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[小科普]ARM处理器都有哪些CPU核心?
发布人:管理员   发布时间:2016/5/28 14:31:02

半导体业有这样第一家公司,他们的处理器每年出货上百亿颗,我们每天都在用的智能手机都有它的功劳,但这家公司从中赚的钱并不多,这个“雷锋叔叔”就是英国ARM(中文名是安谋国际)公司,他们的ARM处理器在全球范围内支撑了各种嵌入式设备、智能手机、平板、智能手环/手表等产品运行,自己一年的营收不过10亿英镑而已,绝对是薄利多销,造福全人类。

▲ARM处理器在移动领域占据绝大多数份额
对于ARM公司,我们天天在用他们的产品,不过大部分人对这家公司并不了解,它远不如高通、苹果、联发科、三星这些厂商那般耳熟能详,今天我们主要介绍ARM公司推出的Cortex-A系列处理器核心,这是智能手机、平板中的移动SoC处理器的基础,它每一代的进步都影响着用户体验。


ARM公司主营的产品类型
严格来说ARM公司并不是单一的处理器公司,他们还有各种系统IP、物理IP、GPU、视频、显示等各种产品。当然,处理器显然是最重要也是营收最多的业务了,这其中又可以分为面向开放系统的Cortex-A、面向嵌入式系统的Cortex-R以及面向各种微控制器的Cortex-M系列,另外还有面向支付、电子政府、SIM卡等安全市场的SC系列,整个处理器产品线目前的产品系列如下图所示:



▲ARM公司处理器产品的主要系列

我们今天的内容就是Cortex-A系列处理器,成立二十多年来ARM公司已经推出过多代指令集和处理器。大多数人首次在智能手机上接触ARM处理器还是16位的ARMv6家族ARM11处理器,这是苹果第一代iPhone手机处理器的架构,不过现在ARM11架构在官网上已经没有露脸机会了,我们的介绍也就从32位ARMv7家族开始。
ARM Cortex-A处理器主要型号及规格



▲ARM推出的A系列处理器主要型号及规格


目前Cortex-A系列处理器最低端的是A5,之后分别是A7、A9、A12/17、A15,还有个比较奇葩的A8,但很早被淘汰了,这些都是32位ARMv7-A指令集的,64位时代则是A53、A57、A72及最新发布的A35,基于ARMv8-A指令集。
在A7/A15时代,ARM推出了big.LITTLE架构,希望用这种这种大小搭配的组合解决处理器耗电与性能之间的矛盾,小核心主要有A7、A53及最新推出的A35这三种,他们典型的特点是顺序执行架构、低流水线、低频率设计,大核心则是A15、A17、A57及A72这几种,这种处理器都是乱序执行架构,3发射解码,高达15级流水线设计,运行频率在2GHz以上,主要面向高性能处理。
big.LITTLE的理念是非常好的,但大小核之间的切换很考验厂商的设计能力,更严重的是处理器厂商在具体的执行中已经偏离了大小核的初衷,现在的情况是高性能大核通常只有在跑分软件中才会满载,而性能较低的小核心反倒成了日常使用的主力,厂商如果协调不好二者的分配,最终的结果就是要么耗电太快,要么就是性能不佳,系统卡顿。

此外,表格中的性能是换算成每核心每MHz下的Dhrystone性能,用以衡量CPU核心性能,不过具体的性能实际上还是跟厂商的工艺、频率挂钩的,ARM在发布Cortex-A72架构时表示其性能是前代的3.5倍,这个实际上是用14/16nm工艺、2.5GHz的A72对比28nm、1.6GHz的A15处理器得来的,A72相对真正的取代对象A57核心的性能提升根本没有这么多。

Cortex-A处理器架构设计图


▲Cortex-A5架构

Cortex-A5是ARM公司目前能效最高、成本最低的32位处理器,不过为了达到如此之低的功耗它的性能也牺牲了不少,没有L2缓存,NEON及VFP浮点指令都是可选的,用在智能手机上性能堪忧。A5在智能手机上最主要的应用还是高通的骁龙S1及后来的骁龙S4 Play,也就是MSM8625、MSM8225系列。


▲Cortex-A7架构

Cortex-A7架构在智能手机中就比较出名了,支持ARMv7-A指令集,NEON及VFP浮点单元都不缺,还可以搭配最多1MB缓存,所以A7架构直到现在也还有用,小米公司出货量过一千万的红米2A用的联芯LC1860就是四核Cortex-A7架构的。

多数情况下,A7核心还是与Cortex-A15核心组成big.LITTLE大小核架构,知名的处理器有NVIDIA的Tegra K1、海思的麒麟920/925、三星的Exynos 5420/5420、联发科的MT8135等等。


▲Cortex-A8架构

Cortex-A8架构在Cortex-A系列处理器中最为特殊,因为其他处理器每簇核心多数都能达到4个核心(总核心数不受限制,看厂商的选择了),但A8就只有单核心,好在A8那个时代手机处理器拼核心并没有这么疯狂,苹果的一代名机iPhone 4用的处理器就是单核A8架构的。


