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ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

http://www.ec.hc360.com2017年06月19日13:51 来源:电子工程世界T|T

    你是否已经听说了最近市场上发布了几款新的CPU?它们的性能非常强大!当然,我说的就是ARMCortex-A75和Cortex-A55,即首批基于新近发布的DynamIQ技术的Cortex-A系列处理器。本文我们讨论的就是Cortex-A55:一款对为未来数字世界举足轻重的处理器,原因如下。

    出生名门,久经考验

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    ARMCortex-A75和Cortex-A55是首批问世的DynamIQ处理器。

    想要理解Cortex-A55的真正潜力,我们来简要回顾一下其上一代产品:ARMCortex-A53。采用这款CPU的设备已超过15亿台,该CPU依然是当今业界出货量最高的64位Cortex-A系列CPU。Cortex-A53于2012年发布,其独一无二的设计,集性能、低功耗以及尺寸扩展性于一身,具备一系列多用途特性,因而可应用于诸多市场,其中包括高端智能手机、网络基础设施、汽车信息娱乐、高级驾驶员辅助系统(ADAS)、数字电视、入门级移动设备和消费级设备乃至人造卫星。

    然而自2012年以来,我们周围的世界发生了许多变化。我们现在看到的新兴趋势表明,保持互联、万物智能的数字世界具有非常大的发展潜力。从完全自主的自动驾驶汽车到各类设备上的智能应用程序,人工智能(AI)和机器学习(ML)将真正融入到我们的日常生活中,这一点已成定局。物联网(IoT)应用的盛行意味着“物”的爆炸性增长,越来越多的“物”在持续生成数据、消费数据以及与数据进行交互。增强现实、虚拟现实以及混合现实(AR、VR以及MR)注定会彻底改变我们人类之间以及人机之间的互动方式,将现实世界与数字世界融于一体。

    在过去两年里,ARM的工程师致力于研究Cortex-A53的后继产品,以满足这类新兴技术的需求,我们的目标是打造出一款性能、效能以及扩展性均大幅提升的CPU,而且这款CPU还需要具备诸多先进的特性,从而满足从端到云的各种未来应用需求,幸运的是我们做到了。

    性能全面提升

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    Cortex-A55采用最新的ARMv8.2架构,并在其前代产品的基础上打造而成。它在性能方面突破了极限,同时依旧保持了与Cortex-A53相同的功耗水平。我们尽全力改进Cortex-A53,并赋予其以下特性:

    在相同的频率与工艺条件下,内存性能最高可达Cortex-A53的两倍

    在相同的频率与工艺条件下,效能比Cortex-A53高15%

    扩展性比Cortex-A53高十倍以上

    这些归功于我们专注于Cortex-A53现有的设计理念并挑战这些理念。

    我们对分支预测程序(branchpredictor)进行了全面修改,在其算法中融入了神经网络元素来改进预测。此外还新增了零周期分支预测程序(Zero-cyclebranchpredictor)以便进一步减少流水线中的泡沫。这样可以使指令之间的空闲时间越来越短。

    我们的设计是,使二级高速缓存对每一颗CPU而言都是专用缓存,这样一来与Cortex-A53相比,二级高速缓存的存取时间缩短了50%以上。我们还将二级高速缓存的工作频率设计成与CPU相同的频率。通过降低延迟大幅提升CPU在各类基准测试工具中的性能。

    我们推出了三级高速缓存,可供集群内的所有Cortex-A55CPU共享。这让DynamIQ集群能够得益于CPU附近增多的内存容量,从而提升性能、降低系统功率。三级高速缓存是DynamIQ共享单元(DSU)的一部分,DSU是DynamIQ处理器中的一个新的功能单元。

    8位整数矩阵乘法对神经网络性能的影响超过85%。Cortex-A55NEON流水线中增添了新的架构指令,使其能够在每个周期执行16次8位整数运算。这些新的指令还使该CPU能够在每个周期执行8次16位浮点运算、对两条MAC指令进行舍入操作,有利于色彩空间转换。

    相较Cortex-A53,实现效能的大幅提升

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    对分支预测程序、NEON和FP单元的上述改进以及内存延迟的缩短仅仅是Cortex-A55取得大幅性能提升的部分原因。Cortex-A55不但实现了大幅性能提升,而且保持了与Cortex-A53相类似的功耗。总而言之,Cortex-A55在节能性方面实现了15%的提升。相对于性能而言,功率在产品设计中更加重要。在提供同等性能的情况下,Cortex-A55消耗的功率比Cortex-A53低30%之多!

