jié)能策略。但有一點(diǎn)不同：Cortex-A15中的節(jié)能狀態(tài)運(yùn)行核心是2個(gè)低功耗的Cortex-A7，抑或TI在OMAP 5中使用的Cortex-M4。而MIPS的proAptiv家族由于每個(gè)核心都能在超低電壓/頻率下工作，因此節(jié)能核心就是其自身，并且每個(gè)核心的面積也小于Cortex-A15。

　　對(duì)于嵌入式應(yīng)用，proAptiv的著重點(diǎn)是對(duì)于功耗的敏感性，此時(shí)proAptiv的最大運(yùn)行頻率預(yù)計(jì)只有1.5GHz左右。Anandtech稱根據(jù)MIPS的最新表態(tài)，1.2GHz的典型運(yùn)行頻率是在臺(tái)積電40nm工藝的最差情況下取得。如采用同樣的28nm HP/G制程，proAptiv與Cortex-A15的極限頻率相當(dāng)，均為2.0-2.5GHz。

　　interAptiv與microAptiv架構(gòu)總覽

　　interAptiv產(chǎn)品家族最大的特點(diǎn)是支持超線程——目前ARM還沒有一款產(chǎn)品引入超線程技術(shù)。隨著采用Intel Medfield Atom產(chǎn)品的智能設(shè)備上市，引入超線程技術(shù)對(duì)于目前日常使用的負(fù)載下性能的提升可謂非常有利。

　　MIPS稱3個(gè)interAptiv核心的性能表現(xiàn)類似或略微超過2個(gè)Cortex-A9/3個(gè)Cortex-A5核心，核心面積綜合三者也大致相當(dāng)。當(dāng)然MIPS著重宣傳的CoreMark測(cè)試分?jǐn)?shù)interAptiv肯定占優(yōu)勢(shì)。而interAptiv家族產(chǎn)品中CPU執(zhí)行管線為多個(gè)線程所共享，可減輕內(nèi)存訪問延遲對(duì)于性能的沖擊程度。

　　MIPS將進(jìn)程解釋為VPE（Virtual Processing Elements），interAptiv核心的流水線深度為9級(jí)，不支持亂序執(zhí)行。而支持多線程的IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)FPU為可選項(xiàng)，具體廠商/用戶可根據(jù)自己需求定制。此外DSP ASE多媒體處理引擎以及EVA擴(kuò)展尋址技術(shù)也同樣為可選模塊。節(jié)能技術(shù)部分interAptiv和proAptiv同樣應(yīng)用CPS系統(tǒng)。但與 proAptiv對(duì)比，interAptiv核心架構(gòu)的節(jié)能技術(shù)更進(jìn)一步，核心可以在低負(fù)載下完全關(guān)閉：頻率降為0并且L1指令+數(shù)據(jù)緩存可在此時(shí)智能選擇，而proAptiv只能智能選擇L1指令緩存。

　　如使用臺(tái)積電40nm G工藝制造，interAptiv產(chǎn)品家族最高頻率可達(dá)1GHz并附帶一切模塊和超線程功能，如放棄超線程功能中的硬件調(diào)度部分頻率可達(dá)1.2GHz，最后如果去掉多媒體處理引擎頻率可沖至1.5GHz。MIPS表示這些參考值為“甜點(diǎn)”頻率，此時(shí)功耗比處于最佳狀態(tài)。當(dāng)然這僅僅是授權(quán)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際產(chǎn)品如何取舍由用戶自行選擇。

　　而應(yīng)用于工業(yè)微控制領(lǐng)域最底端的microAptiv系列產(chǎn)品為此前M14k/c的“軟件優(yōu)化”版，支持microMIPS代碼壓縮。由于整合了DSP ASE引擎，信號(hào)處理可在更低成本下完成。

　　這種5級(jí)流水線的架構(gòu)核心頻率在65nm LP制程下最高可達(dá)400MHz，MIPS同時(shí)給出了和Cortex-M4的對(duì)比：

　　當(dāng)然，對(duì)比Cortex-M4多出來一堆特性面積上肯定也要更大：在90nm LP制程工藝的條件下，ARM給出的數(shù)據(jù)是Cortex-M4的面積為0.17平方毫米，而無緩存版microAptiv MCU的面積為0.42平方毫米。但MIPS對(duì)Anandtech稱上述數(shù)據(jù)非同條件對(duì)比，在90nm LP工藝面積優(yōu)化過后microAptiv只比Cortex-M4面積大0.01平方毫米。總之這點(diǎn)公說公有理婆說婆有理，不管大多少反正只要有附加特性肯定得用多余的面積來?yè)Q。

　　新的Warrior詳解：

　　MIPS Series 5系列“勇士”家族將在今年晚些時(shí)候發(fā)布，相關(guān)細(xì)節(jié)已經(jīng)分享給MIPS的主要客戶。

