ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

你是否已经听说了最近市场上发布了几款新的 CPU？它们的性能非常强大！当然，我说的就是 ARM Cortex-A75 和 Cortex-A55，即首批基于新近发布的 DynamIQ 技术的 Cortex-A 系列处理器。本文我们讨论的就是 Cortex-A55：一款对为未来数字世界举足轻重的处理器，原因如下。

出生名门，久经考验

ARM Cortex-A75 和 Cortex-A55 是首批问世的 DynamIQ 处理器。

想要理解 Cortex-A55 的真正潜力，我们来简要回顾一下其上一代产品：ARM Cortex-A53。采用这款 CPU 的设备已超过 15亿台，该 CPU 依然是当今业界出货量最高的 64 位 Cortex-A 系列 CPU。Cortex-A53 于 2012 年发布，其独一无二的设计，集性能、低功耗以及尺寸扩展性于一身，具备一系列多用途特性，因而可应用于诸多市场，其中包括高端智能手机、网络基础设施、汽车信息娱乐、高级驾驶员辅助系统 (ADAS)、数字电视、入门级移动设备和消费级设备乃至人造卫星。

然而自 2012 年以来，我们周围的世界发生了许多变化。我们现在看到的新兴趋势表明，保持互联、万物智能的数字世界具有非常大的发展潜力。从完全自主的自动驾驶汽车到各类设备上的智能应用程序，人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 将真正融入到我们的日常生活中，这一点已成定局。物联网 (IoT) 应用的盛行意味着"物"的爆炸性增长，越来越多的"物"在持续生成数据、消费数据以及与数据进行交互。增强现实、虚拟现实以及混合现实 (AR、VR 以及 MR) 注定会彻底改变我们人类之间以及人机之间的互动方式，将现实世界与数字世界融于一体。

在过去两年里，ARM 的工程师致力于研究 Cortex-A53 的后继产品，以满足这类新兴技术的需求，我们的目标是打造出一款性能、效能以及扩展性均大幅提升的 CPU，而且这款 CPU 还需要具备诸多先进的特性，从而满足从端到云的各种未来应用需求，幸运的是我们做到了。

性能全面提升

Cortex-A55 实现了全面的性能提升

Cortex-A55 采用最新的 ARMv8.2 架构，并在其前代产品的基础上打造而成。它在性能方面突破了极限，同时依旧保持了与 Cortex-A53 相同的功耗水平。我们尽全力改进 Cortex-A53，并赋予其以下特性：

·在相同的频率与工艺条件下，内存性能最高可达 Cortex-A53 的两倍

·在相同的频率与工艺条件下，效能比 Cortex-A53 高 15%

·扩展性比 Cortex-A53 高十倍以上

这些归功于我们专注于 Cortex-A53 现有的设计理念并挑战这些理念。

·我们对分支预测程序（branch predictor)进行了全面修改，在其算法中融入了神经网络元素来改进预测。此外还新增了零周期分支预测程序（Zero-cycle branch predictor）以便进一步减少流水线中的泡沫。这样可以使指令之间的空闲时间越来越短。

·我们的设计是，使二级高速缓存对每一颗 CPU 而言都是专用缓存，这样一来与 Cortex-A53 相比，二级高速缓存的存取时间缩短了 50% 以上。我们还将二级高速缓存的工作频率设计成与 CPU 相同的频率。通过降低延迟大幅提升 CPU 在各类基准测试工具中的性能。

·我们推出了三级高速缓存，可供集群内的所有 Cortex-A55 CPU 共享。这让 DynamIQ 集群能够得益于 CPU 附近增多的内存容量，从而提升性能、降低系统功率。三级高速缓存是 DynamIQ 共享单元 (DSU) 的一部分，DSU 是 DynamIQ 处理器中的一个新的功能单元。

·8 位整数矩阵乘法对神经网络性能的影响超过85%。Cortex-A55 NEON 流水线中增添了新的架构指令，使其能够在每个周期执行 16 次 8 位整数运算。这些新的指令还使该 CPU 能够在每个周期执行 8 次 16 位浮点运算、对两条 MAC 指令进行舍入操作，有利于色彩空间转换。

相较Cortex-A53，实现效能的大幅提升

在功率和热效率方面继续保持领先

对分支预测程序、NEON 和 FP 单元的上述改进以及内存延迟的缩短仅仅是 Cortex-A55 取得大幅性能提升的部分原因。Cortex-A55 不但实现了大幅性能提升，而且保持了与 Cortex-A53 相类似的功耗。总而言之，Cortex-A55 在节能性方面实现了 15% 的提升。相对于性能而言，功率在产品设计中更加重要。在提供同等性能的情况下，Cortex-A55 消耗的功率比 Cortex-A53 低 30% 之多！

Cortex-A55 提供持续性能的时间远比当今的 Cortex-A53 解决方案更长。这一点对于 AR、VR 以及 MR 等领域的用户体验而言至关重要，这些领域预计将会在未来移动市场上占据主导地位。这些使用场合已经高度线程化，对延迟有严格的要求。后者指的是移动时间延迟，根据行业研究，这种延迟需要保持在 20 毫秒或以下，这样才不会导致恶心和头晕。虽然当今的 CPU 已经实现了达到 20 毫秒延迟所需的性能水平，但是发热限制意味着这些 CPU 无法长时间维持这样的性能水平。有了 Cortex-A55，我们就能给出未来 VR 设备中延长持续性能时间的解决方案。