ARM CortexA-72处理器深究：真能提升3.5倍？

ARM虽然是家小公司，但他们是整个ARM处理器阵营的核心，除了苹果、高通等极少数可以自己开发ARM兼容架构的公司之外，联发科、海思等大多数公司都会直接使用ARM的公版Cortex-A架构授权。64位时代以来，ARM已经发布了Cortex-A57/A53一大一小两种架构，但只有A53遍地开花，高性能的A57核心在手机市场只有三星、高通在用，面临着难产的尴尬。

为此，ARM公司今年2月份推出了A57的继任者——Cortex-A72架构，号称性能是A15的3.5倍，功耗则降低了75%。

当时我们对ARM的Cortex-A72核心了解并不多，只知道A72核心会使用新一代的FinFET工艺生产，包括三星/Globalfoundries的14nm及TSMC的16nm，得益于先进的工艺，A72核心频率更高，可以达到2.5GHz，更高的频率有助于A72增强服务器市场的存在感，这也是它的目标市场之一。

ARM日前公布了Coretx-A72核心的详细架构，Anandtech网站也做了一番解析，我们来看下A72架构到底有哪些改进，毕竟A72核心很可能成为明年的旗舰手机/平板的标配。

值得一提的是，原先首先解释了A72核心的命名由来，为什么不选择Cortex-A59这样的命名呢？ARM解释说这纯粹是方便市场宣传而已，如果跟A57的命名很相近，那么大家就不容易看出这两种核心之间的区别——大家都只会看数字辩好坏吗？

A72核心的性能达到了A15的3.5倍

功耗降低了75%

ARM之前宣传A72核心性能是前代的3.5倍，功耗降低了75%，但大家也得清楚这只是宣传而已，ARM并没有直接对比A57与A72的差别，如果只看这两者，A72核心在同样的14/16nm工艺下只比A57提升了34%（2.6x到3.5x，还得考虑到频率上的差异），而在同样的28nm工艺下，其功耗也不过减少了20%左右。

还要注意到，A72核心可以运行在更高的频率下，这不是简单地最高频率。此前A57由于太强，因此它只能在最高频率下维持很短时间就要降频，而ARM提供的数据表明，A72核心在16nm FinFET工艺下，2.5GHz频率运行时功耗只有750mW。

除了功耗之外，ARM还在A72架构上做了很多优化，如上图所示，整数、浮点、内存等性能皆有不同程度的提升，虽然还缺少一些细节，不过IPC性能上提升16-30%还是有的。

由A57升级而来的A72架构

ARM似乎在性能、功耗及核心面积这三个方面都做了全面的改善，这也是半导体设计的三个重要指标。这个成绩是ARM重新优化了几乎所有A57逻辑区块之后才得来的，其中CPU架构做了相当大的改进，包括新的分支预测单元，改善了解码器管线设计等。

在指令预取这一块，我们可以看到ARM重新设计了分支预测单元，可以支持更复杂的算法，提高了性能，降低了功耗、误预测率及投机率（speculation），具体来说就是相比A57降低了50%的误预测，25%的投机率。多余的分支预测单元则被禁止了。——实际工作中，如果分支预测单元不能有效工作，那就会被绕过去。

此外，通过更好地耦合不同的IP模块，ARM还优化了RAM组织。

再来看A72的管线设计，解码/重命名性能也提升了。解码器自身是3指令发射的解码器，但ARM在提升性能、降低功耗方面花了很大精力。为了提高要性能，提升了有效的解码带宽，而解码器也获得了一些AArch64指令融合增强。此外，功耗也通过多种方法降低了，包括直接的解码等。

看起来指令分派/收回（Dispatch/Retire）单元是提升性能而做的改进中变化最大的。解码器可以融合指令，ARM的指令分派单元可以将ops操作打乱成更小的微操作（micro-ops）输送给执行单元，这样可以在指令派发单元将3发射变成等效5发射。这将提高解码器的吞吐量，同时也提高了每个周期内指令派发单元创建的微操作数。

A72架构，ARM表示平均每个指令有1.08个微操作，这将缓解57架构中实际受限的指令派发单元的性能。

另一方面执行单元也有新的设计，包括新一代的FP浮点/高级SIMD单元，由于FP浮点管线从9降低到了6，因此延迟更低。

FMUL（浮点乘法）的延迟也从5周期降低了3周期，FADD（浮点加法）从4降到3，FMAC（浮点累积乘）从9降低到6，CVT单元从4降到2。FP浮点单元的渲染管线长度从19降低到了16。

整数单元也做了改进，Radix-16除法器的带宽加倍，CRC单元延迟降低到了1周期，相比A57架构其带宽达到了3倍。

另一个重大的性能改进是L/S载入存储单元，ARM表示L/S单元的带宽提升了30%，这是因为引入了新的预取器。

A72架构纸面上的改进让人印象深刻，它是A57架构的革新升级，不论是性能还是功耗，或者核心面积，A72都有改进。

A57架构是去年Q3季度进入市场的，但现在才有三星、高通的A57架构处理器量产上市，所以A72核心真正进入市场还需要至少1年时间。

 

 

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