Arm微架構(gòu)分析系列—Arm的X計劃

1. 引言

前文介紹了Arm公司近幾年在移動處理器市場推出的Cortex-A系列處理器。Cortex-A系列處理器每年迭代，性能和能效不斷提升，是一款非常成功的產(chǎn)品。但是，Arm并不滿足于Cortex-A系列每年的架構(gòu)小幅度升級，又推出了X計劃，也就是Cortex-X產(chǎn)品線。Cortex-X系列處理器采用了激進(jìn)的架構(gòu)設(shè)計，大幅度提升移動處理器的性能（俗稱超級大核），本文將重點介紹Arm的Cortex-X系列產(chǎn)品。

2. X計劃起源

Cortex-X計劃起源可以追溯到2016年，當(dāng)時Arm推出了一個新的客戶Licence叫做“Build on Cortex”，允許用戶請Arm基于Cortex核心做一些定制優(yōu)化，如可以增加或者減少Cache數(shù)量等，客戶如高通公司一直是該計劃的使用方，用于開發(fā)和迭代每年的Kyro系列處理器。到了2020年，Arm公司正式宣布推出Cortex-X這一全新的高性能處理器設(shè)計計劃。Cortex-X計劃的目標(biāo)是為高端移動平臺、云服務(wù)場景、邊緣計算和高性能計算設(shè)備提供更快、更強(qiáng)大的處理器核心。

Cortex-X系列定制處理器計劃，相比2016年的定制方案要更加深入，Cortex-X系列處理器的目標(biāo)是給用戶提供足夠強(qiáng)大性能的核心，在此計劃下芯片廠商可以早期參與Arm的Cortex處理器架構(gòu)設(shè)計，并基于 Cortex-X 核心進(jìn)行定制優(yōu)化，以適應(yīng)自己的產(chǎn)品需求。但是從產(chǎn)品的表現(xiàn)看，由于Arm每年都在迭代Cortex-X系列處理器（2023，第四年，預(yù)計會更新Cortex-X4），迭代速度和周期都非?？?，芯片廠商并沒有針對X系列處理器特殊定制微架構(gòu)，而是通過搭配不同尺寸的緩存，設(shè)計出面向不同價位段的產(chǎn)品。

Cortex-X系列的出現(xiàn)，和市場競爭日益激烈，芯片廠商有較強(qiáng)需求相關(guān)。市場上，蘋果公司堅持自己研發(fā)A系列處理器， 蘋果的A系列處理器是專為iPhone和iPad設(shè)備設(shè)計的自研處理器，基于Arm指令集，蘋果自己設(shè)計并優(yōu)化了微架構(gòu)。從2010年推出的A4處理器開始推出第一款量產(chǎn)產(chǎn)品，當(dāng)前蘋果A系列處理器已發(fā)展到A16（2022年）。A系列處理器一直采用較為激進(jìn)的微架構(gòu)設(shè)計，通過強(qiáng)大的計算能力領(lǐng)先行業(yè)。最新A16還是保持Armv8指令集，沒有升級到Armv9指令集，最后我們會簡單對比下Cortex-X系列和蘋果的A系列處理器的差異。

2017年至2022年的Arm系列處理器

3. Cortex-X1：第一代Cortex-X處理器

2020年5月，Arm發(fā)布了基于Armv8.2架構(gòu)的最后一款處理器Cortex-A78，同時還發(fā)布了一顆性能更強(qiáng)大的Cortex-X1處理器。Cortex-X1 處理器比之前的 Cortex-A77 提升了 30% 的性能，由于采用大緩存的設(shè)計架構(gòu)，還提升了 23% 的芯片能效。簡單總結(jié)下，X1提供了更強(qiáng)的性能，整體更優(yōu)秀的能效，但是極限功耗高于Cortex-A78。

Cortex-X1性能強(qiáng)大，能效有明顯改善，但是由于增大了緩存和處理單元，使得芯片的整體面積增大不少，廠商往往出于成本考慮，一般在處理器中只會放置一顆Cortex-X系列處理器來提升單線程的峰值性能。從Cortex-X1出現(xiàn)后，市場上的旗艦處理器架構(gòu)發(fā)生了變化，逐步從4+4架構(gòu)，演變成有一個超級大核心的1+3+4架構(gòu)。

