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        VR普及的奠基石

        2016-08-26 22:31:29
        電腦愛好者 2016年13期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)發(fā)科刷新率功耗

        4K顯示和VR技術(shù)必然是智能手機(jī)未來的發(fā)展趨勢,然而現(xiàn)有的移動處理器技術(shù)卻難以駕馭這些新特性。為此,ARM祭出了Cortex A73處理器和Mali G71 GPU兩大殺器,它們的結(jié)合將為4K和VR鋪平道路。

        未來是4K和VR的時(shí)代

        2015年,索尼Xperia Z5 Premium第一次開始了4K分辨率的嘗鮮(圖1),可惜4K屏幕實(shí)在太過耗電,成本也是相當(dāng)昂貴,所以并沒有廠商敢于跟進(jìn)。2016年則是VR大爆發(fā)的時(shí)節(jié)(圖2),只是目前的移動VR眼鏡(將手機(jī)作為屏幕和計(jì)算單元的設(shè)備)都存在兩個(gè)問題:畫面存在顆粒感,眩暈感嚴(yán)重。顆粒感是因?yàn)槠聊环直媛侍停灨袆t是畫面刷新率不夠(涉及到LCD自身的刷新率低,和手機(jī)性能無法渲染出更高刷新率的畫面)。

        那么,如何讓手機(jī)可以完美駕馭未來的4K和VR趨勢?更快的CPU運(yùn)算能力,更強(qiáng)的3D渲染水平,這二者缺一不可。為此,ARM帶來了可提供“極致的VR體驗(yàn)”的全新CPU和GPU技術(shù),并已獲得了包括華為海思、三星電子、聯(lián)發(fā)科、Marvell等在內(nèi)的九家芯片廠商的捧場(和ARM簽署了技術(shù)授權(quán)協(xié)議)。那么,ARM的新技術(shù)究竟有何過人之處?

        重溫ARM的三大血脈

        在PC領(lǐng)域,英特爾將處理器劃分為了Core(酷睿)和Atom(凌動)兩個(gè)大的架構(gòu),分別用于高性能和低功耗計(jì)算。在移動處理器領(lǐng)域,ARM則提供了Cambridge(劍橋)、Austin(奧斯?。┖蚐ophia(索菲亞)三大血脈平臺(表1)。

        我們熟悉的Cortex A7、Cortex A53隸屬于ARM旗下的Cambridge家族,它們的共性就是功耗小、發(fā)熱低;Cortex A15、Cortex A57和Cortex A72則隸屬于Austin家族,它們的特色就是性能強(qiáng)得一塌糊涂,但卻因功耗高、發(fā)熱量大而無法長時(shí)間運(yùn)行。為了彌補(bǔ)Cambridge性能不足、Austin過于熱情的缺陷,ARM推出了名為“big.LITTLE”(大小核)的技術(shù),可將A15(大)與A7(?。57(大)與A53(?。72(大)與A53(?。┗旌洗钆洌▓D3),從而兼顧了多核處理器的性能與功耗。

        所謂“知子莫若父”,ARM在很早以前就意識到Cambridge和Austin的缺陷和不足,所以才有了Sophia家族的誕生。可惜,Sophia的歷史就是一部活生生的悲劇。

        搭載聯(lián)發(fā)科MT6595處理器的魅族MX4

        作為Sophia家族的首批成員,Cortex-A12的性能介于當(dāng)時(shí)Cortex-A9和Cortex-A15之間,但功耗卻比Cortex-A15低了很多,曾一度被視為最均衡的移動之芯。然而,A12在設(shè)計(jì)上卻出現(xiàn)了失策:缺乏必要的一致性總線,因此不支持big.LITTLE,無法搭配“小核心”的Cortex-A7,最終“出師未捷身先死”,直接被后輩Cortex-A17所取代(圖4)。而Cortex-A17的表現(xiàn)也不負(fù)眾望,性能幾乎和Cortex-A15一樣,但核心面積更小、功耗更低。

