浅谈64bit ARM CPU 指令集及架构（2） 处理器, 服务器, 产品

yuyang911220

率先登场的两款64bit ARM处理器
在完成了64bit指令集的定义后，ARM也随即在2012年推出了两款64bit ARM—Cortex-A57及A53产品。该两款产品自去年发布以外，不但获得ARM阵营的强烈支持，也吸引了AMD推出同时支持x86及ARM的64bit Server CPU，气势如日方中。踏入2013年4月，ARM与TSMC宣布成功流片(Tape Out)Cortex-A57处理器，标志着64bit ARM成品已离我们不远。
最多16个核心同时运算
相比于32bit ARM，64bit ARM定位更多在服务器市场，所以Cortex-A57及A53除了是可集成4个核心的SoC外，也支持多机以Clusters串连共16个核心工作，大大提升运算性能。另外，在64bit方面，Cortex-A57及A53皆拥有ARMv8架构的完整功能，如新增的31个64bit通用寄存器GPR及128bit SIMD，支持双精度浮点运算(Double Precision FP)等等，两者的分别在于设计理念的不同，表现为数据处理性能会的差别。

Cortex-A57及A53可用clusters的方法支持4机共16个核心。

以效能为主的Cortex-A57
Cortex-A57是一颗重效能的CPU，其设计主要沿自Cortex-A15，如3路译码器及15+ stage乱序执行管线(Out-of-Order Pipelines)，不过借着ARM所作的优化，如数据预取及增加Registers等等，在处理32bit软件也比Cortex-A15快20-30%左右。
在数据处理方面，Cortex-A57提供远高于Cortex-A53的性能。首先是在管线的设计上，Cortex-A57管线stage较多(15+ vs 8)，而且是乱序执行管线(Out-of-Order Pipelines)，比Cortex-A53的简单按序执行管线(Simpe In-Order Pipelines)尤其适合处理大量数据的环境。另外，它拥有更多的L1&L2 Caceh，要求至少48KB I-Cache、32KB D-Cache及512KB L2 Cache，对比之下，Cortex-A53为8KB I-Cache、8KB D-Cache及128KB L2 Cache。而且在寻址能力方面，Cortex-A57为44b，相当于支持最多256GB内存。至于Cortex-A53为40b，相当于支持64GB内存。

Cortex-A57架构图。

强调比A9细的Cortex-A53
Cortex-A53是在提供足够的性能下，尽量缩小芯片面积及功耗的产品，所以它并没有采用Cortex-A57较耗电的乱序执行管线设计，改用简单按序执行管线设计。Cortex-A53提供目前主流Cortex-A9等级的效能，但芯片面积更小，可在同制程下比Cortex-A9细40%，如果使用20nm制程的话，面积仅为32nm Cortex-A9的1/4，有助降低成本同时也可降低功耗。

Cortex-A53架构图。

Cortex-A53设计强调较Cortex-A9小的核心面积。

第二代big.LITTLE
Cortex-A57 & A53也会沿用Cortex-A15 & A7的big.LITTLE技术，因应需要而决定使用高性能的big核心或使用高节能的LITTLE。不过在配置上，Cortex-A57 & A53较有弹性，除了可使用4(big) + 4(LITTLE)外，也可使用2(big) + 4(LITTLE)的配置。笔者认为，考虑到Cortex-A57与Cortex-A53性能差距明显，即使是4个Cortex-A53也远不及2个Cortex-A57的性能，所以增加LITTLE核心数目显得十分重要。

第二代big.LITTLE新增了2(big) + 4(LITTLE)的配置。

根据ARM公布的路线图，2014-2015年还有一款新的32bit ARM处理器—Cortex-A12推出。

结论︰ARM选择降低风险
进入64bit年代，ARM很大程度上在现有的架构下加上64bit ARMv8指令架构。所以Cortex-A57 & A53，很大程度上是现在Cortex-A15 & A7的延续。可见ARM首要的工作是确保64bit架构的成功，其余部分尽量采用现有的设计以降低风险。
与此同时，ARM也留了后路，2014-2015年还有一款新的32bit ARM处理器Cortex-A12。可见面对竞争激烈的IT市场，谁也没有必胜的把握，不得不小心应对。