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比苹果M1更牛的芯片,明年高通可能要造出来了

作者: admin来源: 本站时间:2021-04-30
 
苹果M1作为Arm之光,好像现已成为许多芯片厂商的噩梦了。它不光是Intel、AMD的噩梦,也是高通、联发科这类厂商的噩梦,由于它改写了芯片的单核功能与IPC,全体还能坚持很低的功耗。蒂姆库克最近还悄悄潜入苹果总部,悄悄把M1从MacBook身上搬到了iPad与iMac内部。


有关M1的彪悍才能,咱们在此前的文章里现已多有介绍。简略回忆一下苹果自己宣扬中的数据:

 


 

这张宣扬图横轴代表CPU功耗,纵轴代表CPU功能。其放肆之处在于,一方面它没有清晰标尺和比照方针(惯例传统),另一方面则从图中可见,在相同功耗下(如10W),其功能抢先起伏远高于竞品——苹果其时的宣扬数字是,同功耗下最高2倍功能抢先。与此同时,仅需“25%的功耗”就到达传统PC所能到达的峰值功能。(回忆中,苹果或许修改正表达)


尽管所谓的“竞品”指代不明,但大抵上也便是指Intel的十代或十一代酷睿处理器了。这张含糊不清的图,其放肆程度简直现已到了无视摩尔定律和职业惯例的程度,“在座的都是XX”——当然咱们知道,详细数值并没有苹果宣扬中那么抱负,究竟x86这边的处理器仍有频率方面的显着“优势”。


如此前讨论功能概况时所述,这张图不只吊打了Intel(Ice Lake/Tiger Lake)、AMD(Zen 2/Zen 3),也吊打了高通(骁龙8cx一代二代)、三星(Mongoose)等Arm同阵营的其他商场参与者。好像在未来很长一段时刻内,都很难再出现这么放肆的能效吊打数据了。直到有家叫Nuvia的公司制作了另一张吊打苹果的图。

 

高通的处理器有多高功能?

 

苹果M1证明了Arm也能用来造高功能处理器,但并不意味着其他同在Arm阵营的企业有这种才能。和苹果存在直接竞赛联系,且同在Arm阵营的,商场体现比较超卓的应该便是高通了:不论是在手机处理器,仍是在PC处理器上。


单纯从CPU中心的视点来看,高通现在的高功能中心实践上也便是Arm Cortex-X1了,详细的芯片产品即骁龙888——X1也代表了Arm自己现在的高功能中心微架构。有关Cortex-X1的概况,咱们在此前剖析5nm芯片文章中现已说到过。

 


 

Cortex-X1实则体现出Arm有进一步向高功能范畴,包含PC、数据中心等商场进发的意思(面向服务器的Arm Neoverse V1高功能中心,正是Cortex-X1的改进版)。由于传统的Arm微架构遍及在低功耗方面做文章,比方Cortex-A系列IP是寻求PPA功能、功耗和本钱三方均衡的。而Cortex-X1突破了这种传统,初次在PPA三角中向功能偏移,并必定程度献身功耗和本钱。


微架构层面,Cortex-X1在宽度上显着加宽,尽管还没到苹果M1的Firestorm中心的程度,但比同代Cortex-A系列现已是规划上的扩展了,比方5-wide decoder前端,ROB条目添加40%,NEON宽度加倍,L2和L3 cache容量加倍,Mop cache条目加倍。许多方针乃至比Intel的Sunny Cove(十代酷睿)还要彪悍。Cortex-X1完结了相较Cortex-A77大约30%的IPC进步。


30%的IPC进步仍然是适当超卓的迭代数字。不过对PPA平衡的打破,也必定程度标明至少从中心层面来看,CPU的单核功能进步即使在Arm这边,也变得越来越有难度。

 


 

Cortex-X1的详细施行,首要包含了高通骁龙888和三星Exynos 2100。上面这张图包含了AnandTech针对这两颗处理器的SPEC2006功能测验数据,左面的柱状条代表跑完整个测验的能耗(越短越好,单位焦耳;其间柱状条右边的榜首个数字表明均匀功耗-单位瓦特-即单位时刻内做的功),右边的柱状条代表功能成果(越长越好)。


不论是整数仍是浮点测验,Cortex-X1的IPC进步底子契合Arm预期(尽管三星和高通都没有用上Arm为X1规划的顶配,比方仅一半容量的L3 cache),但骁龙888(以及Exynos 2100)仍是被苹果A14(与M1相同的Firestorm中心)甩开一截的,从能耗与功能的视点来看都是如此。可见文首的苹果“吊打图”,实实在在地体现了苹果本身在高功能CPU中心规划方面的才能。


至于另一个方向,高通面向笔记本的骁龙8cx,此前咱们也讨论过。这颗处理器在CPU中心层面还在用Cortex-A76(高通定制版的Kryo 495),从体系层面加倍内存带宽、进步芯片TDP,来进步其功能。但从已上市的笔记本产品来看,苹果M1能够在功能层面把骁龙8cx按在地上冲突,不论多核仍是单核功能,前者都是后者的2.2-2.5倍。运用骁龙8cx的Surface Pro X,轻度工作是够了,但在更寻求功能的生产力运用中,骁龙8cx仍是比较凄惨的。


