ARM Cortex-A55: 從端到云實(shí)現(xiàn)高效能

你是否已經(jīng)聽(tīng)說(shuō)了最近市場(chǎng)上發(fā)布了幾款新的 CPU?它們的性能非常強(qiáng)大!當(dāng)然，我說(shuō)的就是 ARM Cortex-A75 和Cortex-A55，即首批基于新近發(fā)布的DynamIQ 技術(shù)的Cortex-A系列處理器。本文我們討論的就是 Cortex-A55：一款對(duì)為未來(lái)數(shù)字世界舉足輕重的處理器。下面就隨單片機(jī)小編一起來(lái)了解一下相關(guān)內(nèi)容吧。

出生名門(mén)，久經(jīng)考驗(yàn)

想要理解 Cortex-A55 的真正潛力，我們來(lái)簡(jiǎn)要回顧一下其上一代產(chǎn)品：ARM Cortex-A53。采用這款 CPU 的設(shè)備已超過(guò) 15億臺(tái)，該 CPU 依然是當(dāng)今業(yè)界出貨量最高的 64 位 Cortex-A 系列 CPU。Cortex-A53 于 2012 年發(fā)布，其獨(dú)一無(wú)二的設(shè)計(jì)，集性能、低功耗以及尺寸擴(kuò)展性于一身，具備一系列多用途特性，因而可應(yīng)用于諸多市場(chǎng)，其中包括高端智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、汽車(chē)信息娛樂(lè)、高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)、數(shù)字電視、入門(mén)級(jí)移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)級(jí)設(shè)備乃至人造衛(wèi)星。

然而自 2012 年以來(lái)，我們周?chē)氖澜绨l(fā)生了許多變化。我們現(xiàn)在看到的新興趨勢(shì)表明，保持互聯(lián)、萬(wàn)物智能的數(shù)字世界具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。從完全自主的自?dòng)駕駛汽車(chē)到各類(lèi)設(shè)備上的智能應(yīng)用程序，人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 將真正融入到我們的日常生活中，這一點(diǎn)已成定局。物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的盛行意味著“物”的爆炸性增長(zhǎng)，越來(lái)越多的“物”在持續(xù)生成數(shù)據(jù)、消費(fèi)數(shù)據(jù)以及與數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)以及混合現(xiàn)實(shí) (AR、VR 以及 MR) 注定會(huì)徹底改變我們?nèi)祟?lèi)之間以及人機(jī)之間的互動(dòng)方式，將現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界融于一體。

在過(guò)去兩年里，ARM 的工程師致力于研究 Cortex-A53 的后繼產(chǎn)品，以滿(mǎn)足這類(lèi)新興技術(shù)的需求，我們的目標(biāo)是打造出一款性能、效能以及擴(kuò)展性均大幅提升的 CPU，而且這款 CPU 還需要具備諸多先進(jìn)的特性，從而滿(mǎn)足從端到云的各種未來(lái)應(yīng)用需求，幸運(yùn)的是我們做到了。

性能全面提升

Cortex-A55 采用最新的 ARMv8.2 架構(gòu)，并在其前代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上打造而成。它在性能方面突破了極限，同時(shí)依舊保持了與 Cortex-A53 相同的功耗水平。我們盡全力改進(jìn) Cortex-A53，并賦予其以下特性：

· 在相同的頻率與工藝條件下，內(nèi)存性能最高可達(dá) Cortex-A53 的兩倍

· 在相同的頻率與工藝條件下，效能比 Cortex-A53 高 15%

· 擴(kuò)展性比 Cortex-A53 高十倍以上

這些歸功于我們專(zhuān)注于 Cortex-A53 現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理念并挑戰(zhàn)這些理念。

· 我們對(duì)分支預(yù)測(cè)程序(branch predictor)進(jìn)行了全面修改，在其算法中融入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元素來(lái)改進(jìn)預(yù)測(cè)。此外還新增了零周期分支預(yù)測(cè)程序(Zero-cycle branch predictor)以便進(jìn)一步減少流水線(xiàn)中的泡沫。這樣可以使指令之間的空閑時(shí)間越來(lái)越短。