下圖是一個典型示意圖，在5nm工藝下如果僅升級到A78，性能提升20%，面積可以減少15%；在5nm工藝下升級到1個X1+3個A78，L3增大，峰值性能可以提升30%，但是面積要增加15%，一來一回差異30%芯片面積，這樣看來，旗艦芯片要漲價也情有可原了。

我們看一下Cortex-X1的微架構(gòu)細(xì)節(jié)，相比A78，Cortex-X1具體有以下提升：

1、BPU分枝預(yù)測單元的L0 BTB從64提升到96，增加50%；

2、前端Decode從4路提升到5路；

3、MOP通路從6路提升到8路；

4、MOP Cache從1.5K提升到3K，增大一倍；

5、ROB緩沖從160（推測）提升到224（參考，AMD的Zen2處理器的ROB是224）；

6、L1L2L3都較大，分別是64KB起、256KB起、最多8MB；

7、執(zhí)行單元整數(shù)和存儲部分變化不大，浮點單元相比A78提供了2倍的NEON單元，可以同時提供4個128bit運(yùn)算能力；

8、存儲單元通路雖然沒有變化，但是其LoadStore的緩沖數(shù)量增加了33%。

下面用一張表格列舉了一些微架構(gòu)的核心變化：

第一代的Cortex-X1還是使用的Armv8.2的指令集，并沒有升級到Armv9，似乎Arm覺得要在2021年同時發(fā)布Armv9和全新的Cortex-A、Cortex-X系列壓力有點大，所以提前將Cortex-X1的發(fā)布放在了2020年。

可惜，Cortex-X1的命運(yùn)可謂生不逢時，2020年采用Cortex-X1的典型旗艦處理器有三星的Exynos 2100和高通的Snapdragon 888，這兩款處理器都搭載了三星的5nm工藝（5LPE），這一次三星工藝翻車了，架構(gòu)的提升得不到工藝的補(bǔ)償，導(dǎo)致這兩款處理器的性能和功耗的表現(xiàn)都不是很好。目前（2023年）市面上還活躍著不少采用A78處理器架構(gòu)的芯片，如MTK的天璣8100、8200等處理器，但是已經(jīng)鮮少看到搭載Cortex-X1處理器的芯片了。

4. Cortex-X2：第二代Cortex-X處理器

2021年5月，Arm的Cortex-X2系列處理器如期而至。這一次，Cortex-X2正式升級到了Armv9新架構(gòu)，搭載了SVE2指令集，并且只支持運(yùn)行64bit軟件。還記得A710的產(chǎn)品代號叫做Matterhorn么？這一代Arm為了更好的記憶產(chǎn)品代號，將Cortex-X2處理器的產(chǎn)品代號命名為Matterhorn-ELP，后續(xù)Cortex-X系列應(yīng)該也是基于同期Cortex-A系列的產(chǎn)品代號，增加ELP后綴，ELP的全稱是Enhanced Lead Partner的意思。

第一代的Cortex-X1由于搭配工藝的原因?qū)е抡w不佳的表現(xiàn)并沒有掩埋Cortex-X系列微架構(gòu)的成功，Arm計劃將Cortex-X系列發(fā)揚(yáng)光大，后續(xù)我們看到的也是每年一更新的快速迭代節(jié)奏。如此快速的更新節(jié)奏，芯片廠商也很難深度定制，后續(xù)各大廠商發(fā)布的幾款采用Cortex-X系列處理器的產(chǎn)品，還是采用了Arm的公版架構(gòu)，基于產(chǎn)品的價位段，在Cache容量上做一些差異化的配置。

從上圖中可見，Arm對于兩個系列的策略有所不同，Cortex-A系列主打均衡能效并小幅度改善性能 ，Cortex-X2相比Cortex-X1在性能上有更明顯的提升，進(jìn)一步拉開了A系列和X系列的性能差距，由此可見Cortex-X系列的目標(biāo)是推進(jìn)Arm核心架構(gòu)的算力提升和突破。

從互聯(lián)網(wǎng)上可以找到Cortex-X2的微架構(gòu)框圖，我們可以此對比Cortex-X2和Cortex-X1的微架構(gòu)差異，并分析影響性能提升的因素。Cortex-X2相比Cortex-X1，在微架構(gòu)上有以下變化：

