Die öffentliche Version der ARM-Architektur ist der König und unabhängige CPUs sind nutzlos?
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Bei Handy-Prozessoren muss man nicht so sehr auf die Anzahl der Kerne und die Taktfrequenz achten, sondern sollte sich eher auf die Architektur und den Prozess konzentrieren. Die Qualität des Prozesses lässt sich sehr einfach beurteilen. Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Anzahl der Nanometer, desto fortschrittlicher ist es. FinFET-Transistoren sind besser als herkömmliche 2D-Transistoren. Allerdings ist es schwieriger, die Vor- und Nachteile einer Architektur zu beurteilen, da es öffentliche Versionen und unabhängige Architekturen gibt. Wenn Sie die Namensregeln der öffentlichen Versionsarchitektur verstehen, können Sie sich grob ein Bild davon machen. Da es sich um eigenständige Architekturen unterschiedlicher Hersteller handelt, ist eine Beurteilung anhand der Namensgebung nur schwer möglich. Diese Hindernisse beeinträchtigen letztlich unser Verständnis der Vor- und Nachteile eines SoC. Ist die unabhängige Architektur stärker oder die Architektur der öffentlichen Version besser? Welche autonomen Architekturen bieten eine bessere Leistung? Beginnen wir für diese Fragen mit dem Befehlssatz. Das Spiel zwischen reduziertem Befehlssatz und komplexem Befehlssatz Das harte Programm innerhalb der CPU, das zur Steuerung von Berechnungen und Optimierungen verwendet wird, wird als „Befehlssatz“ bezeichnet. Es handelt sich um den Befehl auf niedrigster Ebene, den die CPU direkt erkennen kann, und er ist in einen komplexen Befehlssatz und einen reduzierten Befehlssatz unterteilt. Der komplexe Befehlssatz soll die Ausführungsgeschwindigkeit des Computers verbessern, indem einige komplexe Anweisungen festgelegt und einige häufig verwendete Funktionen, die ursprünglich durch Software implementiert wurden, durch Hardware-Befehlssysteme ersetzt werden. Die berühmte X86-Architektur von Intel ist ein typisches Produkt des komplexen Befehlssatzes. Dies könnte die Verarbeitungseffizienz erheblich verbessern, als Computer zum ersten Mal erfunden wurden und noch teure Komponenten, eine niedrige Hauptfrequenz und eine langsame Laufgeschwindigkeit aufwiesen. Mit zunehmender Komplexität des komplexen Befehlssatzes wurde diese Struktur jedoch immer größer und ihre Vielseitigkeit und Ausführungsgeschwindigkeit begannen nachzulassen. Als Ergebnis entstand ein reduzierter Befehlssatz, der auf einer anderen Idee basierte. Die Idee von RISC besteht darin, die Funktionen von Computeranweisungen zu vereinfachen, den durchschnittlichen Ausführungszyklus von Anweisungen zu verkürzen, komplexere Funktionen mit einem Unterprogramm zu implementieren und dadurch die Betriebsfrequenz des Computers zu erhöhen, und eine große Anzahl allgemeiner Register zu verwenden, um die Geschwindigkeit der Unterprogrammausführung zu erhöhen. Zu diesem System gehören sowohl die ARM-Architektur von ARM als auch die MIPS-Architektur von Imagination Technologies. Derzeit verwenden fast alle gängigen Mobilprozessoren die ARM-Architektur. Diese Architektur mit reduziertem Befehlssatz bietet vier große Vorteile: erstens geringe Größe, geringer Stromverbrauch, niedrige Kosten und starke Leistung; zweitens wird eine große Anzahl von Registern verwendet und die meisten Datenoperationen werden in Registern ausgeführt, sodass die Befehlsausführungsgeschwindigkeit schneller ist; drittens ist die Adressierungsmethode flexibel und einfach und die Ausführungseffizienz hoch; Viertens ist die Befehlslänge festgelegt und die Verarbeitungseffizienz kann durch eine Multi-Pipeline-Methode verbessert werden. Die ARM-Architektur ist ebenfalls in mehrere Generationen unterteilt, darunter ARMv6, ARMv7, ARMv8 usw. Der auf Grundlage des ARMv6-Befehlssatzes entwickelte Kern ist ARM11, der in frühen Smartphones weit verbreitet war, insbesondere in den Symbian-Systemtelefonen von Nokia. ARMv7 ist die am weitesten verbreitete Architektur im neuen Zeitalter der Smartphones. Die uns bekannten Cortex-A7/A8/A9/A15-Kerne sind allesamt