ARM新殺器，Cortex-A73架構解讀

         ARM今天發布了全新的旗艦級CPU Cortex-A73，代號Artemis，10nm FinFET工藝下面積還不到0.65平方毫米，而頻率可高達2.8GHz，峰值性能、持續性能都可比A72提升最多30％，華為海思、三星電子、聯發科、Marvell等都已經簽署授權。

ARM高端CPU簡史：發熱是個大問題

         在深入了解A73之前，我們先來回顧一下ARM這幾年的高端移動CPU，首先是A9。

         A9可以說是里程碑式的產品，奠定了ARM今后多年的堅實基礎，也誕生了大量優秀處理器芯片，比如蘋果A5、三星Exynos 4210/4412、德州儀器OMAP4430/4460。

         之后是A15，IPC（每時鐘周期在指令數）提升是Cortex-A系列歷史上最大的，性能很猛，代價就是功耗也高了，三星的Exynos 5250/5410就備受困擾。

         為了解決性能與功耗的平衡問題，ARM提出了big.LITTLE混合架構，也誕生了海思麒麟920、三星Exynos 5422這樣一些成功產品。

         A57是首個64位移動大核心，而在蘋果A7的刺激下，整合移動行業向64位飛奔，但是A57核心太大了，功耗和發熱難以控制，結果要么就是驍龍810這種硬上A75的因為過熱而陷入麻煩，要么就是麒麟930、聯發科Helio X10這樣只敢上A53小核心的性能還不如前輩。

         三星此時異軍突起，Exynos 5433/7420成功控制了A57，再加上三星工藝的進步，一時間霸氣側漏。

         A72雖然只是A57的改良版，但效果很好，比如說驍龍650/652這樣的中端產品，已經可以逼近甚至超越上代旗艦級的驍龍808/810。

         A73身世揭秘：和A72無關

         A15、A57、A72架構上都屬于Austin（奧斯?。?，A5、A7、A53均屬于Cambridge（劍橋），A12、A17和今天的A73則都來自于Sophia（索菲亞）——位于法國南部風景迷人地中海之濱的索菲亞科技園區（Sophia Antipolis），是歐洲最大的科技園區，ARM CPU的法國設計團隊就在那兒。

         從產品定位上看，A73顯然要取代A72，但是從技術層面講，它其實是A17的進化版本，整體微架構、流水線、寬度設計都與之類似，反而和A72差別很大。

         最明顯的就是，A72采用了三發射設計，A73則是雙發射的，但加上其他改進，結果就是性能高于A72、功耗低于A72。

         顯然，ARM充分意識到了移動處理器能效的重要性，宣傳A73的時候也特別強調其持續性能，即能夠長期穩定運行的表現。

         A73架構解析：性能與功耗兼得

         為了便于理解A73的不同，我們先來看看A72的架構圖：

         15+級亂序流水線，128位預取，3寬度解碼，每時鐘周期可分派最多5個微操，滿足最多7個發射隊列，進入8個執行流水線。

        A73十分類似A17，因為順序前端的優化流水線短得多，預取階段也只有4級深度（A72 5級），整個流水線深度也才11-12級。

         相比于A17，它將整體最大分配率從4個微操增加到了6個。NEON發射序列仍然是2個微操，但是整數部分翻番到了4個。

         浮點流水線還是2條，預取監視器也是1個，但是AGU部分可同時執行載入和存儲操作。整數流水線則分成了2個復雜的ALU，分別負責乘法和除法。

         A73繼承了A17的架構理念，優化流水線、資源和接口，以求在最低功耗下獲得最大性能，并且特別注意了32/64位架構之間的平衡。

         A73依然堅持四核心理念，即每個簇可擁有1-4個核心，然后使用SCU單元互聯各個簇。二級緩存最多8MB，等同于A17而兩倍于A72，但相信多數芯片廠商都會選擇1-2MB。

         A15/57/72還肩負著沖擊工業、大規模服務器系統的重任，A73就簡單了，只針對消費級市場，這讓它輕松了不少，比如去掉了AMBA5 CHI接口，僅支持AMBA4 ACE，一級緩存也不再支持ECC。

        內存系統的變化也異常重要，雙發射載入/存儲單元扮演了大角色，提高了發射率。

         數據緩存尋址機制從PIPT（物理索引物理標簽）變成了VIPT（虛擬索引物理標簽），數據緩存最大64KB，翻了一番，號稱僅此就能提升4％的性能。

         一級和二級緩存的預取器也有了大幅改進，再加上其他種種完善，號稱外部內存帶寬可提升最多20％。

         更深入的架構細節我們暫時就不談了，技術性太強，一般用戶也無需關心，只要知道A73的成果就行了：

      相比A72，典型移動應用性能提升10％，SIMD媒體和計算性能提升5％，內存吞吐能力提升15％。

         整數應用功耗節省最多30％，浮點和二級緩存應用節省最多25％。同等工藝頻率下至少節省20％。

迄今最小的高端核心，同等工藝、性能下比A72小最多25％。

         擴展性強，10nm FinFET工藝下再為性能優化一番，如果是四核心、2.8GHz頻率、64KB/64KB一級緩存、2MB二級緩存，核心面積只需大約5平方毫米，功耗不到0.75W。

         28nm HPC工藝下，雙核心、2.0GHz頻率、32KB/64KB一級緩存、1MB二級緩存，核心面積約6平方毫米。

         看這樣子，16nm下A73核心就應該能達到2.8GHz，10nm有望突破3GHz。

        比于四大A53四小A53的八核心，兩大A73四小53組成六核心后，可以在核心面積相同的情況下，性能提升30％，最佳響應時間提升90％！