1、將分支預(yù)測和Fetch解耦，提升并行度；

2、指令流水線從11級減少到10級，dispatch從2個時鐘周期減少到1個時鐘周期；

3、ROB緩沖從224提升到288，提升了30%；

4、支持SVE2 SIMD指令集；

5、ML能力支持Bfloat16；

6、取消了Aarch32支持；

7、LoadStore結(jié)構(gòu)體緩沖提升33%；

8、d-TLB從40提升到48，提升了20%；

再來看看具體性能數(shù)據(jù)，Arm宣稱Cortex-X2相比Cortex-X1在整數(shù)性能上提升了16%，在ML能力上提升了2倍。回顧一下A710，Arm宣稱的數(shù)據(jù)是相比A78提升了10%的整數(shù)性能。從能效曲線上看，Cortex-X2的最大性能和功耗都有增加，能效在低頻率區(qū)間和Cortex-X1差異不大，在中高頻率區(qū)間相比Cortex-X1有改善。由于極限功耗持續(xù)增加，對于散熱能力和發(fā)熱策略改善提出了更大的訴求和壓力。

2021年，第一代搭載了Cortex-X2的處理器高通8Gen1，由于采用了三星4nm LPX工藝，性能功耗的表現(xiàn)不是很理想，后續(xù)高通將工藝切換到臺積電4nm工藝，在2022年推出了同樣設(shè)計的8+Gen1處理器，宣稱CPU功耗降低了30%，這才發(fā)揮出了Cortex-X2的實力，目前有多部熱門手機(jī)搭載，當(dāng)前也是Cortex-X系列產(chǎn)品中賣的最好一代。

5. Cortex-X3：第三代Cortex-X處理器

2022年6月，市場上還在關(guān)注升級新工藝的Cortex-X2系列處理器產(chǎn)品時，Arm發(fā)布了當(dāng)年的新品Cortex-X3，Cortex-X3的代號是Makalu-ELP，和同期Coretex-A715的代號Makalu保持一致。2021年的Cortex-X2肩負(fù)著升級Armv9指令集的任務(wù)，在微架構(gòu)上的修改上相比第一代并不是很多。新一代的Cortex-X3在微架構(gòu)上的升級和變化要更多一些，后續(xù)我們會詳細(xì)分析。性能上，Arm宣稱Cortex-X3在性能相比上一代IPC提升11%，綜合性能有22%的提升（包含工藝的提升）。

從Cortex-X2開始，X系列處理器就不再支持32bit應(yīng)用，這一代Arm繼續(xù)針對64bit進(jìn)行微架構(gòu)的優(yōu)化，通過剔除和優(yōu)化一些陳舊的32bit兼容設(shè)計，進(jìn)一步提升64bit應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。

下面我們具體看一下Cortex-X3微架構(gòu)相比上一代的變化：

1、MOP Cache尺寸變化。隨著半導(dǎo)體工藝的持續(xù)演進(jìn)，接下來的3nm新工藝將繼續(xù)縮小半導(dǎo)體器件的尺寸，但是，在半導(dǎo)體中SRAM的尺寸并沒有隨器件尺寸縮小而同步縮小。如何減少SRAM的占用，是對先進(jìn)工藝設(shè)計提出的一個考驗。在Cortex-X3的前端設(shè)計中，Arm將L0的MOP Cacha的SRAM從上一代的3K減少到1.5K，推測也是為了減少未來在先進(jìn)工藝中SRAM的占比。同時，Arm提出通過優(yōu)化Cache的填充算法，來做到盡量不影響性能。記得MOP Cache在A77引入時就有討論過，1.5K的容量就可以達(dá)到85%的命中率，增加容量帶來的邊際效益也增加，所以增大Cache帶來的效果提升會越來越小，所以這次Arm將Cortex-X3的MOP Cache降低到1.5K（同期的A715則是取消了MOP Cache）。

2、Fetch-decode通路從5路提升到6路，F(xiàn)etch能力提升了20%；

3、在ROB重排序緩沖區(qū)上，上一代Cortex-X2是228個，Cortex-X3繼續(xù)提升11%，達(dá)到了320 entries；

4、Arm繼續(xù)提升Cortex-X3的分支預(yù)測能力，L1 BTB從64提升到96，L2 BTB從16384提升到24576。分支預(yù)測單元通過解耦合設(shè)計，和Fetch形成兩條核心指令通路，大幅提升同步執(zhí)行效率，一旦發(fā)生了分支錯誤，可以快速從BTB緩沖中拿到需要的指令，進(jìn)行快速切換。通過這些優(yōu)化，Arm宣稱平均分支預(yù)測延遲周期數(shù)減少了12.2%，整體執(zhí)行流程中Stall占比降低了3%；

