ARM Cortex-A15处理器架构与iPad3性能/配置前瞻

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ARM Cortex-A15处理器架构与iPad3性能/配置前瞻
　　随着2012年3月7日的临近，关于苹果新一代iPad的消息也越来越多，不过相对以往的各种猜测五花八门的盛况不同，此次新一代iPad的很多具体的功能和性能参数的预测消息已经比较统一，这是因为这些功能在iPad2发布之前苹果就早有准备，例如Retina级别的屏幕达到2048x1536分辨率，已经在苹果 iPhone 4S 16G上使用的Siri等等。但最近争议较大的是，最新的处理器是苹果A6，或是A5X。
　　今天，我们也抱着一颗八卦的心，又以科学严谨的态度，来预测一下iPad3配置到底是哪样啊？理论上说，下文绝对不是乱猜，我们是按照苹果公司以往的习惯、历代产品的更新，以及整个上游技术的发展综合分析来进行预测。玩笑至此，严肃的说，这不仅仅代表iPad3使用什么处理器，有怎样性能，也代表了整个平板电脑应用，甚至各种新兴移动设备，智能设备的发展趋势。
　　ARM公司Cortex-A15核心
　　如果不是前几天的新闻，号称拍摄到了苹果的iPad3处理器是A5X而不是A6，恐怕大多数都不会怀疑苹果iPad3的处理器会使用全新的ARM Cortex-A15架构处理器。不过我们认为，无论名字怎么起，Cortex-A15核心使用的可能性极大，几乎找不出任何理由和迹象来拒绝这次更新。虽然苹果没有发布A5X或A6处理器的性能，但我们从TI、三星、高通等公司发布的产品已经可以对它的整体水平了解大概。

                               
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ARM Cortex-A15 架构示意图

　　Cortex-A15核心，与Cortex-A9一样，同样基于ARMv7-A架构，定位上是Cortex-A9的替代品，但架构上有较大变化，对多核心的效率和管理上有重要意义。而在浮点运算单元上，也有升级。我们简单来看看Cortex-A15的变化。

                               
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ARM Cortex-A9 架构示意图

                               
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ARM Cortex-A9 工作流程示意图

　　首先，我们看到ARM公司官方提供的两张处理器的原理架构图。我们发现，在Cortex-A9处理器的工作流程中，多核心中断控制与分配是放在最后一层的，而在Cortex-A15中，这一部分的工作是放在核心运算之前的。在NVIDIA的Tegra3技术文档中曾经谈到，Android下，多核心在不同核心运行于不同频率时，整体效率会受到最低频率的核心的限制，所以Tegra3在多核心的控制管理上有所优化。也许这与ARM Cortex-A9多核心原始设计有关。而在Cortex-A15上，架构上有了很大变化，也许多核心处理的效率会更高。
　　从浮点运算单元来看，Cortex-A15核心每个核心内建VFPv4浮点单元。VFPv4是Vector Floating-Point version 4，而在Cortex-A9上是Version 3，Cortex-A8是Version 2。此次VFPv4是ARM处理器的浮点运算首次完全支持IEEE 754标准。在以往，ARM处理器的浮点运算性能一直是短板，尤其是在ARMv7之前，此次VFPv4会对浮点运算带来怎样改进？
　　除此之外，Cortex-A15的缓存管理也略有改进。每个核心将都分别具有32KB的数据与指令L1 Cache，L2 Cache二级缓存被多个核心共享，目前官方提供数据支持512KB、1MB、2MB、4MB等标准，二级缓存的控制机制延迟要比Cortex-A9时有所进步。
　　最后，Cortex-A15从设计之初并不仅仅定位于移动设备，它支持40bit Large Physical Address Extensions, LPAE，内存寻址高达1TB，同时，它开始完全支持硬件虚拟化。这些应用，甚至瞄准的是多颗ARM处理器打造的高性能运算平台。
　　TI、三星、高通的Cortex A-15核心产品
　　TI OMAP5系列：OMAP 5430/5432是号称业界首款Cortex-A15核心的产品。TI公司在2011年底发布了OMAP5 SoC芯片的详细架构示意图，并大概公布了相关效能，我们从OMAP5来看看Cortex-A15的表现。

