智能設(shè)備界的”雷鋒叔叔“：ARM處理器

半導(dǎo)體業(yè)有這樣第一家公司，他們的處理器每年出貨上百億顆，我們每天都在用的智能手機(jī)都有它的功勞，但這家公司從中賺的錢(qián)并不多，這個(gè)“雷鋒叔叔”就是英國(guó)ARM(中文名是安謀國(guó)際)公司，他們的ARM處理器在全球范圍內(nèi)支撐了各種嵌入式設(shè)備、智能手機(jī)、平板、智能手環(huán)/手表等產(chǎn)品運(yùn)行，自己一年的營(yíng)收不過(guò)10億英鎊而已，絕對(duì)是薄利多銷(xiāo)，造福全人類(lèi)。

ARM處理器在移動(dòng)領(lǐng)域占據(jù)絕大多數(shù)份額

對(duì)于ARM公司，我們天天在用他們的產(chǎn)品，不過(guò)大部分人對(duì)這家公司并不了解，它遠(yuǎn)不如高通、蘋(píng)果、聯(lián)發(fā)科、三星這些廠商那般耳熟能詳，今天的超能課堂里我們主要介紹ARM公司推出的Cortex-A系列處理器核心，這是智能手機(jī)、平板中的移動(dòng)SoC處理器的基礎(chǔ)，它每一代的進(jìn)步都影響著用戶體驗(yàn)。

ARM公司主營(yíng)的產(chǎn)品類(lèi)型

之前我們介紹過(guò)ARM公司是如何運(yùn)營(yíng)、賺錢(qián)的——四兩撥千斤，ARM是如何運(yùn)作、靠什么賺錢(qián)的，他們主要是靠給廠商提供處理器授權(quán)、抽取版權(quán)稅盈利的，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)ARM公司并不是單一的處理器公司，他們還有各種系統(tǒng)IP、物理IP、GPU、視頻、顯示等各種產(chǎn)品。當(dāng)然，處理器顯然是最重要也是營(yíng)收最多的業(yè)務(wù)了，這其中又可以分為面向開(kāi)放系統(tǒng)的Cortex-A、面向嵌入式系統(tǒng)的Cortex-R以及面向各種微控制器的Cortex-M系列，另外還有面向支付、電子政府、SIM卡等安全市場(chǎng)的SC系列，整個(gè)處理器產(chǎn)品線目前的產(chǎn)品系列如下圖所示：

ARM公司處理器產(chǎn)品的主要系列

我們今天的內(nèi)容就是Cortex-A系列處理器，成立二十多年來(lái)ARM公司已經(jīng)推出過(guò)多代指令集和處理器。大多數(shù)人首次在智能手機(jī)上接觸ARM處理器還是16位的ARMv6家族ARM11處理器，這是蘋(píng)果第一代iPhone手機(jī)處理器的架構(gòu)，不過(guò)現(xiàn)在ARM11架構(gòu)在官網(wǎng)上已經(jīng)沒(méi)有露臉機(jī)會(huì)了，我們的介紹也就從32位ARMv7家族開(kāi)始。

ARM Cortex-A處理器主要型號(hào)及規(guī)格

ARM推出的A系列處理器主要型號(hào)及規(guī)格

目前Cortex-A系列處理器最低端的是A5，之后分別是A7、A9、A12/17、A15，還有個(gè)比較奇葩的A8，但很早被淘汰了，這些都是32位ARMv7-A指令集的，64位時(shí)代則是A53、A57、A72及最新發(fā)布的A35，基于ARMv8-A指令集。

在 A7/A15時(shí)代，ARM推出了big.LITTLE架構(gòu)，希望用這種這種大小搭配的組合解決處理器耗電與性能之間的矛盾，小核心主要有A7、A53及最新推出的A35這三種，他們典型的特點(diǎn)是順序執(zhí)行架構(gòu)、低流水線、低頻率設(shè)計(jì)，大核心則是A15、A17、A57及A72這幾種，這種處理器都是亂序執(zhí)行架構(gòu)，3發(fā)射解碼，高達(dá)15級(jí)流水線設(shè)計(jì)，運(yùn)行頻率在2GHz以上，主要面向高性能處理。

big.LITTLE的理念是非常好的，但大小核之間的切換很考驗(yàn)廠商的設(shè)計(jì)能力，更嚴(yán)重的是處理器廠商在具體的執(zhí)行中已經(jīng)偏離了大小核的初衷，現(xiàn)在的情況是高性能大核通常只有在跑分軟件中才會(huì)滿載，而性能較低的小核心反倒成了日常使用的主力，廠商如果協(xié)調(diào)不好二者的分配，最終的結(jié)果就是要么耗電太快，要么就是性能不佳，系統(tǒng)卡頓。

