性能暴增30%还省电！ARM全新CPU A73架构解读

ARM今天发布了全新的旗舰级CPU Cortex-A73，代号Artemis，10nm FinFET工艺下面积还不到0.65平方毫米，而频率可高达2.8GHz，峰值性能、持续性能都可比A72提升最多30％，华为海思、三星电子、联发科、Marvell等都已经签署授权。

【ARM高端CPU简史：发热是个大问题】

在深入了解A73之前，我们先来回顾一下ARM这几年的高端移动CPU，首先是A9。

A9可以说是里程碑式的产品，奠定了ARM今后多年的坚实基础，也诞生了大量优秀处理器芯片，比如苹果A5、三星Exynos 4210/4412、德州仪器OMAP4430/4460。

之后是A15，IPC(每时钟周期在指令数)提升是Cortex-A系列历史上最大的，性能很猛，代价就是功耗也高了，三星的Exynos 5250/5410就备受困扰。

为了解决性能与功耗的平衡问题，ARM提出了big.LITTLE混合架构，也诞生了海思麒麟920、三星Exynos 5422这样一些成功产品。

A57是首个64位移动大核心，而在苹果A7的刺激下，整合移动行业向64位飞奔，但是A57核心太大了，功耗和发热难以控制，结果要么就是骁龙810这种硬上A75的因为过热而陷入麻烦，要么就是麒麟930、联发科Helio X10这样只敢上A53小核心的性能还不如前辈。

三星此时异军突起，Exynos 5433/7420成功控制了A57，再加上三星工艺的进步，一时间霸气侧漏。

A72虽然只是A57的改良版，但效果很好，比如说骁龙650/652这样的中端产品，已经可以逼近甚至超越上代旗舰级的骁龙808/810。

【A73身世揭秘：和A72无关！】

A15、A57、A72架构上都属于Austin(奥斯汀)，A5、A7、A53均属于Cambridge(剑桥)，A12、A17和今天的A73则都来自于Sophia(索菲亚)——位于法国南部风景迷人地中海之滨的索菲亚科技园区(Sophia Antipolis)，是欧洲最大的科技园区，ARM CPU的法国设计团队就在那儿。

从产品定位上看，A73显然要取代A72，但是从技术层面讲，它其实是A17的进化版本，整体微架构、流水线、宽度设计都与之类似，反而和A72差别很大。

最明显的就是，A72采用了三发射设计，A73则是双发射的，但加上其他改进，结果就是性能高于A72、功耗低于A72 。

显然，ARM充分意识到了移动处理器能效的重要性，宣传A73的时候也特别强调其持续性能，即能够长期稳定运行的表现。

【A73架构解析：性能与功耗兼得】

为了便于理解A73的不同，我们先来看看A72的架构图：

15+级乱序流水线，128位预取，3宽度解码，每时钟周期可分派最多5个微操，满足最多7个发射队列，进入8个执行流水线。

A73十分类似A17，因为顺序前端的优化流水线短得多，预取阶段也只有4级深度(A72 5级)，整个流水线深度也才11-12级。

相比于A17，它将整体最大分配率从4个微操增加到了6个。NEON发射序列仍然是2个微操，但是整数部分翻番到了4个。

浮点流水线还是2条，预取监视器也是1个，但是AGU部分可同时执行载入和存储操作。整数流水线则分成了2个复杂的ALU，分别负责乘法和除法。

A73继承了A17的架构理念，优化流水线、资源和接口，以求在最低功耗下获得最大性能，并且特别注意了32/64位架构之间的平衡。

A73依然坚持四核心理念，即每个簇可拥有1-4个核心，然后使用SCU单元互联各个簇。二级缓存最多8MB，等同于A17而两倍于A72，但相信多数芯片厂商都会选择1-2MB。

A15/57/72还肩负着冲击工业、大规模服务器系统的重任，A73就简单了，只针对消费级市场，这让它轻松了不少，比如去掉了AMBA5 CHI接口，仅支持AMBA4 ACE，一级缓存也不再支持ECC。

内存系统的变化也异常重要，双发射载入/存储单元扮演了大角色，提高了发射率。

数据缓存寻址机制从PIPT(物理索引物理标签)变成了VIPT(虚拟索引物理标签)，数据缓存最大64KB，翻了一番，号称仅此就能提升4％的性能。

一级和二级缓存的预取器也有了大幅改进，再加上其他种种完善，号称外部内存带宽可提升最多20％。

为功耗特别优化的指令拾取

艺术级的分支预取

高性能优化的数据路径

更深入的架构细节我们暂时就不谈了，技术性太强，一般用户也无需关心，只要知道A73的成果就行了：

相比A72，典型移动应用性能提升10％，SIMD媒体和计算性能提升5％，内存吞吐能力提升15％。

整数应用功耗节省最多30％，浮点和二级缓存应用节省最多25％。同等工艺频率下至少节省20％。

迄今最小的高端核心，同等工艺、性能下比A72小最多25％。

扩展性强，10nm FinFET工艺下再为性能优化一番，如果是四核心、2.8GHz频率、64KB/64KB一级缓存、2MB二级缓存，核心面积只需大约5平方毫米，功耗不到0.75W。

