[轉載]ARM處理器都有哪些CPU核心？

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半導體業有這樣第一家公司，他們的處理器每年出貨上百億顆，我們每天都在用的智能手機都有它的功勞，但這家公司從中賺的錢並不多，這就是英國ARM（中文名是安謀國際）公司，他們的ARM處理器在全球範圍內支撐了各種嵌入式設備、智能手機、平板、智能手環/手錶等產品運行，自己一年的營收不過10億英鎊而已，絕對是薄利多銷，造福全人類。


▲ARM處理器在移動領域佔據絕大多數份額

對於ARM公司，我們天天在用他們的產品，不過大部分人對這家公司並不瞭解，它遠不如高通、蘋果、聯發科、三星這些廠商那般耳熟能詳，今天我們主要介紹ARM公司推出的Cortex-A系列處理器核心，這是智能手機、平板中的移動SoC處理器的基礎，它每一代的進步都影響著用戶體驗。

ARM公司主營的產品類型
嚴格來說ARM公司並不是單一的處理器公司，他們還有各種系統IP、物理IP、GPU、視頻、顯示等各種產品。當然，處理器顯然是最重要也是營收最多的業務了，這其中又可以分為面向開放系統的Cortex-A、面向嵌入式系統的Cortex-R以及面向各種微控制器的Cortex-M系列，另外還有面向支付、電子政府、SIM卡等安全市場的SC系列，整個處理器產品線目前的產品系列如下圖所示：


▲ARM公司處理器產品的主要系列

我們今天的內容就是Cortex-A系列處理器，成立二十多年來ARM公司已經推出過多代指令集和處理器。大多數人首次在智能手機上接觸ARM處理器還是16位的ARMv6家族ARM11處理器，這是蘋果第一代iPhone手機處理器的架構，不過現在ARM11架構在官網上已經沒有露臉機會了，我們的介紹也就從32位ARMv7家族開始。

ARM Cortex-A處理器主要型號及規格
目前Cortex-A系列處理器最低端的是A5，之後分別是A7、A9、A12/17、A15，還有個比較奇葩的A8，但很早被淘汰了，這些都是32位元ARMv7-A指令集的，64位元時代則是A53、A57、A72及最新發佈的A35，基於ARMv8-A指令集。

在A7/A15時代，ARM推出了big.LITTLE架構，希望用這種這種大小搭配的組合解決處理器耗電與性能之間的矛盾，小核心主要有A7、A53及最新推出的A35這三種，他們典型的特點是順序執行架構、低流水線、低頻率設計，大核心則是A15、A17、A57及A72這幾種，這種處理器都是亂序執行架構，3發射解碼，高達15級流水線設計，運行頻率在2GHz以上，主要面向高性能處理。

big.LITTLE的理念是非常好的，但大小核之間的切換很考驗廠商的設計能力，更嚴重的是處理器廠商在具體的執行中已經偏離了大小核的初衷，現在的情況是高性能大核通常只有在跑分軟體中才會滿載，而性能較低的小核心反倒成了日常使用的主力，廠商如果協調不好二者的分配，最終的結果就是要麼耗電太快，要麼就是性能不佳，系統卡頓。

此外，表格中的性能是換算成每核心每MHz下的Dhrystone性能，用以衡量CPU核心性能，不過具體的性能實際上還是跟廠商的工藝、頻率掛鈎的，ARM在發佈Cortex-A72架構時表示其性能是前代的3.5倍，這個實際上是用14/16nm工藝、2.5GHz的A72對比28nm、1.6GHz的A15處理器得來的，A72相對真正的取代物件A57核心的性能提升根本沒有這麼多。

Cortex-A處理器架構設計圖


▲Cortex-A5架構

Cortex-A5是ARM公司目前能效最高、成本最低的32位處理器，不過為了達到如此之低的功耗它的性能也犧牲了不少，沒有L2緩存，NEON及VFP浮點指令都是可選的，用在智慧手機上性能堪憂。A5在智能手機上最主要的應用還是高通的驍龍S1及後來的驍龍S4 Play，也就是MSM8625、MSM8225系列。


▲Cortex-A7架構

Cortex-A7架構在智能手機中就比較出名了，支援ARMv7-A指令集，NEON及VFP浮點單元都不缺，還可以搭配最多1MB緩存，所以A7架構直到現在也還有用，小米公司出貨量過一千萬的紅米2A用的聯芯LC1860就是四核Cortex-A7架構的。

多數情況下，A7核心還是與Cortex-A15核心組成big.LITTLE大小核架構，知名的處理器有NVIDIA的Tegra K1、海思的麒麟920/925、三星的Exynos 5420/5420、聯發科的MT8135等等。


▲Cortex-A8架構

Cortex-A8架構在Cortex-A系列處理器中最為特殊，因為其他處理器每簇核心多數都能達到4個核心（總核心數不受限制，看廠商的選擇了），但A8就只有單核心，好在A8那個時代手機處理器拼核心並沒有這麼瘋狂，蘋果的一代名機iPhone 4用的處理器就是單核A8架構的。