　　新一代MIPS處理器將提供32位、64位版本，都基于真正的MIPS32、MIPS64兼容指令集，64位核心執(zhí)行32位代碼也不需要額外的代碼，而且MIPS 64位架構(gòu)20年來積累了豐富的開發(fā)工具和應(yīng)用，生態(tài)系統(tǒng)良好，都可以無縫移植到新處理器上。ARM 64位架構(gòu)的ARMv8 Cortex-A50系列要到至少明年下半年才會(huì)登場(chǎng)，MIPS能趕在人家前邊么？（難……）

　　Series5系列延續(xù)了此前架構(gòu)中的浮點(diǎn)單元、多線程、多核心、軟件虛擬化、擴(kuò)展尋址、DSP AES r2，并且全線新增加了硬件虛擬化，并引入了Imagination的高擴(kuò)展性安全框架，可用于移動(dòng)設(shè)備內(nèi)容保護(hù)、安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、支付服務(wù)等等。

　　架構(gòu)上是所謂的“MIPS SIMD Architecture”（MSA），所基于的指令可以很輕松地支持C、OpenCL等高級(jí)語(yǔ)言，可快速、簡(jiǎn)單地開發(fā)新代碼、重新利用已有代碼。

　　Series5系列照例涵蓋高中低端和微控制器市場(chǎng)，其中追求性能的高端版本依然是超標(biāo)量亂序架構(gòu)，注重能效的主流版本則是超標(biāo)量順序架構(gòu)，嵌入式的也是順序執(zhí)行。

　　雜談與總結(jié)

　　MIPS于2010年9月發(fā)布了1074K系列處理器，直到現(xiàn)在也只有一家廠商推出了實(shí)際的產(chǎn)品。雖然有不少家簽署了IP授權(quán)協(xié)議，但基于 1074K的SoC處理器僅此一款——eSilicon去年宣布基于GlobalFoundries 28nm制程工藝的1074K產(chǎn)品流片完成，但離最終產(chǎn)品上市還至少有兩年的時(shí)間。這一點(diǎn)對(duì)于ARM也是同樣，Cortex-A15早在2011年2月就已宣布，實(shí)際產(chǎn)品上市要等到2013年初。

　　雖然高端的proAptic核心能帶來和Cortex-A15相當(dāng)?shù)男阅埽坏貌贿z憾地說MIPS的參與實(shí)在有點(diǎn)晚了，來晚的參與者如果沒有帶來性能上的優(yōu)勢(shì)那就會(huì)成為劣勢(shì)。幸運(yùn)的是，MIPS產(chǎn)品的整體功耗更低，和ARM產(chǎn)品面向的市場(chǎng)有一些不同。但更大的劣勢(shì)在于市場(chǎng)中和MIPS簽署授權(quán)協(xié)議的廠商過少，不過由于兩大巨頭高通和博通均具有授權(quán)，在這個(gè)移動(dòng)設(shè)備飛速發(fā)展的時(shí)代它們可能會(huì)利用MIPS產(chǎn)品填補(bǔ)ARM的空缺。（編者按：其實(shí)對(duì)于龍芯也同樣是一個(gè)機(jī)遇）

　　盡管Google同樣也把目光投向了MIPS，近期Android NDK更新后用新版開發(fā)工具做出的程序不會(huì)再在MIPS平臺(tái)出現(xiàn)兼容性問題而無法運(yùn)行。但夾在ARM與x86兩大陣營(yíng)之間的MIPS顯然空間并不是太大，MIPS最好的方法就是不要放棄并繼續(xù)耕耘市場(chǎng)，推出更高性能的核心和嘗試打入中低端智能手機(jī)/平板電腦市場(chǎng)就是一個(gè)好手段。幸運(yùn)的是，君正這個(gè)MIPS的合作伙伴正在不斷努力，還聯(lián)合艾諾推出了全球首款A(yù)ndroid 4.0平板電腦。

　　不管怎么說，這次發(fā)布的新proAptiv系列產(chǎn)品對(duì)于用戶還是有幾個(gè)亮點(diǎn)的，特別是在家用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和機(jī)頂盒領(lǐng)域。這些地方本來就是MIPS而非 ARM的強(qiáng)項(xiàng)，而proAptiv的不俗性能也增加了MIPS進(jìn)軍消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的底氣。此外interAptiv和microAptiv系列對(duì)比ARM的定位相當(dāng)產(chǎn)品性能具有優(yōu)勢(shì)：interAptiv具有超線程技術(shù)，microAptiv具有集成的強(qiáng)力DSP引擎。在開拓新市場(chǎng)方面兩者具有不小的優(yōu)勢(shì)。

　　預(yù)計(jì)proAptiv和interAptiv系列核心將于2012年中期開始進(jìn)入正式生產(chǎn)階段，而microAptiv現(xiàn)在就可進(jìn)行生產(chǎn)。MIPS已經(jīng)與多家廠商結(jié)成了戰(zhàn)略合作關(guān)系以推廣自家IP和技術(shù)，并推動(dòng)SoC的研發(fā)速度。我們將繼續(xù)關(guān)注基于MIPS架構(gòu)SoC處理器的進(jìn)展方向，希望其能盡快拿出實(shí)物。