28nm HPC工艺下，双核心、2.0GHz频率、32KB/64KB一级缓存、1MB二级缓存，核心面积约6平方毫米。

看这样子，16nm下A73核心就应该能达到2.8GHz，10nm有望突破3GHz。

相比于四大A53四小A53的八核心，两大A73四小53组成六核心后，可以在核心面积相同的情况下，性能提升30％，最佳响应时间提升90％！

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功耗优化多过性能 ARM Cortex-A73解析

虽然目前智能手机和平板之类的设备已经对极致性能没有了太多的诉求，但VR又成了下一个着力点，近日ARM就在Computex 2016上公布了可以说是为VR设备的沉浸式体验准备的Cortex-A73新架构，均对VR的性能和显示需求做好了准备。

功耗优化多过性能 ARM Cortex-A73解析

回顾一下前任A72，作为big.LITTLE架构里的大核在今年的主流市场得到了广泛应用，骁龙650里有两个，骁龙652里有四个，麒麟950/955里有四个，联发科Helio X20/X25里有两个，当然考虑到各自的不同定位，工作频率及制程工艺上的选择都各有不同；从产品分布可以看出，今年的Cortex-A72并不如前任Cortex-A57那样在高端市场吃香（骁龙810、Exynos 7420），三星用了半自主架构，而高通则彻底回到自主架构。

A9~A73发展历史回顾

抛开那颗著名的寿命极长、高能效比的Cortex-A7不说，Cortex-A9是对于ARM来说极为重要的里程碑，采用该架构的平台——诸如苹果A5、三星Exynos 4210/4412、德仪OMAP 4430/4460都证明了A9的成功。

之后便是毁誉参半的Cortex-A15，性能相比之前突飞猛进的同时带来了不小的功耗和发热问题，比如Exynos 5250/5410都受其影响，再想想当年的核弹Tegra 4什么的……

而看到这一问题的ARM也在随后推出了著名的big.LITTLE架构，随之诞生了全球首款真八核Exynos 5422，以及麒麟920等平台。

随着Cortex-A57的登场，ARM阵营正式迈入ARMv8 64位指令集时代，当然这也是苹果A7的功劳，与Cortex-A53结合的大小核架构成为了随后的主流，其中出现了4大4小、2大4小、不同频率的两组4小各种组合方式，并流传至今；其中有人欢喜有人愁，三星靠Exynos 7420成功夺得眼球，而骁龙810则因为发热问题成为了一代尴尬的旗舰。

在这些主流微架构之外，还有2013年7月公布的Cortex-A12以及2014年2月公布的Cortex-A17，短命和不受待见没让其成为主流，只有MT6595这样极少的平台采用。

A17家族而非A72升级

而此次的A73并非是简单的A72升级，这还要从ARM的家族划分说起，A15、A57、A72属于Austin家族（来源于ARM位于美国德州奥斯汀的设计中心），而A5、A7、A53则属于Cambridge家族（名字来源于ARM总部英国剑桥），A12、A17以及刚刚公布的A73属于Sophia家族（名字来源于欧洲最大科技园区索菲亚，也就是ARM法国CPU设计中心所在地）。

虽然命名上Cortex-A73看似是A72的升级，但是从技术层面讲，它其实是A17的进化版本，整体微架构、流水线、宽度设计都与之类似，反而和A72差别很大，并且，A73也没有保留A72的三发射，而是采用了与之前的Sophia家族微架构相同的双发射。而ARM此次的宣传显然也是侧重能效而非性能，对于前两代动辄5W甚至10W的峰值功耗来说，ARM期待Cortex-A73能够长效的保持高性能，而不是因为短暂高频运行后发热降频，换句话说，要持久…

对比一下A73与A72的流水线图，你就能发现设计思路上的显著不同。Cortex-A72采用了15级以上的乱序流水线设计、128位预取指令、3发射解码、每个时钟周期分配最多5个微操作、满足最多7个发射队列进入8个执行流水线。

而A73的设计颇似A17，流水线深度较A72有所减少，预取阶段从A72的5级减少为4级，进入浮点流水线的微操作还经过一个额外的取指阶段，整个流水线只有11~12级。

由此可以看出A73的设计基于跟A17相同的逻辑，通过优化流水线、资源和接口来在可实现的最小功耗水平上获取最高的性能。ARM也表示他们还特别进行了32位/64位状态下的平衡优化。

性能提升上，ARM表示A73在所有重要的移动应用上都具备超越A72的性能表现，不过给出的对比倒是不多，比如BBench网页载入测试性能相比A72提升10%，FFMEG解码多媒体性能提升5%，内存存取性能提升15%。

而更被看重的性能方面，整数应用当中A73有25%的功耗降低，浮点和二级缓存应用当中有30%左右的降低，ARM也表示在相同的频率下，A73整体相对于A72有着20%的功耗降低。

10nm制程让A73的尺寸在相同性能下比A72小25%，因此双核A73的尺寸基本跟四核A53相同，特别是在如今众多采用4+4 A53设计的处理器性能表现并不抢眼的情况下，这一组合有望被2xA73+4xA53的设计替代，在核数减少单线程性能大幅提升的同时保持相同的芯片面积。

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