此外，表格中的性能是換算成每核心每MHz下的Dhrystone性能，用以衡量CPU核心性能，不過(guò)具體的性能實(shí)際上還是跟廠商的工藝、頻率掛鉤的，ARM在發(fā)布Cortex-A72架構(gòu)時(shí)表示其性能是前代的3.5倍，這個(gè)實(shí)際上是用14/16nm工藝、2.5GHz的A72對(duì)比28nm、1.6GHz的 A15處理器得來(lái)的，A72相對(duì)真正的取代對(duì)象A57核心的性能提升根本沒(méi)有這么多。

Cortex-A處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

Cortex-A5架構(gòu)

Cortex- A5是ARM公司目前能效最高、成本最低的32位處理器，不過(guò)為了達(dá)到如此之低的功耗它的性能也犧牲了不少，沒(méi)有L2緩存，NEON及VFP浮點(diǎn)指令都是可選的，用在智能手機(jī)上性能堪憂。A5在智能手機(jī)上最主要的應(yīng)用還是高通的驍龍S1及后來(lái)的驍龍S4 Play，也就是MSM8625、MSM8225系列。

Cortex-A7架構(gòu)

Cortex-A7架構(gòu)在智能手機(jī)中就比較出名了，支持ARMv7-A指令集，NEON及VFP浮點(diǎn)單元都不缺，還可以搭配最多1MB緩存，所以A7架構(gòu)直到現(xiàn)在也還有用，小米公司出貨量過(guò)一千萬(wàn)的紅米2A用的聯(lián)芯LC1860就是四核Cortex-A7架構(gòu)的。

多數(shù)情況下，A7核心還是與Cortex-A15核心組成big.LITTLE大小核架構(gòu)，知名的處理器有NVIDIA的Tegra K1、海思的麒麟920/925、三星的Exynos 5420/5420、聯(lián)發(fā)科的MT8135等等。

Cortex-A8架構(gòu)

Cortex- A8架構(gòu)在Cortex-A系列處理器中最為特殊，因?yàn)槠渌幚砥髅看睾诵亩鄶?shù)都能達(dá)到4個(gè)核心(總核心數(shù)不受限制，看廠商的選擇了)，但A8就只有單核心，好在A8那個(gè)時(shí)代手機(jī)處理器拼核心并沒(méi)有這么瘋狂，蘋(píng)果的一代名機(jī)iPhone 4用的處理器就是單核A8架構(gòu)的。

Cortex-A9架構(gòu)

Cortex- A9架構(gòu)在手機(jī)處理器中算是最輝煌的了，它既不像A7那樣過(guò)于注重低功耗而犧牲了性能，也不像A15架構(gòu)那樣追求性能(A15架構(gòu)本來(lái)是ARM針對(duì)服務(wù)器市場(chǎng)推出的)，A9的性能、功耗比較均衡，而且A9的時(shí)代正好是手機(jī)處理器從單核向雙核轉(zhuǎn)變的時(shí)間，雙核及后來(lái)的四核A9架構(gòu)中出了不少代表性的處理器，包括蘋(píng)果一鳴驚人的A5/A5X、NVIDIA的Tegra 2/3、Ti公司的OMAP 4430/4460、三星的Exynos 4210、華為海思的K3V2等等，高通備受好評(píng)的Krait架構(gòu)也是基于A9架構(gòu)改良的。

Cortex-A15架構(gòu)

Cortex-A15架構(gòu)本來(lái)是ARM公司針對(duì)服務(wù)器市場(chǎng)推出的高性能核心，首次使用3發(fā)射解碼架構(gòu)，還支持ECC內(nèi)存，所以性能沒(méi)得說(shuō)，但隨之而來(lái)的功耗也是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)大部分使用A15+A7的big.LITTLE架構(gòu)的處理器都多多少少存在發(fā)熱的問(wèn)題。

Cortex-A17架構(gòu)

說(shuō)到Cortex-A17架構(gòu)，它其實(shí)比前面的A8更杯具，A8雖然先天孱弱，但在當(dāng)時(shí)的時(shí)代中還是發(fā)揮了光芒的，而A17明明是底子很不錯(cuò)，但生不逢時(shí)。

此外，Cortex-A17實(shí)際上就是之前的Cortex-A12(內(nèi)核沒(méi)變，改變了外部總線)，ARM推A12架構(gòu)原本是彌補(bǔ)A15功耗過(guò)高、A7性能太低的缺憾的，應(yīng)該說(shuō)是A9架構(gòu)的繼任者，所以它在性能、功耗上平衡性上做的不錯(cuò)。ARM之所以改名，據(jù)說(shuō)是當(dāng)時(shí)的中國(guó)合作伙伴認(rèn)為A12這個(gè)命名不好，消費(fèi)者會(huì)因?yàn)樗鼣?shù)字比A15低而認(rèn)為不如A15好(雖然性能上確實(shí)如此)，不利于宣傳，ARM就跟中國(guó)廠商勸高通把MSM8974AB/AC改成驍龍801 一樣妥協(xié)了，所以現(xiàn)在叫的是Cortex-A17架構(gòu)。

