終極指南:2013年手機CPU的現(xiàn)狀與未來
在前文中，我們將Cortex A15批得體無完膚，也許你要有疑問：既然A15在手機上表現(xiàn)如此糟糕，ARM為何還要設(shè)計出這么一個核心？答案非常簡單：ARM高估了半導(dǎo)體工藝的升級與技術(shù)進步速度，Cortex A15實際上是為20nm工藝所設(shè)計的核心。
讓我們把時間倒回到2008年，TSMC在當時提出了未來5年半導(dǎo)體工藝路線圖。如果一切都與圖中的宣傳精確吻合，我們在2010年就能用上28nm處理器，而在2012年，也就是去年，我們將邁入20nm時代。按照這個進度，ARM在2013年將核心進化至Cortex A15就沒有任何的問題。也許ARM的初衷是借助于20nm工藝良好的性能，可以強行將Cortex A15的實際功耗壓縮到0.5W以內(nèi)，獲得兩倍于Cortex A9的能耗比提升。這點從早期TSMC和ARM的演示文檔中也可以看出來。而且，A15也的確做到了絕對性能提升兩倍的設(shè)計目標。
TSMC畫的大餅
只不過，工藝最終沒能按照ARM所設(shè)想的發(fā)展下去。28nm跳票到2012年，20nm還在遙遠的2014年，而且即便成功量產(chǎn)，其可以得到的性能提升也極為有限，一連串的意料之外造成了Cortex A15的尷尬定位。由于工藝的失算，Cortex A9事實上失去了后繼產(chǎn)品：Cortex A7的能耗比雖然很高，但其性能太弱，甚至不如Cortex A8；Cortex A15雖然絕對性能翻倍，但是能耗比過低，兩者都無法作為Cortex A9的繼任者。即便ARM通過big.LITTLE技術(shù)將二者捆綁在一起，最終實現(xiàn)的總體效率也只能基本上和Cortex A9打個平手，所謂的繼任者更多成了紙面上而不是性能上的。
很明顯，ARM被TSMC這個隊友坑慘了。
有趣的是，在ARM官方面臨產(chǎn)品線問題的時候，反而是兩家ARM IP的購買商——高通和蘋果——給出了比Cortex A15更好的解決方案。它們都規(guī)避了Cortex A15過于臃腫的架構(gòu)設(shè)計，把注意力集中在對Cortex A9的優(yōu)化和提升上。不約而同的，它們都選擇了保留Cortex A9的前端、擴充Cortex A9的后端，區(qū)別是高通的著眼點在于提升指令的理論吞吐量，蘋果的工作重心在提升內(nèi)存表現(xiàn)。當然，最終的結(jié)果我們看到了，高通的方案并沒有對Cortex A9形成實質(zhì)上的優(yōu)勢，蘋果的方案則很難找到對比的標準，但是至少這兩家的行動方向是正確的。
因此在Cortex A15架構(gòu)推出3年后的2013年，ARM痛定思痛，給出了自己針對這個問題的答案，那就是Cortex A12。
在設(shè)計規(guī)格上，ARM終于放棄了宏偉龐大的“200%性能提升”，轉(zhuǎn)而只給Cortex A12定下了比Cortex A9快40%這樣一個目標。這是一個相當現(xiàn)實的目標，尤其是考慮到Cortex A9的體系架構(gòu)上的確存在一些過時的限制，讓我們來看Cortex A12是怎么改的。
首先，如同其他的ARMv7架構(gòu)處理器一樣，Cortex A12提升了二級緩存的性能，學(xué)習前輩Cortex A15和A7的先進經(jīng)驗，把二級緩存整合進多核心控制器，所有核心終于可以不用再通過一條可憐的64bit總線訪問自己的緩存，這將大大緩解擁堵現(xiàn)象。其次，Cortex A12把NEON和vFP提升到了第四版，并且和Cortex A15一樣引入了內(nèi)部OoO（亂序執(zhí)行）設(shè)計，指令執(zhí)行時效率要比A9高很多。最后，A12的外部接口也從64bit AMBA 3升級到了128bit AMBA 4，帶寬提升一倍有余。
Cortex A12憑什么降低了功耗？主要是三方面，一方面是最大并發(fā)取指數(shù)從3降低到2，另一方面是大幅度縮減了指令派發(fā)隊列，最后一方面是大幅度縮減了運算單元的數(shù)量。由于指令派發(fā)隊列的意義在于可以支撐亂序執(zhí)行，它所對應(yīng)的寄存器資源和硬連接資源是非常龐大的，Cortex A15為所有8組8個運算單元設(shè)計了完整的8個獨立指令隊列，這無疑消耗了巨大的電力，而Cortex A12把這個數(shù)字縮減到了3。與此同時，Cortex A12的運算單元也減少到3組6個，即整數(shù)、存取和FP/NEON，每一組內(nèi)包含兩個運算單元，共享一個指令隊列。
而Cortex A9就相當寒酸了，只有一個指令隊列，支撐著2個整數(shù)ALU、一個存取單元和FP與NEON。僅僅依靠這樣的改進，Cortex A12就幾乎可以實現(xiàn)40%的性能提升，更不要說算上二級緩存、外部總線、以及更為前端的取指與解碼部分——例如數(shù)據(jù)與指令部分重命名與分派彼此獨立——的改進了?？傮w來說，Cortex A12是一個與Cortex A9相比性能提升40%、功耗維持不變的架構(gòu)，它單憑一己之力拯救了ARM處理器搖搖欲墜的每瓦特性能，可以說是ARM的救星。A12唯一的問題只有一個——它最早也要等到2014年中才可能有產(chǎn)品，那時ARM很可能已經(jīng)被英特爾大卸八塊了。
如果我們把Cortex A12與高通Krait、蘋果Swift放在一起看，可以發(fā)現(xiàn)一些比較有趣的地方。與ARM不同，高通Krait幾乎保持了Cortex A9的前端設(shè)計，唯一的增強是取指部分的并發(fā)能力提升到3，后端則和Cortex A15一樣堆積了數(shù)量巨大的執(zhí)行器，具體來說是7個。這樣的架構(gòu)瓶頸來自于連接前端與后端的中間部分，導(dǎo)致Krait在實際應(yīng)用中根本無法發(fā)揮其3300DMIPS——只比Cortex A15低5.7%——的理論最高性能。至于蘋果Swift，由于缺乏資料與有效的對比方式，在這里并不能給出太多的分析，但是蘋果的優(yōu)勢在于硬件與軟件之間可以做到完全的匹配，因此即便蘋果對Cortex A9進行如高通一般的單方面增強，也可以依靠自身的操作系統(tǒng)進行針對性的優(yōu)化并將其發(fā)揮出來。因此在這三個介于Cortex A9和Cortex A15之間的設(shè)計中，我們認為Cortex A12是最為平衡的設(shè)計。只是——如之前所說，我們恐怕無法在2013年看到它了，甚至在2014年都有可能看不到最終產(chǎn)品的上市。因此Cortex A12是否真的實現(xiàn)了ARM的設(shè)計目標，我們也只能等到2014甚至2015年才能看到結(jié)果。
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