    Cortex-A55提供持续性能的时间远比当今的Cortex-A53解决方案更长。这一点对于AR、VR以及MR等领域的用户体验而言至关重要,这些领域预计将会在未来移动市场上占据主导地位。这些使用场合已经高度线程化,对延迟有严格的要求。后者指的是移动时间延迟,根据行业研究,这种延迟需要保持在20毫秒或以下,这样才不会导致恶心和头晕。虽然当今的CPU已经实现了达到20毫秒延迟所需的性能水平,但是发热限制意味着这些CPU无法长时间维持这样的性能水平。有了Cortex-A55,我们就能给出未来VR设备中延长持续性能时间的解决方案。

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    行业领先的效率让Cortex-A55在基础设施市场卓尔不群。以太网供电(PoE)无线接入点以及安装在后视镜上的发热受限的汽车解决方案等应用均可利用热效率极高的Cortex-A55在特定的发热范围内提供最高性能。在5G远程无线电头端(RRH),Cortex-A55CPU还能够在特定功率范围内最大限度增加网络吞吐量。

    从端扩展至云

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    除了性能与效率以外,Cortex-A55的物理芯片尺寸以及计算性能也具有极高的扩展性。为此,它包含了多个RTL配置选项,从而使可配置容量达到了Cortex-A53的十倍。事实上,它拥有3,000多种独特的配置,因而成为了史上最具扩展性的Cortex-ACPU。

    Cortex-A55延续了Cortex-A53的灵活性,具备NEON、Crypto以及ECC(纠错码)等选项,但是也采用了新的实用配置选项。例如,专用二级高速缓存的可配置容量从64KB到256KB不等,可带来10%的性能提升。专用二级高速缓存能够很好地提升性能,而且它无疑会成为诸多市场的默认之选,它还被设计成了可选项,以便在物联网等对尺寸敏感的市场上进一步减小芯片尺寸。

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    DSU无论在Cortex-A55还是在Cortex-A75上都很常见。它包含更多的配置选项,可根据用户自身的应用情况进行定制。例如CPU之间共享的三级高速缓存可从0KB扩展至最大4MB。它还通过AMBA5ACE或CHI支持多用途接口选项,从而可用于更广泛的系统。加速器相干性端口(ACP)和低延迟外围端口(PP)也被集成到DSU当中,这让紧密耦合的加速器能够连接至Cortex-A55以便处理通用计算。这些特性加上Cortex-A55的机器学习功能,让更多的计算能够在更靠近物联网网关应用“端”的地方执行。

    囊括诸多先进特性,可用于各类新兴应用

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    人工智能会越来越普及,这已不是什么新鲜事。引申开来,我们的设备运行机器学习任务也会变得十分普遍。有多种方法可以在芯片上实现机器学习的处理,然而CPU在这方面拥有独特的优势。CPU可进行通用计算,因此它可以运行到人工智能应用的芯片当中。目前机器学习和人工智能持续换代,固定功能的硬件不但价格昂贵,而且对机器学习而言容易过时。

    对Cortex-A55NEON流水线的改进和新增的机器学习指令意味着Cortex-A55在矩阵乘法运算方面的机器学习性能比CortexA53要高出很多。最近发布的ARM计算库(ARMComputeLibraries)是专为ARMCortex-ANEON和MaliGPUIP而优化的入门级软件函数集,它也可以应用于Cortex-A55NEON并进一步提升其机器学习性能!

