深度解读ARM新架构大核进取小核摆烂？

　　众所周知，对于如今的绝大多数的智能手机、平板电脑，以及部分笔记本电脑产品来说，ARM可以说是一切的源头。高通与三星的SoC近年来一直使用着ARM公版的CPU设计，而被公认翻身了的联发科，则靠的是ARM公版的CPU与GPU架构，甚至就连一向标榜自研的苹果，实际上也离不开ARM的基础指令集授权。
　　正因如此，当ARM方面在2022年6月28日晚间，毫无预兆地突然发布了全新一代的架构方案后，自然也值得我们去进行进一步的分析。
　　性能概况：大核更强、中核更省，GPU加入硬件光追
　　开门见山，我们先直接为大家带来ARM这一代新架构的性能相关信息。并且非常令人感叹的是，ARM此次在公布新老架构性能对比数据时居然不再玩巧，事实上，他们给出了可能是史上最详细的性能对比参数。
　　首先，是全新的CortexX3大核。在使用了完全相同半导体制程、主频和缓存设计的前提下，CortexX3的性能比CortexX2可以提升11。
　　在使用完全相同半导体制程，但主频和缓存设计按照新老架构的不同典型值做对比时，CortexX3的性能比CortexX2可提升22。
　　如果再考虑到制程方面的因素，比如假设CortexX3采用新的台积电3nm工艺情况下，此时对比采用台积电4nm工艺、且主频与缓存采用现有设计的CortexX2时，那么新架构的性能领先幅度则会达到25。
　　其次，是改进型的CortexA715中核，在使用相同半导体制程、相同主频和缓存设计的前提下，新的中核性能相比老设计仅有5的提升，但请注意，此时的能效会比老架构高出20。也就是说其实际功耗此时为CortexA710的87。5，在性能略微提升的前提下省电了12。5，算是比较明显的进步了。
　　相比于大核与中核的显著改进，新架构里CortexA510小核的改进就比较微妙了。一方面，正如其名称所示的那样，此次的新版小核还是叫做CortexA510，连名字都没变。但另一方面，要说它完全没改又不太对，因为新版的小核功耗比老版本下降了5，同时更为重要的是，其此次加上了对32位应用的兼容性。
　　但请注意的是，这个兼容性功能是可选特性，并非标配。选配后是有可能会给性能带来负面影响的，但具体影响有多少，ARM方面并没有明确。
　　除了新版的CPU，ARM此次也同期发布了换代的GPU方案。这一次，新的GPU设计被分为了三档，分别是顶配的Immortalis（不朽）G715、中配的MaliG715，以及入门级的MaliG615。
　　与本世代的MaliG710和MaliG610相比，新架构首先带来了15的基础效率提升（而且是不考虑制程增益的情况下），其次还支持了VRS可变着色率技术，能够在部分高刷游戏中显著降低渲染负载、对于XR应用也有很大的意义。
　　不仅如此，作为ARM的全新旗舰GPU产品，ImmortalisG715更是首次引入了硬件光线追踪单元。根据ARM方面的说法，硬件光追单元在GPU核心中仅占据了4的面积，但其相比MaliG710采用的软件光追设计却能够带来300以上的性能提升。考虑到真正支持MaliG710光追效果的游戏至今尚未上市，所以ARM的这番表述属实是背刺自己了。
　　架构分析：大核更大、中核做减法，小核原地踏步
　　讲完了新架构的性能参数变化，接下来我们就进入按惯例的架构分析环节，来看看ARM到底是如何实现这些改进的。
　　首先是全新的大核CortexX3，它的改动无疑是此次新架构中最大的。其包括了比前代大10倍的L0BTB（分支目标缓冲区）和大50的L1BTB，这意味着大幅提高的分支预测性能。根据官方的说法，CortexX3的分支预测延迟降低了12。2，预测错误率降低了6，同时减少了3的前段停顿。由于分支预测性能大为提升，因此CortexX3的mop（微操作）缓存现在可以做得更小，同时流水线长度也进一步下降。
　　这还没完，与CortexX2相比，CortexX3的指令缓存提取宽度现在从5增加到了6、算术逻辑单元从4个增加到了6个，同时乱序窗口也进一步增大。而在后端部分，新架构的加载存储宽度也增加了50，并增多了数据预取引擎的数量。
　　更强的分支预测性能，更宽的执行窗口、更短的流水线级别，更快的存取速度，有没有觉得很眼熟？没错，这个改进方向，其实就是多年前已被Intel从奔腾4到酷睿的革新时，所证明的有效路径，只不过ARM如今将其在RISC处理器上复刻了一遍。