尽管以上内容更多讨论了手机、笔记本这样的移动范畴,但中心本身许多时分是在不同运用范畴同享的,只不过会有频率、cache、规划方面的弹性扩展。高通现阶段是很难拿出在功能上和苹果抗衡的处理器的。单纯从功能的视点来看,如上星期咱们讨论Arm服务器处理器的文章,即使有新推的Arm Neoverse,其单线程、每中心功能也仍然达不到x86处理器的水平(尽管数据中心的许多运用或许并没有那么垂青单核功能,并且Neoverse有功耗方面的优势)。

 

所以高通收买了Nuvia

 

高通在骁龙820之前一向有自研微架构的传统,像现在的苹果相同,即根据Arm指令集做自有微架构的测验。不过这个动作从骁龙835开端便中止了,自2017年之后,高通在骁龙处理器的CPU之上,就选用Arm“公版”中心IP、抛弃自研微架构了。


这与其时的多种要素相关,或许包含前期Kryo架构(骁龙820/821)在路线上走偏(过于重视浮点功能,以及功耗崩边致终究产品规格被砍等问题),Arm后期针对中心IP授权形式越来越灵敏(体现在可半定制,或更多可选装备),Arm自己的技能在日趋老练,以及高通其时在本身开展上也遇到了一些问题。


自研微架构之路没那么好走,三星Exynos处理器从自研架构的入门到入土(2016-2020)都没有一款实在可拿得出手的著作,便是前车之鉴。这也更能烘托苹果芯片的彪悍。

 


 

所以高通挑选了收买一家草创公司Nuvia,收买价格14亿美元,收买完结是在本年3月份。从宣告收买到收买完结,也就几周时刻。高通收买Nuvia实在是水到渠成的工作,这家公司除了规划根据Arm的中心产品,其人才储藏是令人适当眼馋的。


这家公司成立于2019年,创始人包含苹果CPU团队的上一任首席架构师 Gerard Williams;联合创始人John Bruno,此前也在苹果和谷歌做过体系架构师。这俩人都有数十年的处理器规划经历,别的参加这家公司的大神还有Manu Gulati,也是前谷歌与苹果芯片团队中心成员。


其间Gerard Williams不只在Arm公司工作了12年,并且还曾领衔过苹果A系列芯片Cyclone(苹果A7处理器CPU中心,iPhone 5s)、Typhoon(A8,iPhone 6)、Twister(A9,iPhone 6s)、Hurricane(A10的大中心,iPhone 7)、Monsoon(A11大中心,iPhone 8/X)以及Vortex(A12大中心,iPhone Xs)架构的规划。2019年12月,苹果状告Gerard Williams,称其违背合约,包含私行兴办企业,以及挖角旗下职工——这种八卦仍是能够阐明Williams的位置的。


有关Nuvia公司旗下产品,咱们很难挖到什么细节。为数不多的头绪便是Nuvia发布的几篇博客文章——且估量后续看不到Nuvia的博客更新了。从Nuvia终究一篇更新的博客文章可见,下一篇原本是计划谈更多芯片功耗办理方面的技能的,或许会提及Nuvia相关的技能;被高通收买后,就要看高通在相关技能揭露方面的战略了。


Nuvia实践的芯片产品没有面世,而在上个月的高通发布会上,高通说到“首个搭载高通全新内部规划CPU的高通骁龙渠道,估计将在2022年下半年出样,规划上针对高功能超级本产品。”换句话说,Nuvia为高通奉献的Arm自研架构处理器最早或许会在2022年面世。


不过Nuvia这家公司原本着力的方向是数据中心的服务器处理器。如文首所述,上一年8月份这家公司画了一张比苹果M1更放肆的图,如下:

 


 

这张图横轴相同代表功耗,纵轴代表单核功能(Geekbench 5测验功能)——大致上与文首苹果出现那张图的维度是相似的。这张图中,紫色、蓝色、绿色那几条比较陡峭的曲线,是Intel和AMD近代的处理器产品,包含Intel十代酷睿的Sunny Cove中心,AMD Zen 2中心等。


而赤色、黑色、灰色那三条曲线别离代表高通骁龙865(Arm Cortex-A77)、苹果A12X(Vortex)、苹果A13(Lightning)。最左边那条深蓝色辐射状“曲线”便是Nuvia的Phoenix中心了(听说画成这个形状,是为了将来再揭晓详细数值)。不论这个表达办法有多独特,在Nuvia标定的深蓝色区间内,吊打苹果前几代芯片产品的CPU功能和功耗是没问题的。


尽管这其间没有参加苹果M1/A14(Firestorm),也没有参加最新的AMD Zen 3和Intel Tiger Lake(十一代酷睿,事实上Intel最新的Xeon服务器处理器便是十代酷睿的Sunny Cove中心),但查一查Firestorm的Geekbench 5功能测验就不难发现,这个Phoenix才是实在的全方位吊打。苹果前职工兴办的公司,果然有苹果公司的调性…


