Cortex-A15架構(gòu)解析：它為什么這么強(qiáng)

Cortex-A15架構(gòu)解析：它為什么這么強(qiáng),今年的新手機(jī)趨勢(shì)無(wú)異是全面向四核靠攏，不過(guò)同樣是四核，在實(shí)際的性能上其實(shí)是千差萬(wàn)別。例如針對(duì)入門(mén)級(jí)主流市場(chǎng)的四核手機(jī)普遍采用的都是Cortex-A7以及Cortex-A9級(jí)別的CPU內(nèi)核，這類(lèi)內(nèi)核性能、成本以及發(fā)熱都會(huì)

今年的新手機(jī)趨勢(shì)無(wú)異是全面向四核靠攏，不過(guò)同樣是四核，在實(shí)際的性能上其實(shí)是千差萬(wàn)別。例如針對(duì)入門(mén)級(jí)主流市場(chǎng)的四核手機(jī)普遍采用的都是Cortex-A7以及 Cortex-A9 級(jí)別的CPU內(nèi)核，這類(lèi)內(nèi)核性能、成本以及發(fā)熱都會(huì)較低，因此在入門(mén)市場(chǎng)上大行其道。

而在高端智能手機(jī)中則出現(xiàn)了一些新的變化，除了去年就已經(jīng)嶄露頭角的高通Krait系列架構(gòu)四核外，ARM正統(tǒng)的Cortex-A15也開(kāi)始走上了四核手機(jī)的舞臺(tái)，例如三星的Exynos 5 Octa、NVIDIA 的Tegra 4。

Cortex-A15是ARM Cortex-A家族中目前最強(qiáng)勁的CPU內(nèi)核架構(gòu)，發(fā)布時(shí)間為2010年，德州儀器是最早(2011年)投產(chǎn)基于該架構(gòu)處理器(型號(hào)為OMAP 5)的授權(quán)廠商。

和ARM的Cortex-A7、Cortex-A9等微架構(gòu)相比，Cortex-A15有很大的不同。

A15和A9同樣具備亂序執(zhí)行，但是Cortex-A15具備(兩倍)的指令發(fā)射端口和執(zhí)行資源，指令解碼能力也要高出50%，動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)能力更強(qiáng)(采用了多層級(jí)分支表緩存)，指令拾取帶寬更強(qiáng)(128 bit vs 64 bit)，這些都能讓A15的流水線執(zhí)行具備更高的效率。除此以外，A15采用了VFPv4浮點(diǎn)單元設(shè)計(jì)，能執(zhí)行FMA指令以及硬件除法指令，相較而言A9的峰值向量浮點(diǎn)性能基本上只有A15的一半。

不過(guò)在現(xiàn)實(shí)中，A15 的對(duì)手應(yīng)該是高通自行設(shè)計(jì)的 ARMv7A 兼容處理器架構(gòu) Krait。高通對(duì) Krait 的架構(gòu)細(xì)節(jié)透露并不是很多，大致上就是 3 個(gè)指令解碼端口(和 A15 一樣)、7個(gè)指令發(fā)射端口(A15 是8個(gè))、4個(gè)發(fā)射端口(A15 是8個(gè))，具備4KB+4KB的單周期時(shí)延L0 Cache設(shè)計(jì)。

如果采用老掉牙的Dhrystone DMIPS/MHz作為性能衡量指標(biāo)，Krait 是3.3，A9 是2.5，而A15則是3.5，從紙面上看Krait的確非常適合作為A15的對(duì)手。

不過(guò)Dhrystone的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)，它是完全可以塞進(jìn)CPU的L1 cache里執(zhí)行，這就意味著無(wú)法以此對(duì)L2 cache(A15是一體化設(shè)計(jì)，Krait是分離式設(shè)計(jì)，一體化設(shè)計(jì)可以減少內(nèi)存交換導(dǎo)致的大量時(shí)延)、亂序執(zhí)行的硬件效率/復(fù)雜性、內(nèi)存子系統(tǒng)單元(A15的內(nèi)存單元可以實(shí)現(xiàn)在一定條件下預(yù)執(zhí)行一條加載指令，而Krait能否具備這樣的能力尚不清楚)等諸多體系架構(gòu)區(qū)別對(duì)實(shí)際性能的影響作出有價(jià)值評(píng)估。

當(dāng)然，ARM采用的DMIPS指標(biāo)實(shí)際上并非28年前的那個(gè)Dhrystone，而是來(lái)自EEBMC Coremark(其實(shí) Coremark 就是前者的改善版本，主要是為了減少預(yù)優(yōu)化、對(duì)測(cè)試有比較嚴(yán)格的規(guī)則)，但是CoreMark同樣可以塞進(jìn)現(xiàn)今大多數(shù)處理器的L1 cache里，Dhrystone不能反映現(xiàn)今移動(dòng)設(shè)備真實(shí)應(yīng)用的問(wèn)題在這里依然存在。

由于應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜，要正確評(píng)估一個(gè)移動(dòng)設(shè)備處理器的性能變得越來(lái)越復(fù)雜，因?yàn)楝F(xiàn)在的移動(dòng)設(shè)備跑的網(wǎng)頁(yè)瀏覽、三維游戲、音視頻、人工智能等都不可能可以完全塞進(jìn)L1 Cache里，因?yàn)檫@些應(yīng)用牽涉到大量的數(shù)據(jù)處理。