        令人遺憾的是,Cortex-A17也“生不逢時(shí)”,好不容易才有了瑞芯微RK3288和聯(lián)發(fā)科MT6595(都是四核Cortex-A17+四核Cortex-A7)兩顆八核處理器加盟(圖5),但卻趕上了移動處理器從32位時(shí)代向64位時(shí)代(ARMv8 64位指令集)的轉(zhuǎn)型期。于是,Cortex-A17和Cortex-A7同時(shí)被64位的Cortex-A57和Cortex-A53所取代。

        ARM此次推出的全新CPU技術(shù),就是Sophia家族的最新血脈:Cortex-A73,它的最高主頻可達(dá)2.8GHz,功耗最多可降低30%。那么,它又是如何做到的呢?

        架構(gòu)層面有優(yōu)化

        由于隸屬于Sophia家族,所以雖然Cortex-A73從型號上與Cortex-A72接近,但二者在架構(gòu)層面的差異卻是非常明顯,Cortex-A73反而與Cortex-A17有著更多的“血緣關(guān)系”。比如,它們都非常重視流水線(A72流水線為15級,A73則僅有11級)、注重資源和接口的優(yōu)化(圖6),以求在最低功耗下獲得最大性能。

        具體來說,Cortex-A73基于64位ARMv8-A構(gòu)架設(shè)計(jì)(圖7),是早期Cortex-A57架構(gòu)計(jì)算速度的2倍,Cortex-A15的3.5倍。它所支持的CPU簇依舊為4個(gè),理論上一顆處理器內(nèi)可以塞進(jìn)2組共計(jì)八核Cortex-A72和2組八核Cortex-A53從而構(gòu)成16核心處理器。

        由于Cortex-A73只是針對消費(fèi)級市場,所以它較Cortex-A72精簡了AMBA5 CHI接口,一級緩存也不再支持ECC。此外,Cortex-A73還將數(shù)據(jù)緩存尋址機(jī)制從PIPT(物理索引物理標(biāo)簽)升級到了VIPT(虛擬索引物理標(biāo)簽),優(yōu)化后的一級和二級緩存預(yù)取器也令外部內(nèi)存帶寬大幅提升。

        總之,Cortex-A73和其他前輩相比,在性能、功耗及核心面積這三個(gè)方面都做了全面的改善,這也是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的三個(gè)重要指標(biāo)。按照ARM官方的數(shù)據(jù)顯示,和Cortex-A72相比,Cortex-A73典型移動應(yīng)用性能提升10%,SIMD媒體和計(jì)算性能提升5%,內(nèi)存吞吐能力提升15%(圖8);整數(shù)應(yīng)用功耗節(jié)省最多30%,浮點(diǎn)和二級緩存應(yīng)用節(jié)省最多25%,同等工藝頻率下至少節(jié)省20%(圖9)。

        一切都要以10nm為前提

        Cortex-A73看起來很厲害?那是因?yàn)樗募夹g(shù)門檻非常之高,需要使用10nm FinFET工藝設(shè)計(jì)制造。要知道,這個(gè)工藝要到2017年才能大規(guī)模量產(chǎn)。實(shí)際上,用10nm的Cortex-A73和14nm/16nm的Cortex-A72等前輩們對比多少有些不公平,當(dāng)后者應(yīng)用10nm工藝時(shí)也能運(yùn)行在更高頻率且能明顯降低能耗。然而,世界上沒有絕對的公平,Cortex-A73的起點(diǎn)就是高……