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    Cortex-A55的可靠性、可用性和可服务性(RAS)特性也很高,这些特性使其能够服务于基础设施以及汽车等各个领域。对汽车市场而言,Cortex-A55的安全性现已得到提升。它在每一级高速缓存上均提供可选的ECC和奇偶校验特性,而且还支持“datapoisoning”,这种方法可推迟已检测到的、不可纠正的错误,适用于更有弹性的系统。它还是首款在避免系统故障方面采用全新设计流程的Cortex-A系列CPU,因而在搭配Cortex-R52的情况下十分适合ASILD应用。

    深度嵌入高级电源管理特性

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    Cortex-A55具备诸多全新的电源特性,例如硬件控制状态转换能够更快地从ON转换至OFF。Cortex-A55还能够根据当前运行的应用程序自主地关闭三级高速缓存。对于VR等需要更多内存的重载型应用程序,三级高速缓存会完全打开。然而对于音乐播放等完全驻留在一级和二级高速缓存中的轻载型应用程序而言,三级高速缓存会被关闭。额外还有两种功率模式用于重载和轻载之间的应用情形。

    现在还可以创建单颗CPU或CPU群组,其中每一颗CPU都处于集群内各自独立的电压域中,因此能够更精细地动态提升电压和频率。这有两大好处:首先,它让设计师能够进一步调节系统,从而实现最佳的性能和节能性。其次,这还意味着DynamIQ系统能够更轻松地紧密匹配设备多变的发热限制,因此可以最大限度发挥性能。

    big.LITTLE处理的新时代

    big.LITTLE技术自2011年问世以来一直是异构处理的代名词。因此当今市面上每三台安卓ARMv8设备中就有两台依赖big.LITTLE技术来实现功率和性能优化。DynamIQbig.LITTLE是DynamIQ系统的新一代异构计算技术。

    它让设计师能够利用Cortex-A75“大”CPU和Cortex-A55“小”CPU打造出充分集成的解决方案,大小CPU在物理上位于单一CPU集群中。所有的软件线程迁移和由此造成的大小CPU之间的高速缓存窥探(cachesnoop)现在均发生在该集群内。与Cortex-A73相比,Cortex-A75CPU可以用于频率更高的使用场合,同时利用Cortex-A55依旧保持持续的DVFS曲线。这是big.LITTLE系统的一项重要设计要求。这些特性合在一起,与上一代big.LITTLE技术相比,可大幅提升峰值性能、持续性能以及智能功能。

ARM Cortex-A55: 从端到云实现高效能

    当今的中端移动和消费级市场普遍采用基于Cortex-A53的4核和8核解决方案。然而,随着人工智能和虚拟现实等高级使用场合从高端市场渗透到中端市场,厂商需要以更低的成本提供更高的性能和智能功能。DynamIQbig.LITTLE通过推出新的异构CPU配置来满足这一需求,例如1颗Cortex-A75+3颗Cortex-A55(1大+3小)和1颗Cortex-A75+7颗Cortex-A55(1大+7小)等等。这些新的配置以类似的芯片尺寸可分别与4核和8核的Cortex-A55设计相比,可以实现2倍以上的单线程性能。

    现已推出基础设施和移动片上系统(SoC)设计指南

    ARM长期以来一直在范例SoC设计验证我们的知识产权方面有着大量投入。由于ARM的知识产权组合与日俱增,这些范例系统的复杂度和范围也随之增长。从SoC架构到详细的产前分析,这项工作涵盖了方方面面。ARM将以“系统指南”的形式提供这类知识。

    除了全新CPU以外,ARM还提供各种新的系统指南,这些指南涵盖了移动系统和基础设施系统:

    针对移动系统的CoreLinkSGM-775系统指南专为Cortex-A75、Cortex-A55以及Mali-G72而设计和优化

    SGM-775包括文档、模型和软件,而且可供ARM合作伙伴免费使用

    如需详细了解如何实施移动和基础设施系统,敬请访问我们的系统指南页面。

    基于Cortex-A55的设备预计什么时候上市?

    Cortex-A55的最终发布令人激动不已。Cortex-A55在性能、节能性以及扩展性等方面的长足进步将使其成为ARM的下一款出货量最大的Cortex-A系列CPU。然而,激动人心之处不止于此。这一生态系统内的大量ARM合作伙伴现已获得Cortex-A55的相关许可,我已经等不及想要看一看他们在接下来的几个月里将会发布哪些新一轮智能计算解决方案。虽然我们无法预测基于Cortex-A55的设备会以何种形式展现,但是可以确定的是,从2018年起未来将会无比激动人心!

责任编辑:马兰

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