Produkte dieser Architektur. Der ARMv8-Befehlssatz wurde im November 2011 veröffentlicht. Er unterstützte zum ersten Mal in der Geschichte von ARM den 64-Bit-Befehlssatz und bildete die Kerngrundlage für Apples ersten 64-Bit-Prozessor A9 im Jahr 2013. Heute basieren alle gängigen autonomen/nicht-autonomen Prozessorarchitekturen von Mobiltelefonen auf dem ARM-Befehlssatz (mit Ausnahme einiger Mobiltelefone mit Intel-Core, die den X86-Befehlssatz verwenden). Warum werden Handyprozessoren in öffentliche und unabhängige Versionen unterteilt? Obwohl es sich mit der ARMvX-Architektur eine dominante Position im Mobilbereich erarbeitet hat, ist das Unternehmen von den britischen Inseln nicht dem Beispiel von Intel gefolgt und hat alles alleine gemacht. Stattdessen wurde die Lizenzierung ermöglicht, damit Hersteller Endprodukte entsprechend ihren eigenen Bedürfnissen entwerfen und herstellen können. Was die Autorisierung betrifft, unterteilt ARM sie in zwei Typen. Die gängige Methode besteht darin, den von ARM entwickelten IP-Kern wie Cortex-A53/A72 zu lizenzieren. Nachdem der Hersteller eine derartige Autorisierung erhalten hat, muss er nur noch die Anzahl der Kerne, die Busverbindung und den Cache entsprechend den Anforderungen auswählen, um das Design des CPU-Teils grundsätzlich abzuschließen. Daher bezeichnen wir diese Art von Kernlösung, die die von ARM entwickelte Architektur direkt nutzt, als öffentliche Version. Zu dieser Kategorie gehören die Chips von MediaTek, Samsung und HiSilicon. Eine weitere Option ist die Lizenzierung der ARM-Architektur, beispielsweise ARMv7/ARMv8. Nachdem die Hersteller diese Befehlssatzarchitekturen erhalten haben, müssen sie den Kernel noch selbst entwerfen und dann die Konstruktion des gesamten CPU-Teils abschließen. Das ist das, was wir autonome Architektur nennen. Die meisten Chips von Apple und Qualcomm sind Produkte dieser Lösung. Der größte Vorteil der ersten öffentlichen Version besteht darin, dass sie Zeit, Aufwand und Kosten spart. Chiphersteller müssen lediglich dem Tempo von ARM folgen, um nicht abgehängt zu werden. Sie können nicht nur die Leistung sicherstellen, sondern auch fertige Produkte so schnell wie möglich auf den Markt bringen. Gleichzeitig wird es auch für Personen mit geringer Handy-Ausbildung einfacher, die Stärke und Positionierung der Chips zu beurteilen. Der erste Nachteil ist der Verlust der Differenzierung und die Unfähigkeit, ein exklusives Verkaufsargument zu entwickeln. Zweitens ist es notwendig, stets mit ARM Schritt zu halten. Wenn es einmal in Rückstand gerät, wird es von der Außenwelt leicht wahrgenommen und sofort als minderwertiges und ausgemustertes Produkt abgestempelt. Der Vorteil der zweiten unabhängigen Lösung ist ihre Flexibilität. Hersteller können Single-Core-Leistung mit besserer IP-Version als bei öffentlichen Versionen und geringerem Stromverbrauch entwickeln. Gleichzeitig verfügen sie über einen hohen Freiheitsgrad bei der Busanbindung und bieten viel Raum zur Entwicklung. Allerdings muss diese Lösung auf der Prämisse basieren, dass die Chiphersteller es sich leisten können, Geld auszugeben und Personal einzustellen, und es wird lange dauern, bis Ergebnisse erzielt werden, die die öffentliche Version übertreffen. Im Wesentlichen ist die Entscheidung, welche Lösung gewählt wird, lediglich eine Entscheidung der Chiphersteller, die auf ihrer eigenen Stärke, ihren finanziellen Ressourcen, ihrem Zeitaufwand und den Anforderungen des Endprodukts basiert. Einige Hersteller verwenden möglicherweise immer die öffentliche Versionsarchitektur, wenden sich jedoch möglicherweise, nachdem die entsprechenden Reserven ausgereift sind, der unabhängigen Forschung und Entwicklung zu, wie beispielsweise Samsung. Einige Hersteller haben zwar immer ihre eigene Architektur geliebt, kehren aber zur Architektur der öffentlichen Version zurück, wenn ihr Rhythmus unterbrochen wird oder sie, wie beispielsweise Qualcomm, bei Chips der unteren und mittleren Preisklasse stärker auf die Kosten achten. Nichts ist statisch, daher müssen wir keine Energie darauf