本該大有作為的Cortex-A17處理器是雷聲大雨點(diǎn)小，除了聯(lián)發(fā)科 MT6595、瑞芯微RK3288以及小米電視上用的晨星6A928等極少數(shù)產(chǎn)品之外應(yīng)者寥寥，因?yàn)锳17架構(gòu)出來(lái)的太晚，還是32位指令集的它接下來(lái)直接遇到64位架構(gòu)處理器的沖擊了，只能說(shuō)是天時(shí)不利。

Cortex-A53架構(gòu)

如果說(shuō)A9處理器是32位時(shí)代智能手機(jī)應(yīng)用的成功代表，那么Cortex-A53架構(gòu)就是64位時(shí)代智能手機(jī)處理器架構(gòu)的代表，它原本是ARM針對(duì)64位應(yīng)用推出的低功耗架構(gòu)，定位類(lèi)似之前的Cortex-A7，低功耗低核心面積低成本低發(fā)熱，應(yīng)該用作big.LITTLE架構(gòu)中的小核心的。

不過(guò)同期推出的Cortex-A57架構(gòu)同樣面臨功耗、發(fā)熱的難題，再加上廠商們?cè)?核路線上已經(jīng)不能自拔，所以大部分廠商索性全部使用A53核心做8核處理器，目前最受歡迎的聯(lián)發(fā)科Helio X10/MT6795、MT6753/6752、海思麒麟930/620、高通驍龍615/616/617等處理器都是這種架構(gòu)的。

Cortex-A57架構(gòu)

ARM 在移動(dòng)市場(chǎng)推的大核心高性能處理器都面臨了功耗、發(fā)熱失控的尷尬，64位時(shí)代的A57甚至還不如32位時(shí)代的15架構(gòu)，由于28nm甚至20nm工藝都難以控制發(fā)熱，所以只有高通驍龍810、三星Exynos 5433(但閹割了64位支持)、NVIDIA的Tegra X1等少數(shù)處理器采用了四核A57架構(gòu)，市場(chǎng)表現(xiàn)還算好的只有驍龍808及三星的Eynox 7420，前者是因?yàn)橹挥昧穗p核A57架構(gòu)搭配4核A53，Exynos 7420雖然是真正的4核A57架構(gòu)，但這主要?dú)w功于三星的14nm工藝，如果用20nm工藝的話恐怕也不會(huì)樂(lè)觀。

Cortex-A72架構(gòu)

A57之后ARM公司又推出了Cortex-A72架構(gòu)架構(gòu)，它可以說(shuō)稱(chēng)A57的改良版，同時(shí)也會(huì)取代A57的位置，因?yàn)锳72的功耗控制、性能都要比后者更優(yōu)秀一些，很多處理器直接跳過(guò)了A57架構(gòu)等的就是A72架構(gòu)，因?yàn)樗€是針對(duì)FinFET工藝做優(yōu)化的。

目前來(lái)看A72核心處理器還是新生事物，海思最近發(fā)布的麒麟950就使用了4核A72+4核A53架構(gòu)，號(hào)稱(chēng)是首款商用A72處理器，聯(lián)發(fā)科早前發(fā)布的 MT8173處理器也是A72核心的，已經(jīng)用在了亞馬遜的FireTV新品上了，后續(xù)還會(huì)有聯(lián)發(fā)科10核心的Helio X20/30處理器等。

Cortex-A35架構(gòu)

在本月中的Techcon大會(huì)上，ARM又發(fā)布了Cortex-A35架構(gòu)，它是64位ARMv8家族中的最新成員，從命名上看它在64位處理器中定位最低，實(shí)際上它也不是為了取代A53的，而是取代目前還在服役的A7低功耗32位核心，1GHz頻率下功耗只有90mW，100MHz下更是低至 6mW，28nm工藝下核心面積只有0.4mm2。

ARM處理器家族的路線圖

目前的Cortex-A系列處理器就是這些了，不過(guò)ARM已經(jīng)公開(kāi)了新一代處理器，Cortex-A72之后的繼任者是Artemis(月亮女神)，只是代號(hào)，還沒(méi)有具體名字，規(guī)格也是一無(wú)所知，但它要等到2017年才能問(wèn)世，針對(duì)的工藝是更先進(jìn)的10nm FinFET。