ARM的新架构,再次证明了旗舰手机的价值

如果你对智能手机产品性能十分关注,或许就会知道,对于当前的整个智能手机市场来说,无论是什么品牌的产品、或者搭载的是那种型号的主控,它们的CPU部分绝大多数其实都采用了来自同一家公司的设计方案。而如果你有关注我们三易生活的相关内容,那么可能更会知道,自从几年前被日本软银收购后,这家原本位于英国的芯片设计企业很明显在增强旗下产品的竞争力。
比如说,以往每年基本只推出一款新架构设计的ARM,去年就一口气带来了新的智能手机CPU大核设计Cortex-A77,和新的服务器超大核CPU设计Neoverse-N1。又比如说,以往一直坚持用自研或者至少是半定制架构来设计旗舰主控方案的三星与高通,在2019年也都“不约而同”的用上了公版A77大核,足可见得ARM这代架构的性能提升之大。
那么,当ARM日前正式发布了2020年的最新一代处理器架构之后,它是否值得我们再欢呼一次呢?
  • 去年还没吹牛的ARM,今年有点不太老实了

可能很多人都不知道的是,当你在查看ARM新品发布的宣传资料时,其实是一定要抱有一个疑问的,那就是“ARM是否在吹牛”。之所以会这样,是因为这家芯片设计企业以前常常为了凸显新设计的优越性,而刻意在相关资料中提供不公平且具有误导性的对比数据,比如说用低频率的老架构对比高频率的新架构,就是较为常用的一招。而且这些所谓“反映制程优势的主频”,有时候其实完全高到了不太正常的程度,因此也几乎可以肯定是单纯为了突出新架构的商业优势而刻意为之。
这张图此前被我们狠批了一顿
比如说,在前年发布Cortex-A76时,ARM就搞出来一个实际上根本不存在于任何一款产品里的“3GHz A76”,并将它与“2.8GHz A75”和“2.45GHz A73”进行了对比,试图显示新设计的巨大进步。
而到了去年发布Cortex A77的时候,我们很高兴的看到ARM当时给出的对比成绩,是基于相同频率下得出。在那个时候我们还曾感叹,Cortex-A77 30%的性能提升相对真实,值得表扬云云。
但是,不得不说我们还是太天真了。因为到了今年的Cortex-A78架构上,ARM故技重施, 再次使用了不对等的制程和频率条件,得出一个“性能大幅提升”的结论。
具体来说,ARM将使用5nm制程、主频高达3GHz的Cortex-A78核心,与使用7nm制程、主频仅有2.6GHz的Cortex-A77核心进行性能对比,然后得出一个“在功耗均为1W每核心(请注意这是一个很高的功耗)的前提下,A78比A77性能高20%”的结论。同时又将5nm制程、主频低到2.1GHz的A78核心,与7nm制程、主频反而更高一点到2.3GHz的A77架构对比,然后说性能相同的情况下,新设计的功耗少了一半。
这样的对比问题何在?首先,如果我们将两个架构的主频重新按照相同2.6GHz频率进行估算,就会发现Cortex-A78的同频性能其实只比Cortex-A77高了可怜的4%;至于节能效果,根据台积电此前公布的数据显示,5nm制程本身就会比7nm省电多达30%,再加上ARM的对比数据中还故意让老架构、老制程的主频更高,因此Cortex A78仅靠设计本身究竟能够节能多少,相信大家心里大概也都有个底了。
  • 大核心提升没诚意,但好在这次还有后手