· 我們的設(shè)計(jì)是，使二級(jí)高速緩存對(duì)每一顆 CPU 而言都是專(zhuān)用緩存，這樣一來(lái)與 Cortex-A53 相比，二級(jí)高速緩存的存取時(shí)間縮短了 50% 以上。我們還將二級(jí)高速緩存的工作頻率設(shè)計(jì)成與 CPU 相同的頻率。通過(guò)降低延遲大幅提升 CPU 在各類(lèi)基準(zhǔn)測(cè)試工具中的性能。

· 我們推出了三級(jí)高速緩存，可供集群內(nèi)的所有 Cortex-A55 CPU 共享。這讓 DynamIQ 集群能夠得益于 CPU 附近增多的內(nèi)存容量，從而提升性能、降低系統(tǒng)功率。三級(jí)高速緩存是 DynamIQ 共享單元 (DSU) 的一部分，DSU 是DynamIQ 處理器中的一個(gè)新的功能單元。

· 8 位整數(shù)矩陣乘法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的影響超過(guò)85%。Cortex-A55 NEON流水線(xiàn)中增添了新的架構(gòu)指令，使其能夠在每個(gè)周期執(zhí)行 16 次 8 位整數(shù)運(yùn)算。這些新的指令還使該 CPU 能夠在每個(gè)周期執(zhí)行 8 次 16 位浮點(diǎn)運(yùn)算、對(duì)兩條 MAC 指令進(jìn)行舍入操作，有利于色彩空間轉(zhuǎn)換。

相較Cortex-A53，實(shí)現(xiàn)效能的大幅提升

對(duì)分支預(yù)測(cè)程序、NEON 和 FP 單元的上述改進(jìn)以及內(nèi)存延遲的縮短僅僅是 Cortex-A55 取得大幅性能提升的部分原因。Cortex-A55 不但實(shí)現(xiàn)了大幅性能提升，而且保持了與 Cortex-A53 相類(lèi)似的功耗。總而言之，Cortex-A55 在節(jié)能性方面實(shí)現(xiàn)了 15% 的提升。相對(duì)于性能而言，功率在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中更加重要。在提供同等性能的情況下，Cortex-A55 消耗的功率比 Cortex-A53 低 30% 之多!

Cortex-A55提供持續(xù)性能的時(shí)間遠(yuǎn)比當(dāng)今的 Cortex-A53 解決方案更長(zhǎng)。這一點(diǎn)對(duì)于 AR、VR 以及 MR 等領(lǐng)域的用戶(hù)體驗(yàn)而言至關(guān)重要，這些領(lǐng)域預(yù)計(jì)將會(huì)在未來(lái)移動(dòng)市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。這些使用場(chǎng)合已經(jīng)高度線(xiàn)程化，對(duì)延遲有嚴(yán)格的要求。后者指的是移動(dòng)時(shí)間延遲，根據(jù)行業(yè)研究，這種延遲需要保持在 20 毫秒或以下，這樣才不會(huì)導(dǎo)致惡心和頭暈。雖然當(dāng)今的 CPU 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了達(dá)到 20 毫秒延遲所需的性能水平，但是發(fā)熱限制意味著這些 CPU 無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持這樣的性能水平。有了 Cortex-A55，我們就能給出未來(lái) VR 設(shè)備中延長(zhǎng)持續(xù)性能時(shí)間的解決方案。

行業(yè)領(lǐng)先的效率讓 Cortex-A55 在基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)卓爾不群。以太網(wǎng)供電 (PoE) 無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)以及安裝在后視鏡上的發(fā)熱受限的汽車(chē)解決方案等應(yīng)用均可利用熱效率極高的 Cortex-A55 在特定的發(fā)熱范圍內(nèi)提供最高性能。在 5G 遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)電頭端 (RRH)，Cortex-A55 CPU 還能夠在特定功率范圍內(nèi)最大限度增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

從端擴(kuò)展至云

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