ARM Cortex-A78、Cortex-X1、Mali-G78三種技術對比

2019年5月，ARM發(fā)布了Cortex-A77 CPU和Mali-G77 GPU架構(gòu)（準確說是IP，又稱內(nèi)核授權），剛剛量產(chǎn)的天璣1000+就是首款同時采用上述IP組合的旗艦級5G SoC。

ARM正式發(fā)布了下一代IP，由Cortex-X1、Cortex-A78和Mali-G78組成的“三劍客”，從即將在今年9月發(fā)布的麒麟1000開始，未來的5G SoC都將因它們而獲益，并有望進一步拉近與同期蘋果A系列SoC的性能差距。

那么，ARM新一代的“三劍客”都有啥特色？

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Cortex-A78：常規(guī)迭代更新

目前，驍龍865、天璣1000和Exyno 980等5G SoC都拿Cortex-A77架構(gòu)作為CPU中的“大核”，也因此獲得了強悍的運算動力。

作為Cortex-A77的接班人，Cortex-A78其實并沒有什么本質(zhì)上的變化，Cortex-A76、A77、A78都采用了相同的Austin微架構(gòu)，三代核心在設計上存在很多共性。

用ARM的話來說，就是芯片供應商（如高通、聯(lián)發(fā)科等）在構(gòu)建核心時可以非常容易地升級SoC的IP設計，不會花費太多經(jīng)歷和成本，從而縮短了開發(fā)周期。

因此，大家不要對Cortex-A78性能抱有太大期待，ARM官方數(shù)據(jù)顯示，A78相較于A77，其IPC（架構(gòu)性能）只提升了7%，功耗降低了4%，內(nèi)核小了5%，四核簇面積的縮小了15%。

還好，與Cortex-A78搭配的是最新一代的5nm制程工藝，天生就具備更好的能效比。

現(xiàn)在SoC內(nèi)單個“大核”在滿載時的功耗約為1W，此時7nm工藝生產(chǎn)的Cortex-A77可以跑到2.6GHz，而5nm工藝生產(chǎn)的Cortex-A78則可達到3GHz，相當于在相同功耗下獲得了20%的性能提升。

另一方面，在相同的性能下，5nm工藝生產(chǎn)的2.1GHz Cortex-A78功耗比7nm工藝2.3GHz的Cortex-A77降低了50%，有助于提高5G手機的續(xù)航。

說實話，ARM的這種計算方式令人頭大，不合理也不公平。如果Cortex-A77也用5nm工藝生產(chǎn)，性能也會比7nm工藝時提升不少，功耗也會明顯下降。

反之，如果用7nm工藝生產(chǎn)Cortex-A78，其性能和功耗表現(xiàn)也不見得比Cortex-A77好多少。

只是，新工藝和新架構(gòu)搭配是科技發(fā)展的趨勢也最經(jīng)濟，還利于宣傳。所以咱們也就別較真兒了。

Cortex-X1：自研的終結(jié)

從iPhone 5開始，蘋果A系列處理器就開始了“自研”之旅，而這也是為什么每一代iPhone的性能幾乎都可以領先同期Android手機圈的所有處理器。

所謂的“自研”，就是購買ARM最高級的指令集授權，然后根據(jù)自身需要開發(fā)兼容ARM的架構(gòu)，能領先ARM公版的Cortex-A架構(gòu)多少全看芯片商的技術水平。

高通曾在驍龍600/800時代采用過自研的Krait架構(gòu)，距離最新的驍龍820也是自研的Kyro。只是，高通發(fā)現(xiàn)自研架構(gòu)的能耗比很難領先公版Cortex-A架構(gòu)太多，不經(jīng)濟，所以從驍龍835開始就采取了BoC戰(zhàn)略，也就是咱們常說的“魔改”，基于現(xiàn)有的公版Cortex-A架構(gòu)進行版定制化。

華為從麒麟980開始，也采用了類似的思路，其大核也是基于Cortex-A架構(gòu)進行了“based”，同樣是一種魔改。需要注意的是，公版Cortex-A架構(gòu)可以進行“魔改”的地方并不多，大家基本都是拿緩存部分開刀，所以無論是高通還是麒麟，其魔改后的內(nèi)核與公版架構(gòu)之間的性能差異并不大，關鍵還是看主頻。

三星從Exynos 8890開始也加入到自研大軍，并推出了名為貓鼬（Mongoose）的架構(gòu)核心。但是，經(jīng)過四代自主研發(fā)后，三星在2019年底已經(jīng)決定放棄自研的Mongoose內(nèi)核，并解散了位于德州奧斯汀的整個研發(fā)團隊，未來將全面使用ARM的設計方案。