　　相比于CortexX3的锐意进取，CortexA715与（新版）CortexA510的改变就相对没有那么大了。其中，CortexA715的改进主要来自于放弃对32位指令集的支持，从而大幅简化了指令解码器的设计，空出更多的晶体管位置来提高了缓存大小。而CortexA510的变化则更是语焉不详，现在只知道它具备了可选的32位支持、同时功耗略微下降而已。
　　与CPU部分（特别是大核心）的改动相比，ARM此次的新GPU变化显得就不是那么显著了。一方面，无论是ImmortalisG715、MaliG715，还是MaliG615，它们其实都是共享的相同架构设计（只是ImmortalisG715内部多了硬件光追电路），主要区别还是在于核心数量上做了明确限制。
　　另一方面，与现有的MaliG710相比，新款GPU在基础架构上将FMA乘加单元的数量翻了一倍，设计了用于抗锯齿的新型FP16计算单元。同时根据ARM方面的说法，新的GPU在重负载场景下的三角形生成率为现有的3倍，纹理映射速度是现有的2倍。不过，暂时还并不清楚这个倍数是来自底层架构的改进，还是来自于核心数量或频率的提升，因此仅仅做个参考就好。真正的GPU性能提升幅度，还得等到实际产品上市后才能有定论。
　　市场分析：ARM笔记本或将兴起，入门手机也有望翻身
　　值得一提的是，在发布新一代产品线的同时，ARM还给自家的软硬件方案起了一个新的名字，叫做ArmTotalComputeSolutions（直译为ARM整体计算解决方案）2022，缩写为ARMTCS22。同时，ARM方面也将去年发布的上代架构随之整合为ARMTCS21，并同时预告了明年（TCS23）和后年（TCS24）的产品命名。
　　这意味着什么呢？从这个举动中，我们至少可以挖掘出两条信息点。一是ARM似乎并不打算用新架构完全取代上一代的产品线，CortexX2、A710和A510得到重命名或意味着它们的授权还将继续。
　　但更进一步来说，ARM从TCS21到TCS22的变化，以及目前官方已经剧透的TCS23和TCS24不难发现，一方面ARM在TCS22（也就是这一代的新架构上）删除了中核（CortexA715）对32位计算的支持，同时为新版的CortexA510小核增加了可选的32位计算功能。
　　另一方面，在TCS23和TCS24的预告图里可以清楚地看到，接下来的两年里，ARM每年都会更新大核与中核设计，但小核却只会在2023年迎来一次换代，2024年则是不更新、直接沿用。
　　与此同时，在此次TCS22官方样板设计中，ARM不仅将新架构支持的最大核心数量从8核扩展到了12核，而且还给出了多个以大核、中核为主的组合方案，甚至出现了完全不采用A510小核，仅由大核与中核构成的超高性能设计。
　　这或许意味着，ARM仗着新架构，特别是大核（CortexX3）、中核（CortexA715）性能与能效比的显著改善，明显在有意将其往更高的市场定位上推。或许，未来我们就会看到更多基于ARM新架构的笔记本电脑SoC方案了。
　　其实回溯历史不难发现，此前的CortexA53架构用了四年（20142017）才换代，而CortexA55架构更是坚挺了至少五年（20182022）之久。相比之下，去年的初版CortexA510架构因为完全不兼容32位代码，其实并不适合入门级设备与其他低功耗设备使用。
　　如此一来，今年的新版CortexA510实际上才是ARMv9指令集下，第一款真正可以用于入门级设备的低功耗CPU架构设计。而最快到明年，它就将会被更新的架构所取代。
　　换句话来说，面对如今智能手机市场高端产品大放光彩、而入门级设备却销量萎缩的局面，ARM一方面通过新的大核、中核为新旗舰注入了体验继续进步的动力，另一方面也史无前例地针对低端市场进行了补救。
　　或许在不久后，我们就会看到基于（新版）CortexA510架构，体验明显更加靠谱的入门级主控，或是性能与能效比都大幅进步，总算能与苹果掰掰手腕的Android智能手表平台了。
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