文史百科自主架构处理器都没啥用为什么这样说

Posted 2022-12-19 内核

篇首语：不要什么话都跟别人讲，你说的是心里话，他们听的是笑话。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了文史百科自主架构处理器都没啥用为什么这样说相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

在我们给大家纤细阐述“一颗好的手机芯片到底该是什么样的?”，对其中核心的CPU（中央处理器）更是花了大篇幅进行解读，希望大家不用过多关注核数与主频，而把目光多投向架构与工艺。

判断工艺优劣还是非常容易的，基本就是纳米数越小代表越先进，采用FinFET晶体管比传统2D晶体管更好。

但要判断架构优劣就比较难了，因为有公版和自主架构之分，公版架构了解清楚了命名规则大概就能知晓一二，自主架构由于厂商不同，想从命名上判断就非常困难。

这些障碍最终阻碍了我们对于一颗SoC优劣的认识，到底是自主架构强还是公版架构好？不同自主架构间性能孰强孰弱？

对于这些疑问，我们先从指令集聊起。

精简指令集与复杂指令集的博弈

CPU内部用来指导运算和优化的硬程序我们称之为“指令集”，它是CPU能够直接识别的最底层指令，分为复杂指令集和精简指令集两种。

复杂指令集是通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度，英特尔著名的X86架构就是典型的复杂指令集产物。

在计算机刚诞生，部件昂贵、主频低、运行速度慢的年代，这能极大提升处理效率，但随着复杂指令集的日趋庞杂，这种结构越来越庞大，通用性、运行速度开始变差，于是另一种思路驱动的精简指令集就诞生了。

精简指令集的思路是通过简化计算机指令功能，使指令的平均执行周期减少，把较复杂的功能用一段子程序来实现，从而提高计算机的工作主频，同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度，ARM公司ARM架构和Imagination Technologies公司的MIPS架构都属于这一体系。

目前流行的移动处理器中，几乎全部采用的都是ARM架构，这种精简指令集架构带来了四大优势：一是体积小、功耗低、成本低、性能强；二是大量使用寄存器且大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快；三是寻址方式灵活简单，执行效率高；四是指令长度固定，可通过多流水线方式提高处理效率。

ARM架构也分ARMv6、ARMv7、ARMv8等多代。

基于ARMv6指令集设计出来的内核是ARM11，它被广泛用于早年的智能机上，尤其在诺基亚的塞班系统手机中特别常见。

ARMv7则是新智能机时代使用最多的架构，我们熟知的Cortex-A7/A8/A9/A15内核都是这一架构的产物。

ARMv8指令集发布于2011年11月，它在ARM历史上第一次支持了64位指令集，构成了苹果2013年能首发64位处理器A9的核心基础。

而如今我们常见的手机自主/非自主处理器架构都基于arm指令集（除了少数的Intel核心手机为X86指令集）。

手机处理器为何会有公版/自主之分

虽然凭借ARMvX架构在移动领域奠定了一统的地位，但这家来自英伦三岛的公司并没有学着英特尔一样什么都亲力亲为，而是对外开放授权，让厂商根据自己的需要设计生产最终产品。

作为授权，ARM将其分为两种，主流的是授权ARM设计好的IP内核，比如Cortex-A53/A72，厂商拿到此类授权后，只需根据需要选择核心数、总线互联、缓存就基本完成CPU部分的设计。

所以我们把这种直接使用ARM设计好的内核方案叫做公版架构，联发科、三星、海思的芯片就属此类。

另一种方案则是授权ARM架构，比如ARMv7/ARMv8，厂商获得这些指令集架构后，还得自行设计内核，之后再完成整个CPU部分的搭建。

这也就是我们所说的自主架构，苹果、高通的大部分芯片就是这种方案的产物。

第一种公版方案最大的好处是省时省力，节约成本。

芯片厂商只需要跟着ARM的节奏走，就必然不会被落下，既能保障性能，又能以最快时间完成成品上市，同时还方便了稍懂手机的人判断芯片的强弱和定位。

坏处一是丧失差异化，不能形成独家卖点；二是必须时刻紧跟ARM脚步，一旦落后就轻易被外界感知，瞬间打成低端淘汰的形象。

第二种自主方案好处是灵活多变，厂商可以设计出比公版IP更好的单核性能和更低功耗，同时在总线互联上也拥有很高的自由度，发挥空间极大。

但这种方案必须建立在芯片厂商烧得起钱、请得起人的前提下，花费很长时间才可能有超越公版的成果，当年高通就是因为自主研发ARMv8架构的内核进度不理想，才被苹果A9逼得临时加推公版A57内核的骁龙810仓促应对，结果不佳的表现反而影响了公司形象。

