四核Cortex-A15智能手機(jī)時(shí)代全面降臨

    今年的新手機(jī)趨勢無異是全面向四核靠攏，不過同樣是四核，在實(shí)際的性能上其實(shí)是千差萬別。例如針對入門級主流市場的四核手機(jī)普遍采用的都是 Cortex-A7 以及 Cortex-A9 級別 的 CPU 內(nèi)核，這類內(nèi)核性能、成本以及發(fā)熱都會較低，因此在入門市場上大行其道。

    而在高端智能手機(jī)中則出現(xiàn)了一些新的變化，除了去年就已經(jīng)嶄露頭角的高通 Krait 系列架構(gòu)四核外，ARM 正統(tǒng)的 Cortex-A15 也開始走上了四核手機(jī)的舞臺，例如三星的 Exynos 5 Octa、NVIDIA 的 Tegra 4。

    Cortex-A15 是 ARM Cortex-A 家族中目前最強(qiáng)勁的 CPU 內(nèi)核架構(gòu)，發(fā)布時(shí)間為 2010 年，德州儀器是最早（2011 年）投產(chǎn)基于該架構(gòu)處理器（型號為 OMAP 5）的授權(quán)廠商。

    和 ARM 的 Cortex-A7、Cortex-A9 等微架構(gòu)相比，Cortex-A15 有很大的不同。

    A15 和 A9 同樣具備亂序執(zhí)行，但是 Cortex-A15 具備（兩倍）的指令發(fā)射端口和執(zhí)行資源，指令解碼能力也要高出 50%，動態(tài)分支預(yù)測能力更強(qiáng)（采用了多層級分支表緩存），指令拾取帶寬更強(qiáng)（128 bit vs 64 bit），這些都能讓 A15 的流水線執(zhí)行具備更高的效率。除此以外，A15 采用了 VFPv4 浮點(diǎn)單元設(shè)計(jì)，能執(zhí)行 FMA 指令以及硬件除法指令，相較而言 A9 的峰值向量浮點(diǎn)性能基本上只有 A15 的一半。

    不過在現(xiàn)實(shí)中，A15 的對手應(yīng)該是高通自行設(shè)計(jì)的 ARMv7A 兼容處理器架構(gòu) Krait。高通對 Krait 的架構(gòu)細(xì)節(jié)透露并不是很多，大致上就是 3 個指令解碼端口（和 A15 一樣)、7 個指令發(fā)射端口（A15 是 8 個）、4 個發(fā)射端口（A15 是 8 個），具備 4KiB + 4KiB 的單周期時(shí)延 L0 Cache 設(shè)計(jì)。

    如果采用老掉牙的 Dhrystone DMIPS/MHz 作為性能衡量指標(biāo)，Krait 是 3.3，A9 是 2.5，而 A15 這是 3.5，從紙面上看 Krait 的確非常適合作為 A15 的對手。

    不過 Dhrystone 的缺點(diǎn)是顯而易見，它是完全可以塞進(jìn) CPU 的 L1 cache 里執(zhí)行，這就意味著無法以此對 L2 cache（A15 是一體化設(shè)計(jì)，Krait 是分離式設(shè)計(jì)，一體化設(shè)計(jì)可以減少內(nèi)存交換導(dǎo)致的大量時(shí)延）、亂序執(zhí)行的硬件效率/復(fù)雜性、內(nèi)存子系統(tǒng)單元（A15 的內(nèi)存單元可以實(shí)現(xiàn)在一定條件下預(yù)執(zhí)行一條加載指令，而 Krait 能否具備這樣的能力尚不清楚）等諸多體系架構(gòu)區(qū)別對實(shí)際性能的影響作出有價(jià)值評估。

    當(dāng)然，ARM 采用的 DMIPS 指標(biāo)實(shí)際上并非 28 年前的那個 Dhrystone，而是來自 EEBMC Coremark（其實(shí) Coremark 就是前者的改善版本，主要是為了減少預(yù)優(yōu)化、對測試有比較嚴(yán)格的規(guī)則），但是 CoreMark 同樣可以塞進(jìn)現(xiàn)今大多數(shù)處理器的 L1 cache 里，Dhrystone 不能反映現(xiàn)今移動設(shè)備真實(shí)應(yīng)用的問題在這里依然存在。

    由于應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜，要正確評估一個移動設(shè)備處理器的性能變得越來越復(fù)雜，因?yàn)楝F(xiàn)在的移動設(shè)備跑的網(wǎng)頁瀏覽、三維游戲、音視頻、人工智能等都不可能可以完全塞進(jìn) L1 Cache 里，因?yàn)檫@些應(yīng)用牽涉到大量的數(shù)據(jù)處理。

    這時(shí)候，人們在臺式機(jī)性能評估上學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)和測試辦法就可以在移動設(shè)備上采用了。對 CPU 測試來說，最合理的測試方式是采用多種計(jì)算規(guī)模的真實(shí)應(yīng)用源代碼以本機(jī)代碼進(jìn)行編譯再進(jìn)行測試，在這樣的情況下移動設(shè)備的計(jì)算單元、內(nèi)存單元都得以充分考驗(yàn)，測試結(jié)果最具參考價(jià)值。