可見，除了蘋果，其他芯片商的自研之路可謂一路荊棘，費力不討好。

好消息是，ARM此次發(fā)布的“三劍客”中的Cortex-X1，其實就是一種允許芯片商在其上進行高度定制的IP內(nèi)核，可以完全取代辛苦的“自研”之路。

從ARM公布的架構(gòu)細節(jié)上來看，Cortex-X1與Cortex-A78都是ARMv8.2指令集下的，指令集是兼容的，但Cortex-X1是自定義CPU核，解碼帶寬從4路提升到5路，增加了25%，NEON浮點從2條128b提升到了4條128b，相當于浮點性能翻倍。緩存方面，Cortex-X1的L1緩存可達64KB，L2緩存1MB，L3緩存可達8MB，是Cortex-A78的兩倍。

基于以上的改進，Cortex-X1較之上一代A77，其單核性能可提升30%、AI性能更是大漲100%。

按照ARM的規(guī)劃，未來Cortex-X1將扮演旗艦級5G SoC內(nèi)的“超大核”，而Cortex-A78則屬于普通的“大核”，再與Cortex-A55構(gòu)成“1+3+4”的三叢集DynamIQ集群，以實現(xiàn)性能和功耗的完美平衡。

唯一可惜的，就是Cortex-X1內(nèi)核會占用更大的封裝面積。ARM的資料顯示，4個Cortex-A78核心在搭配4MB L3緩存時，其性能比前代A77可提升20%，同時核心面積降低15%；而1個Cortex-X1+3個Cortex-A78在搭配8MB L3緩存時，雖然核心面積會增加15%，但峰值性能提升了30%。

換句話說，Cortex-X1至少可以帶來比Cortex-A78額外的10%的性能提升，看起來也不大?。?/p>

Mali-G78：計算單元暴增

在Android領域，ARM公版的Mali系列GPU已經(jīng)一枝獨秀，昔日的老對手PowerVR已被邊緣化。而新一代Mali-G78 GPU的問世，將進一步鞏固ARM的親兒子在GPU領域的領先地位。

也許是沒有太大的競爭壓力，所以Mali-G78依舊沿用了Mali-G77采用的Valhall圖形架構(gòu)，但它對全局時鐘域進行了優(yōu)化，改為全新的兩級結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了上層共享GPU模塊與實際著色器核心頻率的分離，也就是異步時鐘域。這樣一來，GPU的核心可以工作在與其他部分不同的頻率上，可快可慢，從而解決幾何輸出與計算、紋理、引擎之間的不平衡問題，還能讓GPU運行在不同電壓上，從而降低功耗、提高能效，這也是桌面級CPU、GPU通用的做法。

此外，Mali-G78還徹底重寫了FMA(融合乘加)引擎，包括新的乘法架構(gòu)、新的加法架構(gòu)、FP32/FP16浮點，可以節(jié)省30％的功耗。

在Mali-G77時代，最多可以搭配16個計算單元，也就是Mali-G77 MC16，但受制于成本、發(fā)熱和功耗，哪怕是最激進的Exynos 990也才用了11個計算單元，即Mali-G77 MC11，天璣1000+則配備了Mali-G77 MC9。

這一次，Mali-G78最多可以武裝24個計算單元，較之前輩增加了50%。但正如上面的原因，哪怕搭配最新的5nm工藝，估計實際商用的最大規(guī)模也就是16個左右，再多手機散熱就壓不住了。

根據(jù)ARM的資料顯示，得益于綜合架構(gòu)、工藝等各方面的改進，Mali-G78相比于Mali-G77的性能提升幅度可達25%，即便是在同等工藝條件下也可提升15%， 同時能效提升10%，機器學習性能提升15%。

看起來還不錯。

此外，ARM還新推出了Mali-G68 GPU，用于填補Mali-G7系列和Mali-G5系之間的空白。從現(xiàn)有的資料來看，Mali-G68的架構(gòu)和參數(shù)和Mali-G78一模一樣，只是最多僅能搭配6個計算單元。

換句話說，搭配1~6個計算單元的Mali-G78就叫Mali-G68，超過6個計算單元的則是Mali-G77。

即將在9月份發(fā)布的麒麟1000系列應該是首發(fā)Cortex-A78和Mali-G78的5G SoC，但它能否用上Cortex-X1架構(gòu)還不得而知。而明年上市的驍龍875、天璣2000和Exyno 1000系列也將用上“三劍客”中的至少1個成員，至于它們實際性能較之現(xiàn)有的旗艦能有多少提升，就讓我們拭目以待吧。