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移动端

1.4.3 移动王者——Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功

《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》第1章一文读懂CPU之三生三世,本章通过几个轻松的话题,讨论一下CPU业界的“三生三世”。本节为大家介绍移动王者——Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功。

作者:胡振波来源:人民邮电出版社|2018-05-23 13:03

【51CTO技术沙龙】10月27日,让我们共同探索AI场景化应用实现之道

1.4.3 移动王者——Cortex-A系列在手持设备领域的巨大成功

Cortex-A是一组用于高性能低功耗应用处理器领域的32位和64位RISC处理器系列。32位架构的处理器包括Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A8、Cortex-A9、Cortex-A12、Cortex-A15、Cortex-A17和Cortex-A32。64位架构的包括 ARM Cortex-A35、ARM Cortex-A53、ARM Cortex-A57、ARM Cortex-A72和 ARM Cortex-A73。Cortex-A、Cortex-M和Cortex-R架构的最大区别是包含了存储器管理单元(Memory Management Unit,MMU),因此可以支持操作系统的运行。

ARM在2005年向市场推出Cortex-A8处理器,是第一款支持 ARMv7-A 架构的处理器。在当时的主流工艺下,Cortex-A8处理器的速率可以在600M~1GHz的范围调节,能够满足那些需要工作在300mW以下的功耗优化的移动设备的要求,以及满足那些需要2000 Dhrystone MIPS的性能优化的消费类应用的要求。当 Cortex-A8 在2008 年投入批量生产时,高带宽无线连接(3G)已经问世,大屏幕也用于移动设备,Cortex-A8 芯片的推出正好赶上了智能手机大发展的滥觞。

推出Cortex-A8 之后不久,ARM 又推出了首款支持ARMv7-A架构的多核处理器Cortex-A9。Cortex-A9 利用硬件模块来管理CPU集群中1~4个核的高速缓存一致性,加入了一个外部二级高速缓存。在2011 年底和 2012 年初,当移动SoC设计人员可以采用多个核之后,性能得到进一步提升。旗舰级高端智能手机迅速切换到4核Cortex-A9。除了开启了多核性能大门之外,与Cortex-A8相比,每个Cortex-A9处理器的单时钟周期指令吞吐量提高了大约25%。这个性能的提升是在保持相似功耗和芯片面积的前提下,通过缩短流水线并乱序执行,以及在流水线早期阶段集成NEON SIMD和浮点功能而实现的。

如果说Cortex-A8牛刀小试让ARM初尝甜头,那么Cortex-A9则催生了智能手机的井喷期,Cortex-A9几乎成了当时智能手机的标配,大量的智能手机采用了该内核,ARM为此挣了个盆满钵盈。自此,ARM便开始了它开挂的“下饺子”模式,以平均每年一款或多款的速度疯狂推出各款不同的Cortex-A处理器,迅速拉开与竞争对手的差距。具体ARM Cortex-A系列各处理器的发布时间和特点,见表1-4。

表1-4  ARM Cortex-A系列各处理器发布时间和特点


型 号
 
发布年份
 
位数
 
架构
 
流水线深度
 
指令发射类型
 
乱序执行
 
核数
 
Cortex-A8
 
2005
 
32
 
ARMv7-A
 
13级
 
双发射
 
乱序执行
 
1
 
Cortex-A9
 
2007
 
32
 
ARMv7-A
 
8级
 
双发射
 
乱序执行
 
1~4
 
Cortex-A5
 
2009
 
32
 
ARMv7-A
 
8级
 
单发射
 
顺序执行
 
1~4
 
Cortex-A15
 
2010
 
32
 
ARMv7-A
 
15级
 
三发射
 
乱序执行
 
1~4
 
Cortex-A7
 
2011
 
32
 
ARMv7-A
 
8级
 
部分双发射
 
顺序执行
 
1~8
 
Cortex-A53
 
2011
 
64
 
ARMv8-A
 

可以理解为A7的64位版
Cortex-A57
 
2010
 
64
 
ARMv8-A
 

可以理解为A15的64位版
Cortex-A12
 
2013
 
32
 
ARMv7-A
 

可以理解为A9的性能提升优化版本
Cortex-A17
 
2014
 
32
 
ARMv7-A
 

可以理解为A12的进一步性能提升,优化版本
Cortex-A35
 
2015
 
64
 
ARMv8-A
 
8级
 
部分双发射
 
顺序执行
 
1~8
 
Cortex-A72
 
2015
 
64
 
ARMv8-A
 

可以理解为A57的性能提升优化版本
Cortex-A73
 
2015
 
64
 
ARMv8-A
 

可以理解为A72的性能进一步提升优化版本
Cortex-A32
 
2016
 
32
 
ARMv8-A
 

可以理解为A35的32位版本
Cortex-A55
 
2017
 
64
 
ARMv8.2-A
 

可以理解为A53的功耗进一步提升优化版本
Cortex-A75
 
2017
 
64
 
ARMv8.2-A
 

可以理解为A73的性能进一步提升优化版本


ARM推出Cortex-A系列各款处理器的速度之快、之多,显示了其研发机器的超强生产力,由于其推出的处理器型号太多、太快,阿拉伯数字都不够用了,如表1-4所示,其型号的编号规则逐渐令作者都傻傻分不清了。同时,由于其推出的处理器型号太多、太快,乃至于令众多授权ARMv7/8-A架构进行自研处理器的巨头都疲于奔命。在Cortex-A8/A9时代,多家有实力的巨头均选择授权ARMv7/8-A架构进行自研处理器以差异化其产品并降低成本。这些巨头包括高通、苹果、Marvell、博通、三星、TI以及LG等。作者便曾经在其中的一家巨头供职担任CPU高级设计工程师,开发其自研的Cortex-A系列高性能处理器。如前所述,研发一款高性能的应用处理器需要解决挑战极高的技术难题以及投入数年时间,而当ARM以年均一款新品之势席卷市场之时,使得自研处理器没有能够来得及推出便已过时。众巨头们纷纷弃甲丢盔,相继有TI、博通、Marvell和LG等巨头放弃了自研处理器业务。乃至自研处理器做的最为成功的高通(以其Snapdragon系列应用处理器风靡市场)也在其中低端SoC产品中放弃了自研处理器转而采购ARM的Cortex-A系列处理器,仅在高端SoC中保留了自研的处理器。值得一提的是,由于中国的巨大市场与产业支持,在巨头们放弃自研处理器的趋势下,中国的手机巨头华为与展讯逆势而上,开始授权ARMv8-A架构进行自研处理器的研发,并取得了令人欣喜的成果。

Cortex-A系列的巨大成功彻底地奠定了ARM在移动领域的统治地位。由于Cortex-A系列的先机与成功,ARM架构在移动领域构筑了城宽池阔的软件生态环境。至今,ARM架构已经应用到全球85%的智能移动设备中,其中有超过95%的智能手机都基于ARM的设计,基本上使得其他架构的处理器失去了进入该领域的可能性。ARM携Cortex-A系列移动领域一统江山,就如坦格利安人驾着喷火的巨头征服维斯特洛大陆般如入无人之境。ARM除了一步步提升Cortex架构性能之余,也找到了很多“志同道合”的伙伴,比如高通、谷歌和微软等,并与合作伙伴们形成了强大的生态联盟。携此余威,传统x86架构的PC与服务器领域就成为了ARM的下一步发展目标。有道是“驱巨兽鼎定移动地,Cortex-A剑指服务区”。预知后事如何,且听下节分解。


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