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[小科普]ARM處理器都有哪些CPU核心?
作者:華和技術 點擊量: 發布時間:2017-01-17

半導體業有這樣第一家公司,他們的處理器每年出貨上百億顆,我們每天都在用的智能手機都有它的功勞,但這家公司從中賺的錢并不多,這個“雷鋒叔叔”就是英國ARM(中文名是安謀國際)公司,他們的ARM處理器在全球范圍內支撐了各種嵌入式設備、智能手機、平板、智能手環/手表等產品運行,自己一年的營收不過10億英鎊而已,絕對是薄利多銷,造福全人類。

▲ARM處理器在移動領域占據絕大多數份額
對于ARM公司,我們天天在用他們的產品,不過大部分人對這家公司并不了解,它遠不如高通、蘋果、聯發科、三星這些廠商那般耳熟能詳,今天我們主要介紹ARM公司推出的Cortex-A系列處理器核心,這是智能手機、平板中的移動SoC處理器的基礎,它每一代的進步都影響著用戶體驗。

ARM公司主營的產品類型
嚴格來說ARM公司并不是單一的處理器公司,他們還有各種系統IP、物理IP、GPU、視頻、顯示等各種產品。當然,處理器顯然是最重要也是營收最多的業務了,這其中又可以分為面向開放系統的Cortex-A、面向嵌入式系統的Cortex-R以及面向各種微控制器的Cortex-M系列,另外還有面向支付、電子政府、SIM卡等安全市場的SC系列,整個處理器產品線目前的產品系列如下圖所示:

▲ARM公司處理器產品的主要系列

我們今天的內容就是Cortex-A系列處理器,成立二十多年來ARM公司已經推出過多代指令集和處理器。大多數人首次在智能手機上接觸ARM處理器還是16位的ARMv6家族ARM11處理器,這是蘋果第一代iPhone手機處理器的架構,不過現在ARM11架構在官網上已經沒有露臉機會了,我們的介紹也就從32位ARMv7家族開始。
ARM Cortex-A處理器主要型號及規格

▲ARM推出的A系列處理器主要型號及規格


目前Cortex-A系列處理器最低端的是A5,之后分別是A7、A9、A12/17、A15,還有個比較奇葩的A8,但很早被淘汰了,這些都是32位ARMv7-A指令集的,64位時代則是A53、A57、A72及最新發布的A35,基于ARMv8-A指令集。
在A7/A15時代,ARM推出了big.LITTLE架構,希望用這種這種大小搭配的組合解決處理器耗電與性能之間的矛盾,小核心主要有A7、A53及最新推出的A35這三種,他們典型的特點是順序執行架構、低流水線、低頻率設計,大核心則是A15、A17、A57及A72這幾種,這種處理器都是亂序執行架構,3發射解碼,高達15級流水線設計,運行頻率在2GHz以上,主要面向高性能處理。
big.LITTLE的理念是非常好的,但大小核之間的切換很考驗廠商的設計能力,更嚴重的是處理器廠商在具體的執行中已經偏離了大小核的初衷,現在的情況是高性能大核通常只有在跑分軟件中才會滿載,而性能較低的小核心反倒成了日常使用的主力,廠商如果協調不好二者的分配,最終的結果就是要么耗電太快,要么就是性能不佳,系統卡頓。

此外,表格中的性能是換算成每核心每MHz下的Dhrystone性能,用以衡量CPU核心性能,不過具體的性能實際上還是跟廠商的工藝、頻率掛鉤的,ARM在發布Cortex-A72架構時表示其性能是前代的3.5倍,這個實際上是用14/16nm工藝、2.5GHz的A72對比28nm、1.6GHz的A15處理器得來的,A72相對真正的取代對象A57核心的性能提升根本沒有這么多。

Cortex-A處理器架構設計圖

▲Cortex-A5架構

Cortex-A5是ARM公司目前能效最高、成本最低的32位處理器,不過為了達到如此之低的功耗它的性能也犧牲了不少,沒有L2緩存,NEON及VFP浮點指令都是可選的,用在智能手機上性能堪憂。A5在智能手機上最主要的應用還是高通的驍龍S1及后來的驍龍S4 Play,也就是MSM8625、MSM8225系列。

▲Cortex-A7架構

Cortex-A7架構在智能手機中就比較出名了,支持ARMv7-A指令集,NEON及VFP浮點單元都不缺,還可以搭配最多1MB緩存,所以A7架構直到現在也還有用,小米公司出貨量過一千萬的紅米2A用的聯芯LC1860就是四核Cortex-A7架構的。

多數情況下,A7核心還是與Cortex-A15核心組成big.LITTLE大小核架構,知名的處理器有NVIDIA的Tegra K1、海思的麒麟920/925、三星的Exynos 5420/5420、聯發科的MT8135等等。

▲Cortex-A8架構

Cortex-A8架構在Cortex-A系列處理器中最為特殊,因為其他處理器每簇核心多數都能達到4個核心(總核心數不受限制,看廠商的選擇了),但A8就只有單核心,好在A8那個時代手機處理器拼核心并沒有這么瘋狂,蘋果的一代名機iPhone 4用的處理器就是單核A8架構的。