verwenden, zwischen der öffentlichen und der unabhängigen Version der Architektur zu unterscheiden, sondern können uns einfach auf die tatsächliche Leistung konzentrieren. Tatsächliche Leistung lässt sich nicht auf einen Schlag ermitteln Kann allein die Betrachtung der Architektur die tatsächliche Leistung wiedergeben? Tatsächlich ist dies nicht der Fall. 1. Öffentliche Version Im Hinblick auf die tatsächliche Leistung ist es sehr praktisch, die Architekturen der öffentlichen Versionen zu vergleichen, die grob wie folgt zusammengefasst werden können: A72＞A57＞A15＞A17＞A9＞A53＞A35＞A8＞A7＞A5. Mit Ausnahme der 32-Bit-Kerne A15 und A17 (A17 ist auf Basis von A12 optimiert, mit einer Leistung nahe an A15, aber geringerem Stromverbrauch) werden die verbleibenden Kerne mit einem Bit für den 32-Bit-ARMv7-Befehlssatz und mit zwei Bits für den 64-Bit-ARMv8-Befehlssatz benannt. 2. Apple Doch nach dem Hinzufügen der unabhängigen Architektur wird der Vergleich kompliziert. Lassen Sie uns zunächst über die unabhängige Architektur von Apple sprechen. Beginnend mit dem A6-Prozessor war Apple der erste, der seine eigenen Kerne entwickelte. Zunächst wurde die Swift-Architektur basierend auf dem ARMv7-Design eingeführt. Seine Leistung liegt zwischen der öffentlichen Version von A9 und A15 und ist stärker als die von Qualcomms Krait 300 aus der gleichen Zeit. Mit A7 hat Apple seine beispiellos starken Designfähigkeiten unter Beweis gestellt. In nur einem Jahr entwickelte das Unternehmen den Cyclone-Kern auf Basis der 64-Bit-ARMv8-Architektur und war damit der Konkurrenz um ein Jahr voraus. Der gesamte A7-Chip integriert mehr als 1 Milliarde Transistoren und die Leistung allein der Dual-Core-Konfiguration entspricht der des Quad-Core-Prozessors A15. Beim im iPhone 6 verbauten A8-Chip steigert die verbesserte Typhoon-Architektur die Leistung des Prozessors um 25 %. Die Single-Core-Leistung übertrifft die des A57 und die Multi-Core-Leistung liegt nur knapp hinter dem Exynos 7420 und Snapdragon 810 mit Achtkern A57+A53. Der neueste A9-Chip verwendet den Twister-Kern der 64-Bit-Architektur der dritten Generation. Die CPU-Leistung ist 70 % höher als die des A8 und die Single-Core-Leistung übertrifft die des Kirin 950, der die neueste A72-Architektur verwendet. Es handelt sich dabei noch immer um den stärksten Single-Core-Kern in kommerziellen Chips. 3. Qualcomm Ein weiteres Unternehmen, das an der Entwicklung einer eigenen Architektur interessiert ist, ist Qualcomm. Bereits in der Ära des Snapdragon S1 übernahm Qualcomm den auf der ARMv7-Architektur basierenden Scorpion-Kern im QSD8250. Im Vergleich zu den beliebten A8/A9-Kernen der öffentlichen Versionen aus derselben Zeit verfügte Scorpion über einige Out-of-Order-Ausführungsfunktionen, unterstützte asynchrone symmetrische Mehrfachverarbeitung und hatte herausragende Vorteile hinsichtlich hoher Hauptfrequenz, geringem Stromverbrauch und verbesserten Gleitkommaoperationen. Seine spezifische Leistung war etwas schwächer als die des A9. Diese Architektur wurde in drei Generationen von Snapdragon-Prozessoren verwendet: S1, S2 und S3. Später wurde es etwas alt und schwach, deshalb brachte Qualcomm den Krait-Kern auf den Markt. Der Krait-Kern ist in chronologischer Reihenfolge in vier Generationen unterteilt: Krait 200, Krait 300, Krait 400 und Krait 450, die alle auf der ARMv7-Architektur basieren. Die erste Generation von Krait kommt im Snapdragon S4-Prozessor zum Einsatz. Es kann drei Abruf- und Decodiervorgänge in einem Taktzyklus durchführen. Die Anzahl der Back-End-Ausführungseinheiten wurde in Scorpion von drei auf sieben erhöht und die Pipeline wurde von zehn auf elf Ebenen erweitert. Die tatsächliche Leistung ist etwas schwächer als beim A15 mit einer 15-stufigen Pipeline. Der Krait 300-Kern der zweiten Generation verbesserte das Verzweigungsvorhersagemodul, fügte eine Out-of-Order-Ausführungs-Engine hinzu und brachte bessere Gleitkomma-Rechenfunktionen. Es wurde im Snapdragon 600 der ersten Generation verwendet, dessen Leistung der des A15 nahe kommt, der Stromverbrauch jedoch