本质上，采用哪种方案只是芯片厂商基于自身实力、财力、时间成本和最终产品需要作出的不同决策。

有的厂商可能一直采用公版架构，但相关储备成熟后，它又可能转向自主研发，比如三星。

而有的厂商，虽然一直钟爱自主架构，但在节奏被打乱时或者更看重成本的中低端芯片上，它又会回到公版架构，比如高通。

没有什么是一成不变的，所以我们没必要把精力花在分辨架构的公版与自主，只要关注实际性能表现即可。

实际性能不能一锤定音

仅仅看架构就能代表实际的性能吗?其实并不是这样的。

1.公版

实际性能上，公版架构之间比较非常方便，大概可以归结为A72＞A57＞A17＞A15＞A9＞A53＞A35＞A8＞A7＞A5，其中除了A15内核（32位）外。

其余内核命名一位的为32位的ARMv7指令集、两位为64位的ARMv8指令集。

2.苹果

但加入自主架构后，对比就变得复杂起来，我们首先说苹果的自主架构。

苹果从A6处理器开始，就开了自主研发内核的先列，先是推出了基于ARMv7设计的Swift架构，它性能介于公版的A9与A15之间，比同期高通的Krait 300强。

到了A7苹果更是展现了空前强大的设计能力，仅仅一年时间就设计出了领先对手一年的基于64位ARMv8架构的Cyclone内核，整颗A7芯片集成了超过10亿个晶体管，仅仅双核的配置性能就等同于四核的A15处理器。

再到iPhone 6配备的A8芯片时，改进的Typhoon架构提升了处理器25%的性能，单核性能超过A57，多核性能也只稍微落后于八核心A57+A53的Exynos 7420和骁龙810。

至于最新的A9芯片，采用了第三代64位架构的Twister内核，CPU性能比A8又提升了70%，单核性能提前领先于采用最新A72架构的麒麟950，至今仍是商用芯片中的最强的单核内核。

3.高通

另一个热衷研发自主架构的是高通。

早在骁龙S1的年代，高通就在QSD8250采用了基于ARMv7架构的Scorpion内核，相较同期流行的A8/A9公版内核，Scorpion增加了部分乱序执行能力，支持异步对称多处理，在高主频、低功耗和加强浮点运算方面有突出的优势，具体性能略弱于A9。

这套架构一直沿用了骁龙S1、S2、S3三代处理器，后期已经显得有些老旧乏力，于是高通又推出了Krait内核。

Krait内核按时间先后分为Krait 200、Krait 300、Krait 400、Krait 450四代，都是基于ARMv7架构。

第一代Krait用于骁龙S4处理器，它一个时钟周期可以执行三次fetch与decode操作，后端执行单元更是从Scorpion的三个增加到了七个，流水线从10级增加到了11级，实际性能略弱于15级流水线的A15。

第二代Krait 300内核改进了分支预测模块、添加乱序执行引擎，带来了更好的浮点计算能力，用于第一代骁龙600上，性能接近A15，但功耗更低。

第三代的Krait 400采用28nm HPM工艺制造，改进了内存控制器、延迟更小，还采用了频率更高的二级缓存，性能强于A15，我们熟知的骁龙800/801采用的就是这一内核。

最后一代的Krait 450用于并不常见的骁龙805上，变化主要是把主频提到了夸张的2.5GHz，性能大致和A17差不多。

Krait 450之后，高通新一代的骁龙810因为竞争原因转向了公版A57内核，但表现并没有参数表上那么豪华，反而因发热、功耗问题受尽质疑。

所以在即将上市的骁龙820中，高通终于推出了研发已久的Kryo内核，它是高通首个自主研发的64位内核，单线程性能比最新公版内核A72还强。

4.其他

另外，三星、英伟达也多少涉足了自主研发内核的行列。

三星的猎户座芯片一直采用的都是公版Cortex内核，去年还凭借14nm工艺的Exynos 7420出足了风头。

然而对一直注重研发的三星而言，肯定是不甘心只看着别人玩自主架构风生水起的，所以配备在即将亮相的三星S7上的Exynos 8890，就采用了基于ARMv8架构自研的Mongoose内核取代了A57，性能同样强于A72，和高通的Kryo不相上下。

值得一提的是，在动物界，Mongoose指代的猫鼬正是高通此前Krait（金环蛇）的天敌。

除了高通外，英伟达也在此前Tegra K1芯片的一个版本上用过自研的64位Denver内核，但由于上市较晚、功耗和缺少基带等原因，市面上几乎没有采用的机型。

后来推出的Tegra X1又重新回到了公版A57+A53的大小核设计。

总结

经过上面的叙述和回顾，我们基本可以总结出这样的规律，自主架构通常比同期公版架构性能更强一些，但要说明的是，这种性能强指的是单核性能，而多核性能方面，八核设计的CPU无疑要强上许多。

虽然自主架构好处良多，但真不是谁都能玩，即便是强如高通也传出下代骁龙830将放弃自主架构的传闻，虽然我不太相信它是事实，但也的确从侧面反映出自主设计需要投入资源的巨大。

而作为消费者，只要它们销售的芯片处于同级性能就够了，实在没必要去锱铢必较那多几百的跑分，更没必要以是否自主研发为由互相攻讦。

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