                               
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TI OMAP 5430处理器架构示意图

                               
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TI OMAP 5430/5432主要参数

　　OMAP 5430与5432在大体架构上没有区别，只是封装尺寸，外部I/O因为定位不同稍有不同。OMAP 5430仍然定位于智能手机、平板电脑等，而OMAP 5432可能偏重于尺寸稍大一些的设备，例如类似笔记本电脑的产品。所以，我们先来看一张OMAP 5430的架构图。从架构图中，我们看到，它使用了两个Cortex-A15核心，最高频率可达2GHz。为了保证低负荷下系统更低功耗，OMAP 5430还使用了两个Cortex-M4核心。在视频、2D图像部分，都有专门DSP单元负责，电源管理与音频管理模块与OMAP4系列没有不同。在周边I/O模块上，各种全新的标准一应俱全。SD3.0、eMMC存储接口，SATA 2.0接口[为SSD设计]，USB 3.0 OTG接口，USB2.0接口，HDMI 1.4a标准等等。当然，OMAP5430还搭配了PowerVR SGX544图形处理单元，这要比之前OMAP4系列有不小的提升。

                               
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TI OMAP5 平台性能示意图

　　TI还大概描述了OMAP5系列和Cortex-A15的效能提升，同时在2012年1月展示了使用OMAP5的成品设备。大体来说，28nm工艺制造的Cortex-A15与40nm工艺的Cortex-A9相比，单线程运算效能提升1.5倍，浮点运算性能提升1.6倍。全新的多核心管理架构让它的多核心处理分配更为智能，可按需分配[Cortex-A9明显更低效]。另外，TI在OMAP 5上使用SmartReflex 3能源管理技术，它可以使OMAP 5处理器在达到与指定OMAP 4处理器一样性能的情况下，只需要OMAP 4处理器60%的能耗。换个角度，如果用OMAP 4所需的同样能耗，那么OMAP 5 只需要60%的时间就可以完成所需要做的工作。
　　TI没有更多介绍OMAP 5中PowerVR SGX544的性能，但除去运行频率带来的差异不可估计外，我们知道SONY PS Vita上使用的是PowerVR SGX543 MP4+[同样是四核心]，而苹果A5处理器使用的是PowerVR SGX543MP2，前者为4个核心，后者为2个核心。相对OMAP4系列[除去4470外]的PowerVR SGX540，性能有5倍提升[官方数据]。
　　三星 Exynos 5250：
　　2011年11月30日，三星发布Exynos 5250处理器，它同样使用Cortex-A15双核心，不过使用的是32nm High-k工艺生产。从三星提供的数字来看，2.0GHz的双核心Exynos 5250的运算性能可以达到1.5GHz Cortex-A9核心处理器的两倍，效能显然有很大提高。Exynos 5250还支持EDP接口，支持DispalyPort的输出，最高支持2560x1600的分辨率，同时支持3D立体输出，至于图形单元的具体性能，官方消息中没有透露。
　　高通Snapdragon S4：
　　高通公司同样在2011年底发布了Snapdragon的S4平台，在即将开幕的MWC 2012上，使用S4平台的高通手机就会展出。国外网站AnandTech在21日刚刚发布了，S4平台的性能测试。Snapdragon S4平台，同样使用Cortex-A15架构，不同高通命名为Krait，芯片组代号MSM8960，它采用28nm工艺制造，双核心运行主频1.5GHz。显示单元从Adreno 220升级至Adreno 225。从测试结果来看，与高通S3平台，即MSM8260/8660相比，单线程Linpac浮点运算性能提升1倍，多线程浮点运算性能提升120%。不要忘记MSM8260只是VFPv2浮点单元，即ARMv7-A架构，Cortex-A8核心的改进版本，所以测试结果领先的幅度较大。从SunSpider的JAVA性能测试来看，S4平台性能提升54%，比iPhone 4S即苹果A5核心，性能提升46%。BrowserMar的成绩，较S3平台提升23.5%。Adreno225的3D性能，相比Adreno，也有100%左右的提升。