        對處理器廠商而言,10nm工藝可以減少處理器核心的硅圓使用面積,在提高性能的同時(shí)降低SoC和設(shè)備的成本。比如,Cortex-A73在同等性能的基礎(chǔ)上,芯片封裝面積可以比Cortex-A72減少25%(圖10),雙核Cortex-A73的尺寸和四核Cortex-A53持平。這意味著今后會出現(xiàn)很多雙核Cortex-A73+四核Cortex-A53的六核處理器,取代現(xiàn)有的四核Cortex-A53+四核Cortex-A53的八核處理器。根據(jù)ARM的數(shù)據(jù)顯示,前者可以在核心面積相同的情況下,比后者的性能提升30%,最佳響應(yīng)時(shí)間提升90%。

        全新GPU助力VR

        實(shí)際上,對4K和VR而言CPU性能并非最關(guān)鍵的因素,GPU圖形渲染能力才是提高刷新率、降低VR體驗(yàn)延遲的大殺器。此外,當(dāng)我們遇到手機(jī)玩游戲卡頓的現(xiàn)象時(shí),99%的情況下并非CPU性能不夠,同樣是受了GPU性能不足的拖累。聯(lián)發(fā)科Helio X20、麒麟955等處理器雖然CPU多核性能遠(yuǎn)勝驍龍820,但游戲流暢度卻被后者完虐,就是因?yàn)樗鼈兗傻腗ail-T880MP4 GPU不夠給力造成的。隨著Cortex-A73的出現(xiàn),給了其他芯片廠商(在游戲性能方面)逆襲高通驍龍、體驗(yàn)更佳VR效果的機(jī)會。

        為了與Cortex-A73搭配,ARM同步推出了與其相配套的新款GPU——Mali-G71。這款GPU的目標(biāo)非常明確:滿足大型3D游戲和未來移動VR體驗(yàn)的需求。

        簡單來說,Mali-G71的核心數(shù)量可在1個(gè)~32個(gè)之間調(diào)節(jié)(上代Mail-T880最多可配備16個(gè)核心,即Mail-T880MP16)(圖11),性能比Mali-T880可提升最多40%,而且在能耗方面的表現(xiàn)更優(yōu)。同時(shí),Mali-G71還全面支持OpenGL ES 3.2、OpenCL 2.0、DirectX 11.2等API接口,其綜合性能甚至可以媲美筆記本領(lǐng)域的中端獨(dú)立顯卡(圖12)。

        當(dāng)然,想獲得媲美筆記本獨(dú)顯的性能,就需要Mali-G71搭配32個(gè)核心,而實(shí)際應(yīng)用中卻受限于工藝、發(fā)熱和耗電量等因素的制約,手機(jī)處理器不可能搭配滿血的Mali-G71,而我們則希望聯(lián)發(fā)科Helio和麒麟的下代芯片可以更給力一些,至少也要搭配Mali-G71 MP8或Mali-G71 MP12的GPU規(guī)格吧?

        小 結(jié)

        ARM此次發(fā)布Cortex A73處理器和Mali G71 GPU算是給我們畫了一張大餅,表面看起來光鮮無比,但它們卻存在著很多不確定性。比如,10nm工藝能否在預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)投入量產(chǎn)?如果不能,讓Cortex A73與主流的16nm/14nm工藝搭配還能釋放幾分動力?此外,Mali-G71是否強(qiáng)悍取決于計(jì)算核心的數(shù)量。Mali-T880原本也夠強(qiáng)悍,但架不住手機(jī)處理器廠商只為其搭配4個(gè)核心啊?要知道,三星Exynos 8890處理器同樣集成Mali-T880 GPU,但憑借12個(gè)核心的優(yōu)勢,在3D性能上足以媲美驍龍820。

        總之,Cortex A73的出現(xiàn)會進(jìn)一步刺激智能手機(jī)領(lǐng)域的軍備競賽,未來一個(gè)時(shí)期內(nèi)你會看到2K屏幕滿天飛,4K屏幕不稀奇,高刷新率屏幕到處跑,六核、八核、十核處理器共存的格局,屆時(shí)手機(jī)端的VR體驗(yàn)也會因它而提高到新的層面,讓我們共同期待吧。

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