    能夠獲得業(yè)界（計(jì)算機(jī)工業(yè)、學(xué)術(shù)科研）官方認(rèn)可的 CPU 測試當(dāng)屬 SPEC.org 的 SPEC  CPU，它就是采用源代碼方式，讓測試人員可以編譯為本機(jī)代碼來測試，許多處理器在研發(fā)伊始就采用 SPEC CPU 作為最重要的性能評估指標(biāo)。

    SPEC CPU 的最新版本為 CPU2006，但是 CPU2006 針對的是當(dāng)前的臺式機(jī)、工作站、服務(wù)器處理器應(yīng)用環(huán)境，內(nèi)存容量（CPU2006 支持多線程測試，因此要求的內(nèi)存容量相當(dāng)高，8 線程處理器用 16 GiB 內(nèi)存也是有點(diǎn)勉強(qiáng)）和自身存儲空間（未編譯時(shí)就要數(shù) GiB 空間，編譯后就要占用 1x GiB 了）要求都較高，因此采用 CPU2006 對目前的移動設(shè)備來說是不太現(xiàn)實(shí)的。

    SPEC CPU 是每隔幾年就更新一次，在 CPU2006 之前的舊版本為 CPU2000，它的 speed 整數(shù)性能測試完全可以在 1GB 級別的移動設(shè)備上運(yùn)行，在以前甚至有一些 CPU2000 的測試被移植到 GPU 上做加速性能測試。

    ARM 陣營極少公布 SPEC CPU 測試結(jié)果，這當(dāng)然也是有原因的，因?yàn)樵谶^去的不少時(shí)間里，ARM 針對的設(shè)備大都只有幾百兆內(nèi)存空間，塞進(jìn)操作系統(tǒng)后，留給程序運(yùn)行的空間就更少，此外由于省電先決的考量 ARM 處理器的性能其實(shí)真的不怎么樣。

    不過有意思的是，今年 ARM 陣營里的 NVIDIA 在發(fā)布 Tegra 4 的時(shí)候公布了 CPU2000INT 的測試結(jié)果：在 1.9GHz 頻率設(shè)定的 NVIDIA 參考平臺里，Tegra 4 的 SPEC CPU2000int_base 為 1168。這個測試結(jié)果相當(dāng)于 2003 年第四季度 SPEC.org 上公布的 AMD K8 Sledgehammer 2GHz 測試結(jié)果。

    NVIDIA 還進(jìn)行了在小米二手機(jī)（采用高通 Snapdragon S4 Pro 即 APQ8064 1.7GHz）上的 CPU2000 測試，并且根據(jù)高通公布的 S800 相對 S600 在 IPC（每周期指令）和頻率上的變化幅度而估算出來的 S800 的 CPU2000 測試結(jié)果：

    從圖表來看，S600 的 CPUINT2000_base 測試結(jié)果相當(dāng)于 Tegra 4 的一半不到，這在很大程度上反映了 Cortex-A15 相對 Krait 系處理器的真實(shí)應(yīng)用差別。

    需要指出的是，雙方的測試平臺本身也是有一些影響的，例如小米二手機(jī)在執(zhí)行這個測試的時(shí)候，CPU 頻率是否存在降頻現(xiàn)象，NVIDIA 對此沒有說明。

    一般來說，像 APQ8064 在四核全速運(yùn)行的時(shí)候，會在一段時(shí)間內(nèi)由于過熱而導(dǎo)致頻率從最高的 1.7GHz 開始下降。當(dāng)然，NVIDIA 在這里公布的是 speed 模式下的 CPU2000INT 測試結(jié)果，這個模式下是單線程的測試，只有一個 CPU 內(nèi)核會被使用。

    比較遺憾的是高通對這個測試結(jié)果尚未提出異議（據(jù)說高通對于處理器性能的孰高孰低并不十分看重，他們戲稱是賣基帶送 CPU），而 CPU2000 的配置對一般人來說是相當(dāng)復(fù)雜的事情，所以這個測試暫時(shí)沒有第三方使用同樣的平臺測試佐證。

    威盛電子在發(fā)布 Nano X2 處理器的時(shí)候曾經(jīng)公布過一份文件，里面也有采用 CPU2000 對 Nano X2 1.2+GHz 和 Atom D525 進(jìn)行測試，其中 gcc 編譯器出來的 CPU2000 INT 成績分別為 799 和 582，采用 Intel 編譯器出來的成績分別是 955 和 725。

    NVIDIA 的 Tegra 4 的 CPU 屬于 ARMv7A 指令集，因此編譯器很可能是 armcc 或者 gcc，NVIDIA 新近收購的 PGI 是一家老牌編譯器廠商，也許它能提供內(nèi)部測試版給 NVIDIA，只是 PGI 過往從未發(fā)布過 ARM 系編譯器。

    到這里，大家應(yīng)該對 Cortex-A15 的架構(gòu)特點(diǎn)以及和它的一些競爭對手在性能上的區(qū)別有大致的了解，不過這樣的旗艦級處理器在智能設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用情況又如何呢？