ARM 陣營的自主微架構或採用標準 Cortex-A 微架構到底差在哪?

在稍早 ARM 宣布 64 位元強化版指令集 ARMv8-A 以及全新的高階微架構 Cortex-A72 時,初始共同宣示的合作夥伴少了過去常見的親密夥伴三星,雖然 ARM 表示有高達 10 家以上的合作夥伴成為首波授權夥伴,不過日前就不斷有傳聞三星將開始自行設計微架構,也不能排除三星打算追隨蘋果、高通、 NVIDIA 走向自主架構之路的可能,然而有便利的 Cortex-A 微架構授權,為何還要另起爐灶?

ARM 的架構如其全稱 Advanced RISC Machine 一樣,就是基於精簡型指令集架構 RISC 為基礎所設計,不過隨著市場需求改變,智慧手機興起之後整個市場對於 ARM 架構的效能需求快速攀升,故也漸漸走向複雜化的運算級架構,像是稍早發布的 Cortex-A72 微架構,就聲稱比起五年前的高階架構效能攀升 50 倍。

然而現在的情況是, ARM 的 Cortex-A 微架構雖然是只要花錢授權就可取得的微架構,為何會有廠商願意僅授權 ARMv7 與 ARMv8 指令集重新設計屬於自己的微架構?這邊就先簡單介紹一下原因。

雖然架構複雜可以靠著製程方式降低功耗與發熱,不過自去年 Cortex-A15 架構的產品逐漸問世後其實也間接證實效能與功耗難以兼得,是故才會有大小核架構的誕生;大小核藉由較為簡單但功能仍舊齊全的 Cortex-A7 作為在低負載狀態下的系統運作架構,等到需要高效能時才轉換到 Cortex-A15 。

不過終究來說,大小核的出現也反映 ARM 的設計在高效能與低功耗之間還無法取得平衡點,關鍵就在於其基礎架構缺乏核心獨立管理的設計,然而這在 PC 的 x86 處理器卻已經是多核處理器必備的設計。

在 ARM 的標準微架構下,雖然功能已經比初期開放許多,不過基本上就是以最多四個核心成為一個群組,該群組內的核心將依照相同的時脈與電壓運作,後期則是開放各核心可單獨進行休眠的,然而仍不能像 x86 的多核心設計一樣各個核心以不同的電壓與時脈運作。

這樣的架構產生的問題是即便現在的工作需求僅超越單核心 10% 的效能,當開啟第二個核心時,仍需要將兩個核心以相同的高時脈處理工作,無法依工作量調配第二核心的時脈與電壓;同時大核心架構也由於過於複雜,待機功耗也無法降低,才因此設法透過第二組低功耗的核心做為平時運作的核心。

所以如高通的 32 位元自主微架構 Krait 的其中一項特色,其實就是將四個核心拆開視為四個獨立的核心群組,避開 ARM 標準微架構下必須四核心同步的狀況,同時也藉由獨立可變電壓與獨立時脈管理,藉此降低功耗同時取得效能上的平衡點;不過也由於架構略為複雜化,導致 Krait 的時脈效能轉換始終不及原生的 Cortex-A 微架構。

另一個促使各家廠商投入自主微架構開發的誘因,就是效能的改善,最顯著的例子就是蘋果的 A 系列處理器;蘋果已經透過授權方式取得 ARM 指令集重新設計核心好一陣子,從結果論來看,雖然在純運算效能上不及高時脈的 ARM 微架構,然而若以相同時脈換算的效能比卻相當的驚人。

另一個例子則是 NVIDIA 在去年底所推出的 Tegra K1 雙 Denver 版本, Denver 是 NVIDIA 依循 ARMv8 指令集重新設計的 64 位元微架構,在多個測試成績也是少數與蘋果 A8 所採用的核心設計效能相當的,雖然該處理器核心時脈設定較高,但也別忘了蘋果還有系統架構最佳化的優勢,也證實若有能力設計自主微架構,也能改善 ARM 標準微架構的功耗效能比。

然而每一家廠商各有擅場,也非得要自行設計架構才能創造商品差異化,畢竟運算核心不過只是整個 SoC 的一部分,即便兩家廠商使用相同的 ARM Cortex-A 搭配同級的 Mali GPU 並且以相同製程生產,由於其他周邊架構規劃的不同,在實際體驗仍會有顯著的不同。

故採用自主架構的意義不光只是改善效能,更有一部份更是藉由自主架構與標準微架構的比較,藉此證實在研發與技術上的實力,但也非每一家廠商都有能力規劃出良好的架構,畢竟像是 NVDIA 藉助於延攬全美達的工程師, AMD 則有其 x86 架構經驗為基礎,所以多半的廠商仍寧可使用速成的 Cortex-A 微架構。

但相較於 x86 架構由少數廠商壟斷架構技術, ARM 則透過可選擇授權指令集以及授權微架構的方式,同時不硬性規範整個 SoC 設計的方式,使市場上採用 ARM 指令集架構的晶片得以差異化,也因此不致使 ARM 架構處理器的產品發展落入僵化。

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