　　从TI的OMAP 5系列，三星的Exynos 5250，高通Snapdragon S4，我们已经可以看到Cortex-A15核心以及采用该核心新一代产品的大致性能。无论从半导体制造工艺、核心架构更新、图形单元的同步升级等各个方面，在性能上都有明显提升。而从相对细致一些的TI的官方数据来看，它的能耗也有所降低，效能提升十分明显。
　　iPad 3硬件性能前瞻
　　认识了Cortex-A15和苹果公司主要竞争对手的产品，我们在这里可以简单分析一下全新一代iPad的处理器到底会使用怎样的技术，会达到怎样的性能？
　　虽然苹果在历次发布会上，都不会给大家讲什么Cortex-A9、A15，但是纵观历代iPhone和Macbook Air发布，使用最新的核心技术，提供一流的计算能力是一次都不落下的。从以上分析来看，我们不能以2011年初的老新闻来推断苹果的新处理器的架构，因为根据ARM公司的2011年初的计划，Cortex-A15的发布日期是2012年末2013年初，而现在各家的产品的发布计划基本已经确定为2012年第二季度，所以我们认为无论苹果iPad3处理器较A5X还是A6，使用Cortex-A15架构可能性非常大。
　　在iPad2发布会上，苹果A5处理器相对A4处理器的变化，苹果给出以下几点：“双核心，2倍于A4的运算性能，9x于A4的图形性能，与A4一样低的功耗，首款双核心平板。”因此，目前关于iPad3的硬件配置，呼声最高的说法是：“四核心，2GHz频率，比A5至少提升一倍的图形性能等等。
　　从以上我们对Cortex-A15的分析来看，使用四核心的可能性也许不大，但也并不是不可以，因为在低负载下苹果可以使用类似Tegra3或者TI OMAP5上，使用低功耗协核心的方法。而即便使用双核心Cortex-A15，运行频率达到1.5GHz，那么它的运算性能也是A5的两倍。而在图形单元方面，由于iPad3的Retina屏幕基本已经确认，所以图形性能必须大幅度提高。使用PowerVR的单元自然不可能变，PowerVR SGX544+也是现成的配置，而也可能使用PowerVR最新的SGX 5XT系列的图形单元。这样，它的图形性能也相对A5至少提升一倍。
　　也许有些预测认为，在iPhone 4S时，仅仅加入Siri和升级iOS5，便完成了这次令人有些失望的升级，iPad3变化也不会大，毕竟Retina屏幕一点已经足以保证iPad3的销量再创新高。但我们认为，核心技术不做升级的可能性很小。
　　第一，苹果从来没有在类似产品升级中不升级核心技术，即处理器与图形处理器，从iPhone、iPhone 3GS、iPhone 4、iPhone 4S，每一次都有大幅度的升级。第二，虽然现有的运算能力，解决手机日常应用已经绰绰有余，但手机作为全新的智能终端，整个产业的梦想并不这么简单。软件开发者，需要有超前的硬件平台来设计相关应用，在计算机应用不同时期，不同领域，都以这样的模式发展。如果A5X处理器或者A6处理器，不是使用Cortex-A15，通过半年后的iPhone或一年后的iPad来弥补，是不可能的。第三，在Cortex-A15下，移动智能设备的应用已经非常明确。无线视频、无线3D，甚至类似Kinect一样的体感操作，3D输出；以及苹果正在做的将OS X系统与iOS系统逐步融合OS X系统操控更像iOS，OS X上的应用，逐步在iOS上实现。这都需要非常强劲的处理器性能。虽然这么做，可能在短期内，会牺牲一定电池续航能力，但相信可以控制在可接受范围内。所以，我们在这里大胆预测一下，A5X[X=10?]对应的就是A15。
　　另外，从个人对iPhone和iPad使用感受来看，提出几点对iPad3的希望，也算是小小的预测。首先，iPad3应该有更高速的缓存，并且考虑推出与Mac搭配使用的Thunderbolt接口适配器，从而提高数据传输速度。第二，Ariplay功能增强，允许两台或多台iPad的无线并行工作。第三，使用A5X处理器的，Apple TV同时更新。第四，Siri早日支持中文……
　　当然，苹果产品在真正发布之前，一般总会给人带来惊喜或者意外。以上分析和逻辑是处于正常人思维所得出的结论……，如果3月7日，iPad3与本文真有出入，也只能怪我们修行不够。如果我们以上的“前瞻”真能说中，大家不要忘记以后多多捧场？

wufuwei

受教了