很显然,仅从ARM方面提供的对比数据来看,新的Cortex-A78架构在性能与省电方面的提升,几乎绝大部分都是依赖于半导体制程换代,而不是本身的设计进步。那么,这是否意味着Cortex-A78从设计上来说是一次偷懒的结果呢?
其实不是,其实不如说它之所以同频进步不大、之所以能效提升甚微,或许这完全是ARM故意将其设计成这样的结果。
比如说在Cortex-A78架构内部,ARM其实对整个计算架构进行了较大幅度的加强。包括加倍了分支预测器的性能、将宏运算(Mops)的调度带宽增加了20%、加倍了整数处理单元的带宽,将加载AGU单元的数量增加了50%,加倍了L1数据缓存和L2缓存的读写带宽等等。
但是与此同时,ARM又对Cortex做了一些“减法”。包括将L1缓存的最小可配置大小从64KB缩减到了32KB,缩减了乱序执行的窗口和寄存器的大小,将L2缓存的TLB(转译后备缓冲器)从1280页减少到1024页等等。虽然ARM对外宣称,这是“为了减少内核面积,以很小的性能牺牲换来更高的单位效率”。但从我们此前分析的同频性能提升幅度便不难看出,ARM有意控制了Cortex-A78架构的性能与成本。
那么他们为什么要这样做呢?原因很简单,因为在发布A78架构的同时,ARM还首次同步推出了定位更高的“超大核设计”——Cortex-X1。
与Cortex-A78相比,Cortex-X1基本上可以看作是前者的“解除封印”版。比如它没有为了缩减成本,而在设计上搞出诸多缩水,不仅如此,作为ARM首次针对移动计算推出的全新旗舰核心设计,Cortex-X1还很明显从苹果的A系列和三星的“猫鼬”大核心当中吸取了一些经验。例如它可以配置到最高8MB的三级缓存,具备4条128bit的NEON多媒体指令单元(但受限于指令集兼容性,无法实现合并为256bit或512bit的模式),具备超大的224条乱序执行窗口,更大的缓存提取带宽,更多的操作缓存、更强的调度能力等等。
简而言之,在不更换基础设计、不修改软件支持能力的基础上,Cortex-X1可以视作是高成本的“完全版”Cortex-A78,它舍弃了一部分节能方面的理念,专注于性能提升。根据ARM方面出具的数据显示,与当前的Cortex-A78相比,Cortex-X1的整数运算能力提升了23%,AI学习能力更是直接涨了一倍。
  • 公版超大核乱入战场,非旗舰手机或成最大输家

其实,经常关注各类主控跑分的朋友应该都知道,长久以来,苹果A系列与三星Exynos的旗舰手机芯片方案都牢牢霸占着移动芯片单核性能的榜首。这其中最大的原因,就是它们都有采用规格远超同期ARM公版大核心的自研“超大核”设计。
除了联发科天玑1000,其他三家旗舰芯片都是“大中小”核心设计
平心而论,“超大核”对于智能手机实际使用中的性能帮助其实未必有大家想象的那么大。比如三星的Exynos 990在大型游戏中的性能表现,就要远逊色于采用公版A77大核方案的高通骁龙865,但是毕竟“大中小”的核心设计本身,确实是当前旗舰手机芯片的主流方案。既然如此,那与其让手机厂商们自己把一套大核心架构“魔改”出大核和中核两种设计,由ARM自己来主动推出新的大核(X1)与中核(A78)方案,岂不是既省事又省时间,还能再多赚一道钱吗。
当然,由于Cortex X1相比Cortex-A78,性能还是实打实的有着大幅提升的,因此大家大可不必担心未来的旗舰手机芯片方案会因为A78的“摸鱼”导致性能进步幅度不大。只不过能用得起像X1这种高成本、高功耗、高面积的大核心的,估计也就只有各家最贵最好的那一两款芯片。而对于处于主流价格区间的各种“准旗舰”,乃至中端、中低端的新款5G手机SoC来说,能用上Cortex-A78大核估计就已经算是重大进步了。
这意味着什么?显然这代表着此前在骁龙675、天玑820、麒麟985等非旗舰方案中出现过,大核心与同代旗舰芯片“同根同源”的情况,以后可能就不会再发生了。不仅如此,如果ARM今后将这种“大中小”的三档核心设计固定下来的话,那么它也意味着,智能手机上的顶级旗舰与其他型号之间的性能差距,或将会拉开更大的鸿沟。虽然这助于进一步强化那些“质高价高”的产品市场竞争力,推动整个手机行业技术发展、(顶级)产品设计方面实现更快速的发展,但对于非旗舰产品的用户来说,这却可能未必是个好消息。
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