geringer ist. Der Krait 400 der dritten Generation wird in einem 28-nm-HPM-Prozess hergestellt und verfügt über einen verbesserten Speichercontroller, geringere Latenz und einen L2-Cache mit höherer Frequenz. Seine Leistung ist stärker als die des A15. Der uns bekannte Snapdragon 800/801 nutzt diesen Kern. Die letzte Generation von Krait 450 wird auf dem ungewöhnlichen Snapdragon 805 verwendet. Die wichtigste Änderung besteht darin, dass die Hauptfrequenz auf übertriebene 2,5 GHz erhöht wird. Nach Krait 450 wechselte Qualcomms neue Generation Snapdragon 810 aus Wettbewerbsgründen zur öffentlichen Version des A57-Kerns und seine Leistung war relativ stabil. Im kommenden Snapdragon 820 hat Qualcomm endlich den lange entwickelten Kryo-Kern auf den Markt gebracht. Es handelt sich um den ersten von Qualcomm selbst entwickelten 64-Bit-Kern und seine Single-Thread-Leistung ist stärker als die des Core A72 der neuesten öffentlichen Version. 4. Sonstiges Darüber hinaus sind auch Samsung und Nvidia mehr oder weniger in die Reihen der unabhängig entwickelten Kerne eingestiegen. Samsungs Orion-Chips haben immer die öffentliche Version des Cortex-Kerns verwendet und letztes Jahr sorgte das Unternehmen mit seinem 14-nm-Exynos 7420 für Aufsehen. Samsung hat sich jedoch immer auf Forschung und Entwicklung konzentriert und ist sicherlich nicht bereit, einfach zuzusehen, wie andere mit ihrer eigenen Architektur Erfolg haben. Daher verwendet der Exynos 8890, mit dem das kommende Samsung S7 ausgestattet ist, den selbst entwickelten Mongoose-Kern auf Basis der ARMv8-Architektur, um den A57 zu ersetzen. Auch die Leistung ist stärker als beim A72 und vergleichbar mit Qualcomms Kryo. Erwähnenswert ist, dass sich „Mongoose“ im Tierreich auf den Mungo bezieht, der der natürliche Feind von Qualcomms vorheriger Krait (Bunny Ring Snake) ist. Neben Qualcomm verwendete auch NVIDIA seinen selbst entwickelten 64-Bit-Denver-Core auf einer früheren Version des Tegra K1-Chips. Aufgrund der späten Markteinführung, des Stromverbrauchs und des fehlenden Basisbands gibt es jedoch fast keine Modelle auf dem Markt, die ihn verwenden. Der später eingeführte Tegra X1 kehrte zum großen und kleinen Kerndesign der öffentlichen Version A57+A53 zurück. Zusammenfassen Nach der obigen Beschreibung und Überprüfung können wir grundsätzlich die folgende Regel zusammenfassen: Unabhängige Architekturen weisen im Allgemeinen eine stärkere Leistung auf als die öffentliche Versionsarchitektur im gleichen Zeitraum. Allerdings ist zu beachten, dass sich diese starke Leistung auf die Single-Core-Leistung bezieht, während in puncto Multi-Core-Leistung die CPU mit Achtkern-Design zweifellos deutlich stärker ist. Obwohl unabhängige Architektur viele Vorteile hat, kann sie nicht jeder machen. Sogar ein starkes Unternehmen wie Qualcomm hat berichtet, dass die nächste Generation des Snapdragon 830 auf eine unabhängige Architektur verzichten wird. Obwohl ich nicht ganz glaube, dass das stimmt, zeigt es doch, dass unabhängiges Design enorme Ressourcen erfordert. Als Verbraucher reicht es aus, solange die Chips, die Sie verkaufen, das gleiche Leistungsniveau aufweisen. Es besteht keine Notwendigkeit, über ein paar hundert zusätzliche Laufpunkte zu feilschen, und es besteht keine Notwendigkeit, sich gegenseitig mit der Begründung anzugreifen, ob sie unabhängig voneinander entwickelt wurden. Als Gewinner des Qingyun-Plans von Toutiao und des Bai+-Plans von Baijiahao, des Baidu-Digitalautors des Jahres 2019, des beliebtesten Autors von Baijiahao im Technologiebereich, des Sogou-Autors für Technologie und Kultur 2019 und des einflussreichsten Schöpfers des Baijiahao-Vierteljahrs 2021 hat er viele Auszeichnungen gewonnen, darunter den Sohu Best Industry Media Person 2013, den dritten Platz beim China New Media Entrepreneurship Competition Beijing 2015, den Guangmang Experience Award 2015, den dritten Platz im Finale des China New Media Entrepreneurship Competition 2015 und den Baidu Dynamic Annual Powerful Celebrity 2018. |
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