▲Cortex-A9架構

Cortex-A9架構在手機處理器中算是最輝煌的了,它既不像A7那樣過于注重低功耗而犧牲了性能,也不像A15架構那樣追求性能(A15架構本來是ARM針對服務器市場推出的),A9的性能、功耗比較均衡,而且A9的時代正好是手機處理器從單核向雙核轉變的時間,雙核及后來的四核A9架構中出了不少代表性的處理器,包括蘋果一鳴驚人的A5/A5X、NVIDIA的Tegra 2/3、Ti公司的OMAP 4430/4460、三星的Exynos 4210、華為海思的K3V2等等,高通備受好評的Krait架構也是基于A9架構改良的。

▲Cortex-A15架構

Cortex-A15架構本來是ARM公司針對服務器市場推出的高性能核心,首次使用3發射解碼架構,還支持ECC內存,所以性能沒得說,但隨之而來的功耗也是個嚴重的問題,當時大部分使用A15+A7的big.LITTLE架構的處理器都多多少少存在發熱的問題。

▲Cortex-A17架構

說到Cortex-A17架構,它其實比前面的A8更杯具,A8雖然先天孱弱,但在當時的時代中還是發揮了光芒的,而A17明明是底子很不錯,但生不逢時。

此外,Cortex-A17實際上就是之前的Cortex-A12(內核沒變,改變了外部總線),ARM推A12架構原本是彌補A15功耗過高、A7性能太低的缺憾的,應該說是A9架構的繼任者,所以它在性能、功耗上平衡性上做的不錯。ARM之所以改名,據說是當時的中國合作伙伴認為A12這個命名不好,消費者會因為它數字比A15低而認為不如A15好(雖然性能上確實如此),不利于宣傳,ARM就跟中國廠商勸高通把MSM8974AB/AC改成驍龍801一樣妥協了,所以現在叫的是Cortex-A17架構。

本該大有作為的Cortex-A17處理器是雷聲大雨點小,除了聯發科MT6595、瑞芯微RK3288以及小米電視上用的晨星6A928等極少數產品之外應者寥寥,因為A17架構出來的太晚,還是32位指令集的它接下來直接遇到64位架構處理器的沖擊了,只能說是天時不利。

▲Cortex-A53架構

如果說A9處理器是32位時代智能手機應用的成功代表,那么Cortex-A53架構就是64位時代智能手機處理器架構的代表,它原本是ARM針對64位應用推出的低功耗架構,定位類似之前的Cortex-A7,低功耗低核心面積低成本低發熱,應該用作big.LITTLE架構中的小核心的。


不過同期推出的Cortex-A57架構同樣面臨功耗、發熱的難題,再加上廠商們在8核路線上已經不能自拔,所以大部分廠商索性全部使用A53核心做8核處理器,目前最受歡迎的聯發科Helio X10/MT6795、MT6753/6752、海思麒麟930/620、高通驍龍615/616/617等處理器都是這種架構的。

▲Cortex-A57架構

ARM在移動市場推的大核心高性能處理器都面臨了功耗、發熱失控的尷尬,64位時代的A57甚至還不如32位時代的15架構,由于28nm甚至20nm工藝都難以控制發熱,所以只有高通驍龍810、三星Exynos 5433(但閹割了64位支持)、NVIDIA的Tegra X1等少數處理器采用了四核A57架構,市場表現還算好的只有驍龍808及三星的Eynox 7420,前者是因為只用了雙核A57架構搭配4核A53,Exynos 7420雖然是真正的4核A57架構,但這主要歸功于三星的14nm工藝,如果用20nm工藝的話恐怕也不會樂觀。

▲Cortex-A72架構

A57之后ARM公司又推出了Cortex-A72架構架構,它可以說稱A57的改良版,同時也會取代A57的位置,因為A72的功耗控制、性能都要比后者更優秀一些,很多處理器直接跳過了A57架構等的就是A72架構,因為它還是針對FinFET工藝做優化的。

目前來看A72核心處理器還是新生事物,海思最近發布的麒麟950就使用了4核A72+4核A53架構,號稱是首款商用A72處理器,聯發科早前發布的MT8173處理器也是A72核心的,已經用在了亞馬遜的FireTV新品上了,后續還會有聯發科10核心的Helio X20/30處理器等。

▲Cortex-A35架構

在Techcon大會上,ARM發布了Cortex-A35架構,它是64位ARMv8家族中的最新成員,從命名上看它在64位處理器中定位最低,實際上它也不是為了取代A53的,而是取代目前還在服役的A7低功耗32位核心,1GHz頻率下功耗只有90mW,100MHz下更是低至6mW,28nm工藝下核心面積只有0.4mm2。

▲ARM處理器家族的路線圖

目前的Cortex-A系列處理器就是這些了,不過ARM已經公開了新一代處理器,Cortex-A72之后的繼任者是Artemis(月亮女神),只是代號,還沒有具體名字,規格也是一無所知,但它要等到2017年才能問世,針對的工藝是更先進的10nm FinFET。

 

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