▲Cortex-A9架構

Cortex-A9架構在手機處理器中算是最輝煌的了，它既不像A7那樣過於注重低功耗而犧牲了性能，也不像A15架構那樣追求性能（A15架構本來是ARM針對伺服器市場推出的），A9的性能、功耗比較均衡，而且A9的時代正好是手機處理器從單核向雙核轉變的時間，雙核及後來的四核A9架構中出了不少代表性的處理器，包括蘋果一鳴驚人的A5/A5X、NVIDIA的Tegra 2/3、Ti公司的OMAP 4430/4460、三星的Exynos 4210、華為海思的K3V2等等，高通備受好評的Krait架構也是基於A9架構改良的。


▲Cortex-A15架構

Cortex-A15架構本來是ARM公司針對伺服器市場推出的高性能核心，首次使用3發射解碼架構，還支援ECC記憶體，所以性能沒得說，但隨之而來的功耗也是個嚴重的問題，當時大部分使用A15+A7的big.LITTLE架構的處理器都多多少少存在發熱的問題。


▲Cortex-A17架構

說到Cortex-A17架構，它其實比前面的A8更杯具，A8雖然先天孱弱，但在當時的時代中還是發揮了光芒的，而A17明明是底子很不錯，但生不逢時。

此外，Cortex-A17實際上就是之前的Cortex-A12（內核沒變，改變了外部匯流排），ARM推A12架構原本是彌補A15功耗過高、A7性能太低的缺憾的，應該說是A9架構的繼任者，所以它在性能、功耗上平衡性上做的不錯。ARM之所以改名，據說是當時的中國合作夥伴認為A12這個命名不好，消費者會因為它數字比A15低而認為不如A15好（雖然性能上確實如此），不利於宣傳，ARM就跟中國廠商勸高通把MSM8974AB/AC改成驍龍801一樣妥協了，所以現在叫的是Cortex-A17架構。

本該大有作為的Cortex-A17處理器是雷聲大雨點小，除了聯發科MT6595、瑞芯微RK3288以及小米電視上用的晨星6A928等極少數產品之外應者寥寥，因為A17架構出來的太晚，還是32位元指令集的它接下來直接遇到64位架構處理器的衝擊了，只能說是天時不利。


▲Cortex-A53架構

如果說A9處理器是32位元時代智慧手機應用的成功代表，那麼Cortex-A53架構就是64位時代智能手機處理器架構的代表，它原本是ARM針對64位元應用推出的低功耗架構，定位類似之前的Cortex-A7，低功耗低核心面積低成本低發熱，應該用作big.LITTLE架構中的小核心的。

不過同期推出的Cortex-A57架構同樣面臨功耗、發熱的難題，再加上廠商們在8核路線上已經不能自拔，所以大部分廠商索性全部使用A53核心做8核處理器，目前最受歡迎的聯發科Helio X10/MT6795、MT6753/6752、海思麒麟930/620、高通驍龍615/616/617等處理器都是這種架構的。


▲Cortex-A57架構

ARM在移動市場推的大核心高性能處理器都面臨了功耗、發熱失控的尷尬，64位時代的A57甚至還不如32位時代的15架構，由於28nm甚至20nm工藝都難以控制發熱，所以只有高通驍龍810、三星Exynos 5433（但閹割了64位支援）、NVIDIA的Tegra X1等少數處理器採用了四核A57架構，市場表現還算好的只有驍龍808及三星的Eynox 7420，前者是因為只用了雙核A57架構搭配4核A53，Exynos 7420雖然是真正的4核A57架構，但這主要歸功於三星的14nm工藝，如果用20nm工藝的話恐怕也不會樂觀。


▲Cortex-A72架構

A57之後ARM公司又推出了Cortex-A72架構架構，它可以說稱A57的改良版，同時也會取代A57的位置，因為A72的功耗控制、性能都要比後者更優秀一些，很多處理器直接跳過了A57架構等的就是A72架構，因為它還是針對FinFET工藝做優化的。

目前來看A72核心處理器還是新生事物，海思最近發佈的麒麟950就使用了4核A72+4核A53架構，號稱是首款商用A72處理器，聯發科早前發佈的MT8173處理器也是A72核心的，已經用在了亞馬遜的FireTV新品上了，後續還會有聯發科10核心的Helio X20/30處理器等。


▲Cortex-A35架構

在本月中的Techcon大會上，ARM又發佈了Cortex-A35架構，它是64位ARMv8家族中的最新成員，從命名上看它在64位處理器中定位最低，實際上它也不是為了取代A53的，而是取代目前還在服役的A7低功耗32位元核心，1GHz頻率下功耗只有90mW，100MHz下更是低至6mW，28nm工藝下核心面積只有0.4mm2。


▲ARM處理器家族的路線圖

目前的Cortex-A系列處理器就是這些了，不過ARM已經公開了新一代處理器，Cortex-A72之後的繼任者是Artemis（月亮女神），只是代號，還沒有具體名字，規格也是一無所知，但它要等到2017年才能問世，針對的工藝是更先進的10nm FinFET。