这张图的信息量也比较大,尽管Geekbench 5或许未必有那么靠谱:


榜首,调查高通骁龙865(赤色)与x86处理器(蓝色、绿色、紫色)可发现,x86处理器在功能上高出不少,但付出了巨大的功耗价值(x86处理器中心频率遍及很高)。在Geekbench 5测验中,x86渠道以6-11倍的功耗,才到达了大约50%的功能抢先。这一点算是契合预期,功耗和功能的进步联系原本就不呈线性。意即咱们估测,假如考虑进步骁龙865的频率,其功耗相同大概率面对崩坏。


第二,AMD和Intel是旗鼓适当的水平,尽管AMD近两年有工艺和中心数方面的优势,但比较Intel的优势并不算大(图中未列出更新的Zen 3,在多核功能上,AMD应该会有更大的优势;别的咱们以为,单纯从微架构的视点来看,Zen也并没有显得多先进)。


第三,苹果A系列芯片,在CPU功能上比高通骁龙芯片有显着优势,在CPU功能与x86渠道相等或略高的前提下(留意:是单核功能),功耗有显着优势。


Nuvia以为,作为其主业,数据中心的服务器SoC芯片现在对功耗也是适当灵敏的,在约束功耗的问题上与移动SoC是共同的。且服务器CPU的中心数目在添加,但TDP是需求得到约束的,则每个中心的功耗就必须得到约束。在谈Arm服务器CPU的那篇文章里,咱们知道以Neoverse为代表的服务器处理器架构,方针规划一颗处理器最多能够有128个中心,未来架构更新还会涨到192个中心。


依照芯片全体TDP约束在250-300W,以及CPU外围功耗10-120W,每个中心能够分配到1-4.5W功耗。上面这张图,便是Nuvia用所谓的架构功能模型技能,规划出来的Phoenix中心功能体现。Nuvia在博客中说到,其CPU中心功能是竞品的2倍,并且还在1-4.5W这个TDP区间内。


发生这张表的测验办法,有爱好的同学能够去看一看Nuvia的博客。咱们无从了解Nuvia是怎么到达这个功能和功率水平的,或许终究产品是否真的能到达声称的水准。相关详细完结的,其博客只透露了这样几段话:

 


 

“Nuvia专心于开发一款供给职业抢先功能,且最高功率的SoC。为了到达这一点,咱们以一种全新的办法打造了一款服务器CPU,CPU流水线做出了全面革新。”


“尽管商场还会有更多的生长空间(指在Amazon Graviton面世今后),但商场中心关于特定TDP之下的最高单线程功能与全核功能,有着很清晰的需求。关于绝大部分需求大规划集群的客户而言,这是进步功能与本钱之比(Performance/TCO,TCO即总具有本钱)的最快办法。”


“咱们选用了不同的办法,以没有负担的CPU规划,供给功能和功耗的高雅平衡,最大化内存带宽和中心利用率。咱们的解决方案不需求添加额定的中心来补偿单线程功能缺乏的缺点。与此同时,也不需求选用商场上揄扬的添加频率的办法——由于TDP约束,这样的频率在服务器SoC的实在运用中底子无法到达。”

 


 

值得一提的是,这项测验比较显着的一个槽点是测验东西挑选了Geekbench 5。这个东西一方面并不是针对服务器处理器的,另一方面其测验项也随同较大争议;一般以为SPEC才更具掩盖服务器运用场景的代表性,从编译到AI到气候猜测运用等。不过Nuvia特别撰写了一篇文章来论述Geekbench 5和SPEC的差异,以及阐明选用Geekbench 5的合理性(这篇文章仍是挺有意思)。


比方他们实测以为,Geekbench与SPEC测得的成果是底子同步的,较少存在某款处理器一个测验分数很高,而一个则很低的状况。它们的联系挨近线性,如上图所示;乃至用这种联系,得知某个测验的分数后,就能估测另一项测验的分数,准确率还挺高。

 

Windows笔记本是榜首方针

 

从Nuvia几名大佬的从业经历来看,上面的这些说法有更大的概率是牢靠的。高通亦极有或许凭借Nuvia的收买,在未来面向不同范畴的产品中再度选用自研微架构的处理器,以取得技能上的新一轮优势。


Nuvia在融入高通后,好像暂时将不再从事服务器CPU的研讨。此前高通承受采访时说到,对Nuvia的收买是为了添补这么多年来IP规划的空白,由于这些年高通一向在选用外部的IP,比方Arm的Cortex中心;而Nuvia其时最直接的方针是规划针对Windows笔记本的骁龙SoC芯片(Intel又中枪)。


别的,服务器和企业商场并非收买Nuvia的直接方针;且长时间规划没有彻底敲定。高通在本年1月份发的新闻稿中说到将Nuvia的CPU技能与内部的各种加快处理器产品交融,针对不同的商场。智能手机、ADAS、增强实际、网络基础设施、笔记本等运用均在其列。估计下一年到后年,Nuvia的规划抵达商场,这些范畴又要热烈很久了。

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