▲Cortex-A9架构

Cortex-A9架构在手机处理器中算是最辉煌的了,它既不像A7那样过于注重低功耗而牺牲了性能,也不像A15架构那样追求性能(A15架构本来是ARM针对服务器市场推出的),A9的性能、功耗比较均衡,而且A9的时代正好是手机处理器从单核向双核转变的时间,双核及后来的四核A9架构中出了不少代表性的处理器,包括苹果一鸣惊人的A5/A5X、NVIDIA的Tegra 2/3、Ti公司的OMAP 4430/4460、三星的Exynos 4210、华为海思的K3V2等等,高通备受好评的Krait架构也是基于A9架构改良的。


▲Cortex-A15架构

Cortex-A15架构本来是ARM公司针对服务器市场推出的高性能核心,首次使用3发射解码架构,还支持ECC内存,所以性能没得说,但随之而来的功耗也是个严重的问题,当时大部分使用A15+A7的big.LITTLE架构的处理器都多多少少存在发热的问题。


▲Cortex-A17架构

说到Cortex-A17架构,它其实比前面的A8更杯具,A8虽然先天孱弱,但在当时的时代中还是发挥了光芒的,而A17明明是底子很不错,但生不逢时。

此外,Cortex-A17实际上就是之前的Cortex-A12(内核没变,改变了外部总线),ARM推A12架构原本是弥补A15功耗过高、A7性能太低的缺憾的,应该说是A9架构的继任者,所以它在性能、功耗上平衡性上做的不错。ARM之所以改名,据说是当时的中国合作伙伴认为A12这个命名不好,消费者会因为它数字比A15低而认为不如A15好(虽然性能上确实如此),不利于宣传,ARM就跟中国厂商劝高通把MSM8974AB/AC改成骁龙801一样妥协了,所以现在叫的是Cortex-A17架构。

本该大有作为的Cortex-A17处理器是雷声大雨点小,除了联发科MT6595、瑞芯微RK3288以及小米电视上用的晨星6A928等极少数产品之外应者寥寥,因为A17架构出来的太晚,还是32位指令集的它接下来直接遇到64位架构处理器的冲击了,只能说是天时不利。


▲Cortex-A53架构

如果说A9处理器是32位时代智能手机应用的成功代表,那么Cortex-A53架构就是64位时代智能手机处理器架构的代表,它原本是ARM针对64位应用推出的低功耗架构,定位类似之前的Cortex-A7,低功耗低核心面积低成本低发热,应该用作big.LITTLE架构中的小核心的。


不过同期推出的Cortex-A57架构同样面临功耗、发热的难题,再加上厂商们在8核路线上已经不能自拔,所以大部分厂商索性全部使用A53核心做8核处理器,目前最受欢迎的联发科Helio X10/MT6795、MT6753/6752、海思麒麟930/620、高通骁龙615/616/617等处理器都是这种架构的。


▲Cortex-A57架构

ARM在移动市场推的大核心高性能处理器都面临了功耗、发热失控的尴尬,64位时代的A57甚至还不如32位时代的15架构,由于28nm甚至20nm工艺都难以控制发热,所以只有高通骁龙810、三星Exynos 5433(但阉割了64位支持)、NVIDIA的Tegra X1等少数处理器采用了四核A57架构,市场表现还算好的只有骁龙808及三星的Eynox 7420,前者是因为只用了双核A57架构搭配4核A53,Exynos 7420虽然是真正的4核A57架构,但这主要归功于三星的14nm工艺,如果用20nm工艺的话恐怕也不会乐观。


▲Cortex-A72架构

A57之后ARM公司又推出了Cortex-A72架构架构,它可以说称A57的改良版,同时也会取代A57的位置,因为A72的功耗控制、性能都要比后者更优秀一些,很多处理器直接跳过了A57架构等的就是A72架构,因为它还是针对FinFET工艺做优化的。

目前来看A72核心处理器还是新生事物,海思最近发布的麒麟950就使用了4核A72+4核A53架构,号称是首款商用A72处理器,联发科早前发布的MT8173处理器也是A72核心的,已经用在了亚马逊的FireTV新品上了,后续还会有联发科10核心的Helio X20/30处理器等。


▲Cortex-A35架构

在Techcon大会上,ARM发布了Cortex-A35架构,它是64位ARMv8家族中的最新成员,从命名上看它在64位处理器中定位最低,实际上它也不是为了取代A53的,而是取代目前还在服役的A7低功耗32位核心,1GHz频率下功耗只有90mW,100MHz下更是低至6mW,28nm工艺下核心面积只有0.4mm2。


▲ARM处理器家族的路线图

目前的Cortex-A系列处理器就是这些了,不过ARM已经公开了新一代处理器,Cortex-A72之后的继任者是Artemis(月亮女神),只是代号,还没有具体名字,规格也是一无所知,但它要等到2017年才能问世,针对的工艺是更先进的10nm FinFET。

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