這時(shí)候，人們?cè)谂_(tái)式機(jī)性能評(píng)估上學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試辦法就可以在移動(dòng)設(shè)備上采用了。對(duì)CPU測(cè)試來(lái)說(shuō)，最合理的測(cè)試方式是采用多種計(jì)算規(guī)模的真實(shí)應(yīng)用源代碼以本機(jī)代碼進(jìn)行編譯再進(jìn)行測(cè)試，在這樣的情況下移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算單元、內(nèi)存單元都得以充分考驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果最具參考價(jià)值。

能夠獲得業(yè)界(計(jì)算機(jī)工業(yè)、學(xué)術(shù)科研)官方認(rèn)可的CPU測(cè)試當(dāng)屬SPEC.org的SPEC CPU，它就是采用源代碼方式，讓測(cè)試人員可以編譯為本機(jī)代碼來(lái)測(cè)試，許多處理器在研發(fā)伊始就采用SPEC CPU作為最重要的性能評(píng)估指標(biāo)。

SPEC CPU的最新版本為CPU2006，但是CPU2006針對(duì)的是當(dāng)前的臺(tái)式機(jī)、工作站、服務(wù)器處理器應(yīng)用環(huán)境，內(nèi)存容量(CPU2006 支持多線程測(cè)試，因此要求的內(nèi)存容量相當(dāng)高，8線程處理器用16 GB內(nèi)存也是有點(diǎn)勉強(qiáng))和自身存儲(chǔ)空間(未編譯時(shí)就要數(shù)GB空間，編譯后就要占用1xGB了)要求都較高，因此采用CPU2006對(duì)目前的移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)是不太現(xiàn)實(shí)的。

SPEC CPU是每隔幾年就更新一次，在CPU2006之前的舊版本為CPU2000，它的speed整數(shù)性能測(cè)試完全可以在1GB級(jí)別的移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行，在以前甚至有一些 CPU2000的測(cè)試被移植到GPU上做加速性能測(cè)試。

ARM陣營(yíng)極少公布SPEC CPU測(cè)試結(jié)果，這當(dāng)然也是有原因的，因?yàn)樵谶^(guò)去的不少時(shí)間里，ARM針對(duì)的設(shè)備大都只有幾百兆內(nèi)存空間，塞進(jìn)操作系統(tǒng)后，留給程序運(yùn)行的空間就更少，此外由于省電先決的考量ARM處理器的性能其實(shí)真的不怎么樣。

不過(guò)有意思的是，今年ARM陣營(yíng)里的NVIDIA在發(fā)布Tegra 4的時(shí)候公布了CPU2000INT的測(cè)試結(jié)果：在1.9GHz 頻率設(shè)定的NVIDIA參考平臺(tái)里，Tegra 4的SPEC PU2000int_base 為1168。這個(gè)測(cè)試結(jié)果相當(dāng)于2003年第四季度 SPEC.org 上公布的AMD K8 Sledgehammer 2GHz測(cè)試結(jié)果。

NVIDIA還進(jìn)行了在小米手機(jī)2(采用高通 Snapdragon S4 Pro 即 APQ8064 1.7GHz)上的CPU2000測(cè)試，并且根據(jù)高通公布的S800相對(duì)S600在IPC(每周期指令)和頻率上的變化幅度而估算出來(lái)的S800的CPU2000測(cè)試結(jié)果：

從圖表來(lái)看，S600的CPUINT2000_base測(cè)試結(jié)果相當(dāng)于Tegra 4的一半不到，這在很大程度上反映了Cortex-A15相對(duì)Krait系處理器的真實(shí)應(yīng)用差別。

需要指出的是，雙方的測(cè)試平臺(tái)本身也是有一些影響的，例如小米手機(jī)2執(zhí)行這個(gè)測(cè)試的時(shí)候，CPU頻率是否存在降頻現(xiàn)象，NVIDIA對(duì)此沒(méi)有說(shuō)明。

一般來(lái)說(shuō)，像APQ8064在四核全速運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)由于過(guò)熱而導(dǎo)致頻率從最高的1.7GHz開(kāi)始下降。當(dāng)然，NVIDIA在這里公布的是speed模式下的CPU2000INT測(cè)試結(jié)果，這個(gè)模式下是單線程的測(cè)試，只有一個(gè)CPU內(nèi)核會(huì)被使用。

比較遺憾的是高通對(duì)這個(gè)測(cè)試結(jié)果尚未提出異議(據(jù)說(shuō)高通對(duì)于處理器性能的孰高孰低并不十分看重，他們戲稱(chēng)是賣(mài)基帶送CPU)，而CPU2000的配置對(duì)一般人來(lái)說(shuō)是相當(dāng)復(fù)雜的事情，所以這個(gè)測(cè)試暫時(shí)沒(méi)有第三方使用同樣的平臺(tái)測(cè)試佐證。

威盛電子在發(fā)布Nano X2處理器的時(shí)候曾經(jīng)公布過(guò)一份文件，里面也有采用CPU2000對(duì)Nano X2 1.2+GHz和Atom D525進(jìn)行測(cè)試，其中g(shù)cc編譯器出來(lái)的CPU2000 INT成績(jī)分別為799和582，采用Intel編譯器出來(lái)的成績(jī)分別是955和725。

NVIDIA的Tegra 4的CPU屬于ARMv7A指令集，因此編譯器很可能是armcc或者gcc，NVIDIA新近收購(gòu)的PGI是一家老牌編譯器廠商，也許它能提供內(nèi)部測(cè)試版給 NVIDIA，只是PGI過(guò)往從未發(fā)布過(guò)ARM系編譯器。