5、在分支預(yù)測模塊上持續(xù)優(yōu)化，Cortex-x3中為indirect branches新增了一個獨立預(yù)測單元，并提升了conditional branches的準(zhǔn)確率，Arm宣稱平均的分支預(yù)測錯誤率可以降低6.1%；

6、流水線的優(yōu)化，Cortex-X3繼續(xù)優(yōu)化了流水線，從10級優(yōu)化到9級，主要是優(yōu)化了MOP Cache的讀取周期；

7、執(zhí)行單元上，這次Cortex-X3大幅度提升了整型ALU的數(shù)量，從4個提升到6個，是一個比較大的變化，整體從2個branch+2個ALU變化為2個branch+4個ALU，主要是提升了整型性能；

8、訪存單元上，因為提升了ALU的數(shù)量，相應(yīng)的整型讀取帶寬也從24提升到了32，并且增加了兩個額外的數(shù)據(jù)預(yù)取模塊。

上面是Cortex-X3的微架構(gòu)框圖，我們把X1至X3放在同一張表中對比：

6、Cortex-X3和蘋果處理器的對比

Cortex-X系列處理器通過三代的迭代，不斷升級微架構(gòu)提升性能，其單核心有明顯提升，已經(jīng)在拉近蘋果A系列處理器和Intel臺式機(jī)處理器的差距。圖中對比了不同處理器的單核心的性能，可以看到Cortex-X3相比Cortex-X2有進(jìn)一步的提升，距蘋果的A15處理器還有一些差距。目前我還沒有找到蘋果A15處理器的微架構(gòu)，但是有找到2020年A14處理器大核心（Firestorm）的微架構(gòu)，下面通過表格做了一個對比。

從Cortex-X系列和蘋果A14的對比可以看出，蘋果在設(shè)計A系列處理器時對于微架構(gòu)的調(diào)整更加激進(jìn)，采用了更大的L1、L2緩存，Decoder數(shù)量更多，而ROB緩沖的尺寸幾乎是Cortex-X系列的一倍，這也對于指令重排序的效率和算法優(yōu)化能力提出了更高的要求。

雖然Cortex-X系列每年迭代，相比蘋果的A系列激進(jìn)的設(shè)計，目前還存在一定的差距。但是隨著Cortex-X系列處理器的每年迭代更新，我們也希望看到在微架構(gòu)能力上打平甚至超過競品的那一天。

由于蘋果在A系列處理器采用大緩存大尺寸設(shè)計，在智能手機(jī)產(chǎn)品中一般是放置兩顆大核心，采用2+4的架構(gòu)。采用Cortex-X系列處理器的安卓手機(jī)，一般采用八核心的架構(gòu)，例如最新的高通8Gen2處理器，采用1個Cortex-X3+2個A715+2個A710+3個A510的組合架構(gòu)，提供了5個大核心的算力，在多核心算力上相比6核心有多2個核心的優(yōu)勢，一定程度上彌補(bǔ)了多核心的差距。

7、總結(jié)和對Cortex-X4處理器的期望

距2023年中Arm發(fā)布Cortex-X4處理器的時間不遠(yuǎn)了，下一代的Cortex-X4處理器的代號叫做Hunter-ELP，期望這一代的“獵人”能給我們帶來更多的驚喜，新的架構(gòu)改了什么地方，有多少性能提升，我也會第一時間關(guān)注和分享。

Arm公司通過三年時間迭代Cortex-X系列處理器，每年的性能上都有兩位數(shù)的提升，切實讓消費者使用上了更快更強(qiáng)的處理器和產(chǎn)品，這半年來，采用Cortex-X2和Cortex-X3系列架構(gòu)的高通8+Gen1、8Gen2、MTK的天璣9200等處理器的市場口碑都很不錯。

此外，高通的8Gen2處理器還第一次打破了傳統(tǒng)4顆大核心的架構(gòu)，提供了1+4+3的5顆大核心配置組合。期望未來的產(chǎn)品不但可以看到Arm的最新架構(gòu)，而且可以看到更多有意思的CPU核心架構(gòu)組合，如果可以在一個處理器中放置多顆Cortex-X核心，相信基于Cortex-X系列的Arm處理器也可以挑戰(zhàn)蘋果 A系列處理器綜合性能。