ARM Cortex-A35架構分析，擁有超低功耗與精簡體積的新星

peterlin2010

ARM Cortex-A35架構分析，擁有超低功耗與精簡體積的新星

今天凌晨ARM在自家的技術大會中，發布了超低功耗的處理器架構Cortex-A35（代號水星）。廠商可以根據性能和功耗需求，對它的架構進行再設計，將其用在不同的領域。
Cortex-A系列分為高性能、低功耗和超低功耗3類：

• 高性能系列的代表當然是ARM的大核架構Cortex A57和A72（還有在慢慢退市的A15和A17）；
• 低功耗系列的代表是高效能比的A53，根據需求，它可以以多核，或者big.LITTLE大小核的形式工作；
• 而超低功耗系列，在A5和A7之後，現在新增了A35。

雖然看起來有點不直覺，但A35和A53不是一個系列，A35是A7/A5的繼任者（ARM的產品數字增長得真快……）。

                               
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在Exynos 5433測試中，我們發現作為升級版A7的A53，照樣維持不了A7的功耗水平，它更像是把A7的效能曲線延長的產品，就是說A53的性能功耗比並沒有多少提升。但因為A53普遍更高時脈，所以它在性能端可以走得更遠。而A35這次主推能耗比，其實是在給當年吹過能耗比的A53打臉。
不過從戰略意義上說，A35帶來的最重要改變，是讓Cortex-A系列上中下三路產品，都用上了64位的ARMv8架構。在A5/A7等老架構退休後，它就可以完成「全家64位」的宏願了。此外，A35也可以和A72/A57/A53等核心組成big.LITTLE 大小核結構的SoC，可以讓廠商根據需求，搞出各種大小核的組合產品，誇張一點，甚至可以搞出A35+A53+ A72的三核心SoC。
架構改進
A35和A7/A53一樣，依舊是順序執行的雙發射架構。8級流水線，也和之前的架構設計沒什麼分別。ARM主要通過改進獨立分區（individual blocks）來提升能效比。
重點改善的是核心的前端效率，重新設計的指令預取單元，更強的分支預測性能。為了平衡性能和功耗，指令預取時脈寬也跟隨隊列長度的變短而做出了調整。
對比A7，A35在快取速度上有了明顯的提升。A35套用了很多A53的快取結構，L1快取可以用作指令和數據快取，加入了多線程的數據預測和寫入偵查能力，根據需求可以定在8-64KB之間。L2快取可以定在128KB-1BM之間。在提升寫入效率，引入附著優化功能以降低佔用的同時，也提升了資源共享的性能。
另外一個大改進是NEON/FP流水線，除了改善儲存性能外，新的單元全流水線支持雙精度乘法計算。流水線同樣為了提升局部效率而進行了改進，這也是A35晶片面積可以比A53小的重要原因。
在電源管理方面，A35也很像A53，它為CPU和NEON流水線（獨立的電源供應區域）增加了狀態保留功能（retention，在休眠，讓核心保持原來的狀態，類似iOS的Tombstone），它多了個硬體來控制CPU進出保留狀態。廠商很少使用這個功能，暫時確認有引入這個功能的是Snapdragon 810，但或許因為發熱問題，它也在隨後的軟體更新中禁用了這個功能，讓在CPU閒置的時候直接關閉核心了。
低功耗/可客製化/超小晶片面積
A35盯准的功耗區間是125mW以下，這也是A7和A5通常的功耗範圍。為了方便我們腦補，ARM表示，用28nm製程的1GHz時脈A35處理器，其功耗只有90mW。當然，就像現在不同SoC裡的A53，因為核心數、時脈和工藝節點不同，A35核心的功耗也會很大的波動（例如用14/16nm製程，或者把時脈推上2GHz）。

                               
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而A35也是ARM可客製化最高的架構，廠商能選擇的不再只有核心數，他們可以選擇是否加入NEON, Crypto（加密）和ACP（解析）單元，甚至是否加入L2快取都可以自行選擇。這讓A35可能成為下一代手機中應用最廣的核心架構，我們也很可能會在可穿戴設備和嵌入式平台上，看到一大堆為IoT（物聯網）客製化的A35處理器。
對比32KB L1 快取，1MB L2快取，有NEON/Crypto加密模塊的4核A53，剔除其他部分的乞丐版單核A35（8KB L1快取，沒有L2快取），即使用28nm製程也能把晶片面積控制在0.4平方毫米一下（1*0.4mm，這可比米粒要小多了），這讓它非常適合做成物聯網晶片。
性能提升
在相同的核心數和時脈下，A35架構宣稱功耗比A7低10%，而且性能要高6-40%。在整數運算（SPECint2006測試）中，可以提升6% ；浮點運算（SPECfp2000測試）中提升更大，可達36%。

                               
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根據需求，A35可以做到A53 80至100%性能。在瀏覽器負載測試中，A35和A53的差距最大，A35最多只能提供A53 80%的性能；整數運算負載測試中，A35可以達到A53 84至85%的性能；而對於提升最大的快取性能，反映在需要快取性能的負載測試中，則可以有接近A53的性能表現。
A35的晶片面積只有A53的75%，而功耗則只有A53的68%。ARM宣稱他們可以同時使用，甚至和A53做成大小核架構的SoC。
A35只要把時脈提升，就能補上和A53的性能差距。即使再最差的方案中，高時脈A35會吃掉自己在功耗上的優勢，但廠商依舊可以換來更小的晶片面積，照樣可以省下一大筆費用。
如果正如PPT所說，無論是單獨組成多核SoC，還是和A72等大核組成大小核結構的場合，都已經沒什麼必要使用A53架構了，A35很可能會代替A53。
ARM預計首批A35設備會在2016年末出貨，因為用途和適應性奇廣，它毫無疑問會成為之後數年裡，ARM系列中最重要的的核心架構之一。
這麼一想，A35在接下A5/A7的工作之後，順便也讓A53領便當了……不過跑分部分，高性能核心A72的表現更讓人在意，畢竟要同時抗衡蘋果的A9、高通的Kryo和三星的 Mongoose （貓鼬），一不小心就得領便當了