ARM Cortex-A55: 從端到云實現高效能

你是否已經聽說了最近市場上發布了幾款新的 CPU?它們的性能非常強大!當然，我說的就是 ARM Cortex-A75 和Cortex-A55，即首批基于新近發布的DynamIQ 技術的Cortex-A系列處理器。本文我們討論的就是 Cortex-A55：一款對為未來數字世界舉足輕重的處理器。下面就隨單片機小編一起來了解一下相關內容吧。

出生名門，久經考驗

想要理解 Cortex-A55 的真正潛力，我們來簡要回顧一下其上一代產品：ARM Cortex-A53。采用這款 CPU 的設備已超過 15億臺，該 CPU 依然是當今業界出貨量最高的 64 位 Cortex-A 系列 CPU。Cortex-A53 于 2012 年發布，其獨一無二的設計，集性能、低功耗以及尺寸擴展性于一身，具備一系列多用途特性，因而可應用于諸多市場，其中包括高端智能手機、網絡基礎設施、汽車信息娛樂、高級駕駛員輔助系統 (ADAS)、數字電視、入門級移動設備和消費級設備乃至人造衛星。

然而自 2012 年以來，我們周圍的世界發生了許多變化。我們現在看到的新興趨勢表明，保持互聯、萬物智能的數字世界具有非常大的發展潛力。從完全自主的自動駕駛汽車到各類設備上的智能應用程序，人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 將真正融入到我們的日常生活中，這一點已成定局。物聯網 (IoT) 應用的盛行意味著“物”的爆炸性增長，越來越多的“物”在持續生成數據、消費數據以及與數據進行交互。增強現實、虛擬現實以及混合現實 (AR、VR 以及 MR) 注定會徹底改變我們人類之間以及人機之間的互動方式，將現實世界與數字世界融于一體。

在過去兩年里，ARM 的工程師致力于研究 Cortex-A53 的后繼產品，以滿足這類新興技術的需求，我們的目標是打造出一款性能、效能以及擴展性均大幅提升的 CPU，而且這款 CPU 還需要具備諸多先進的特性，從而滿足從端到云的各種未來應用需求，幸運的是我們做到了。

性能全面提升

Cortex-A55 采用最新的 ARMv8.2 架構，并在其前代產品的基礎上打造而成。它在性能方面突破了極限，同時依舊保持了與 Cortex-A53 相同的功耗水平。我們盡全力改進 Cortex-A53，并賦予其以下特性：

· 在相同的頻率與工藝條件下，內存性能最高可達 Cortex-A53 的兩倍

· 在相同的頻率與工藝條件下，效能比 Cortex-A53 高 15%

· 擴展性比 Cortex-A53 高十倍以上

這些歸功于我們專注于 Cortex-A53 現有的設計理念并挑戰這些理念。

· 我們對分支預測程序(branch predictor)進行了全面修改，在其算法中融入了神經網絡元素來改進預測。此外還新增了零周期分支預測程序(Zero-cycle branch predictor)以便進一步減少流水線中的泡沫。這樣可以使指令之間的空閑時間越來越短。

· 我們的設計是，使二級高速緩存對每一顆 CPU 而言都是專用緩存，這樣一來與 Cortex-A53 相比，二級高速緩存的存取時間縮短了 50% 以上。我們還將二級高速緩存的工作頻率設計成與 CPU 相同的頻率。通過降低延遲大幅提升 CPU 在各類基準測試工具中的性能。

· 我們推出了三級高速緩存，可供集群內的所有 Cortex-A55 CPU 共享。這讓 DynamIQ 集群能夠得益于 CPU 附近增多的內存容量，從而提升性能、降低系統功率。三級高速緩存是 DynamIQ 共享單元 (DSU) 的一部分，DSU 是DynamIQ 處理器中的一個新的功能單元。

· 8 位整數矩陣乘法對神經網絡性能的影響超過85%。Cortex-A55 NEON流水線中增添了新的架構指令，使其能夠在每個周期執行 16 次 8 位整數運算。這些新的指令還使該 CPU 能夠在每個周期執行 8 次 16 位浮點運算、對兩條 MAC 指令進行舍入操作，有利于色彩空間轉換。

相較Cortex-A53，實現效能的大幅提升

對分支預測程序、NEON 和 FP 單元的上述改進以及內存延遲的縮短僅僅是 Cortex-A55 取得大幅性能提升的部分原因。Cortex-A55 不但實現了大幅性能提升，而且保持了與 Cortex-A53 相類似的功耗。總而言之，Cortex-A55 在節能性方面實現了 15% 的提升。相對于性能而言，功率在產品設計中更加重要。在提供同等性能的情況下，Cortex-A55 消耗的功率比 Cortex-A53 低 30% 之多!

Cortex-A55提供持續性能的時間遠比當今的 Cortex-A53 解決方案更長。這一點對于 AR、VR 以及 MR 等領域的用戶體驗而言至關重要，這些領域預計將會在未來移動市場上占據主導地位。這些使用場合已經高度線程化，對延遲有嚴格的要求。后者指的是移動時間延遲，根據行業研究，這種延遲需要保持在 20 毫秒或以下，這樣才不會導致惡心和頭暈。雖然當今的 CPU 已經實現了達到 20 毫秒延遲所需的性能水平，但是發熱限制意味著這些 CPU 無法長時間維持這樣的性能水平。有了 Cortex-A55，我們就能給出未來 VR 設備中延長持續性能時間的解決方案。

行業領先的效率讓 Cortex-A55 在基礎設施市場卓爾不群。以太網供電 (PoE) 無線接入點以及安裝在后視鏡上的發熱受限的汽車解決方案等應用均可利用熱效率極高的 Cortex-A55 在特定的發熱范圍內提供最高性能。在 5G 遠程無線電頭端 (RRH)，Cortex-A55 CPU 還能夠在特定功率范圍內最大限度增加網絡吞吐量。

從端擴展至云

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