Cortex-A15架構(gòu)解析：探索強勁性能的秘密

　　今年的新手機趨勢無異是全面向四核靠攏，不過同樣是四核，在實際的性能上其實是千差萬別。例如針對入門級主流市場的四核手機普遍采用的都是Cortex-A7以及 Cortex-A9 級別的CPU內(nèi)核，這類內(nèi)核性能、成本以及發(fā)熱都會較低，因此在入門市場上大行其道。

　　而在高端智能手機中則出現(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也開始走上了四核手機的舞臺，例如三星的Exynos 5 Octa、NVIDIA 的Tegra 4。

　　Cortex-A15是ARM Cortex-A家族中目前最強勁的CPU內(nèi)核架構(gòu)，發(fā)布時間為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%，動態(tài)分支預(yù)測能力更強（采用了多層級分支表緩存），指令拾取帶寬更強（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浮點單元設(shè)計，能執(zhí)行FMA指令以及硬件除法指令，相較而言A9的峰值向量浮點性能基本上只有A15的一半。

　　不過在現(xiàn)實中，A15 的對手應(yīng)該是高通自行設(shè)計的 ARMv7A 兼容處理器架構(gòu) Krait。高通對 Krait 的架構(gòu)細節(jié)透露并不是很多，大致上就是 3 個指令解碼端口（和 A15 一樣）、7個指令發(fā)射端口（A15 是8個）、4個發(fā)射端口（A15 是8個），具備4KB+4KB的單周期時延L0 Cache設(shè)計。

　　如果采用老掉牙的Dhrystone DMIPS/MHz作為性能衡量指標，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的對手。

　　不過Dhrystone的缺點是顯而易見，它是完全可以塞進CPU的L1 cache里執(zhí)行，這就意味著無法以此對L2 cache（A15是一體化設(shè)計，Krait是分離式設(shè)計，一體化設(shè)計可以減少內(nèi)存交換導(dǎo)致的大量時延）、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)別對實際性能的影響作出有價值評估。

　　當然，ARM采用的DMIPS指標實際上并非28年前的那個Dhrystone，而是來自EEBMC Coremark（其實 Coremark 就是前者的改善版本，主要是為了減少預(yù)優(yōu)化、對測試有比較嚴格的規(guī)則），但是CoreMark同樣可以塞進現(xiàn)今大多數(shù)處理器的L1 cache里，Dhrystone不能反映現(xiàn)今移動設(shè)備真實應(yīng)用的問題在這里依然存在。

　　由于應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜，要正確評估一個移動設(shè)備處理器的性能變得越來越復(fù)雜，因為現(xiàn)在的移動設(shè)備跑的網(wǎng)頁瀏覽、三維游戲、音視頻、人工智能等都不可能可以完全塞進L1 Cache里，因為這些應(yīng)用牽涉到大量的數(shù)據(jù)處理。

　　這時候，人們在臺式機性能評估上學(xué)到的經(jīng)驗和測試辦法就可以在移動設(shè)備上采用了。對CPU測試來說，最合理的測試方式是采用多種計算規(guī)模的真實應(yīng)用源代碼以本機代碼進行編譯再進行測試，在這樣的情況下移動設(shè)備的計算單元、內(nèi)存單元都得以充分考驗，測試結(jié)果最具參考價值。

　　能夠獲得業(yè)界（計算機工業(yè)、學(xué)術(shù)科研）官方認可的CPU測試當屬SPEC.org的SPEC CPU，它就是采用源代碼方式，讓測試人員可以編譯為本機代碼來測試，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估指標。

　　SPEC CPU的最新版本為CPU2006，但是CPU2006針對的是當前的臺式機、工作站、服務(wù)器處理器應(yīng)用環(huán)境，內(nèi)存容量（CPU2006 支持多線程測試，因此要求的內(nèi)存容量相當高，8線程處理器用16 GB內(nèi)存也是有點勉強）和自身存儲空間（未編譯時就要數(shù)GB空間，編譯后就要占用1xGB了）要求都較高，因此采用CPU2006對目前的移動設(shè)備來說是不太現(xiàn)實的。

　　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)性能測試完全可以在1GB級別的移動設(shè)備上運行，在以前甚至有一些 CPU2000的測試被移植到GPU上做加速性能測試。

　　ARM陣營極少公布SPEC CPU測試結(jié)果，這當然也是有原因的，因為在過去的不少時間里，ARM針對的設(shè)備大都只有幾百兆內(nèi)存空間，塞進操作系統(tǒng)后，留給程序運行的空間就更少，此外由于省電先決的考量ARM處理器的性能其實真的不怎么樣。

　　不過有意思的是，今年ARM陣營里的NVIDIA在發(fā)布Tegra 4的時候公布了CPU2000INT的測試結(jié)果：在1.9GHz 頻率設(shè)定的NVIDIA參考平臺里，Tegra 4的SPEC PU2000int_base 為1168。這個測試結(jié)果相當于2003年第四季度 SPEC.org 上公布的AMD K8 Sledgehammer 2GHz測試結(jié)果。

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

　　從圖表來看，S600的CPUINT2000_base測試結(jié)果相當于Tegra 4的一半不到，這在很大程度上反映了Cortex-A15相對Krait系處理器的真實應(yīng)用差別。

　　需要指出的是，雙方的測試平臺本身也是有一些影響的，例如小米手機2執(zhí)行這個測試的時候，CPU頻率是否存在降頻現(xiàn)象，NVIDIA對此沒有說明。

　　一般來說，像APQ8064在四核全速運行的時候，會在一段時間內(nèi)由于過熱而導(dǎo)致頻率從最高的1.7GHz開始下降。當然，NVIDIA在這里公布的是speed模式下的CPU2000INT測試結(jié)果，這個模式下是單線程的測試，只有一個CPU內(nèi)核會被使用。

　　比較遺憾的是高通對這個測試結(jié)果尚未提出異議（據(jù)說高通對于處理器性能的孰高孰低并不十分看重，他們戲稱是賣基帶送CPU），而CPU2000的配置對一般人來說是相當復(fù)雜的事情，所以這個測試暫時沒有第三方使用同樣的平臺測試佐證。

　　威盛電子在發(fā)布Nano X2處理器的時候曾經(jīng)公布過一份文件，里面也有采用CPU2000對Nano X2 1.2+GHz和Atom D525進行測試，其中g(shù)cc編譯器出來的CPU2000 INT成績分別為799和582，采用Intel編譯器出來的成績分別是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新近收購的PGI是一家老牌編譯器廠商，也許它能提供內(nèi)部測試版給 NVIDIA，只是PGI過往從未發(fā)布過ARM系編譯器。

　　到這里，大家應(yīng)該對Cortex-A15的架構(gòu)特點以及和它的一些競爭對手在性能上的區(qū)別有大致的了解，不過這樣的旗艦級處理器在智能設(shè)備的實際應(yīng)用情況又如何呢？