Cortex-A15架構解析：它為什么這么強,今年的新手機趨勢無異是全面向四核靠攏，不過同樣是四核，在實際的性能上其實是千差萬別。例如針對入門級主流市場的四核手機普遍采用的都是Cortex-A7以及Cortex-A9級別的CPU內核，這類內核性能、成本以及發(fā)熱都會

今年的新手機趨勢無異是全面向四核靠攏，不過同樣是四核，在實際的性能上其實是千差萬別。例如針對入門級主流市場的四核手機普遍采用的都是Cortex-A7以及 Cortex-A9 級別的CPU內核，這類內核性能、成本以及發(fā)熱都會較低，因此在入門市場上大行其道。

而在高端智能手機中則出現(xiàn)了一些新的變化，除了去年就已經(jīng)嶄露頭角的高通Krait系列架構四核外，ARM正統(tǒng)的Cortex-A15也開始走上了四核手機的舞臺，例如三星的Exynos 5 Octa、NVIDIA 的Tegra 4。

Cortex-A15是ARM Cortex-A家族中目前最強勁的CPU內核架構，發(fā)布時間為2010年，德州儀器是最早(2011年)投產(chǎn)基于該架構處理器(型號為OMAP 5)的授權廠商。

和ARM的Cortex-A7、Cortex-A9等微架構相比，Cortex-A15有很大的不同。

A15和A9同樣具備亂序執(zhí)行，但是Cortex-A15具備(兩倍)的指令發(fā)射端口和執(zhí)行資源，指令解碼能力也要高出50%，動態(tài)分支預測能力更強(采用了多層級分支表緩存)，指令拾取帶寬更強(128 bit vs 64 bit)，這些都能讓A15的流水線執(zhí)行具備更高的效率。除此以外，A15采用了VFPv4浮點單元設計，能執(zhí)行FMA指令以及硬件除法指令，相較而言A9的峰值向量浮點性能基本上只有A15的一半。

不過在現(xiàn)實中，A15 的對手應該是高通自行設計的 ARMv7A 兼容處理器架構 Krait。高通對 Krait 的架構細節(jié)透露并不是很多，大致上就是 3 個指令解碼端口(和 A15 一樣)、7個指令發(fā)射端口(A15 是8個)、4個發(fā)射端口(A15 是8個)，具備4KB+4KB的單周期時延L0 Cache設計。

如果采用老掉牙的Dhrystone DMIPS/MHz作為性能衡量指標，Krait 是3.3，A9 是2.5，而A15則是3.5，從紙面上看Krait的確非常適合作為A15的對手。

不過Dhrystone的缺點是顯而易見，它是完全可以塞進CPU的L1 cache里執(zhí)行，這就意味著無法以此對L2 cache(A15是一體化設計，Krait是分離式設計，一體化設計可以減少內存交換導致的大量時延)、亂序執(zhí)行的硬件效率/復雜性、內存子系統(tǒng)單元(A15的內存單元可以實現(xiàn)在一定條件下預執(zhí)行一條加載指令，而Krait能否具備這樣的能力尚不清楚)等諸多體系架構區(qū)別對實際性能的影響作出有價值評估。

當然，ARM采用的DMIPS指標實際上并非28年前的那個Dhrystone，而是來自EEBMC Coremark(其實 Coremark 就是前者的改善版本，主要是為了減少預優(yōu)化、對測試有比較嚴格的規(guī)則)，但是CoreMark同樣可以塞進現(xiàn)今大多數(shù)處理器的L1 cache里，Dhrystone不能反映現(xiàn)今移動設備真實應用的問題在這里依然存在。

由于應用環(huán)境日趨復雜，要正確評估一個移動設備處理器的性能變得越來越復雜，因為現(xiàn)在的移動設備跑的網(wǎng)頁瀏覽、三維游戲、音視頻、人工智能等都不可能可以完全塞進L1 Cache里，因為這些應用牽涉到大量的數(shù)據(jù)處理。

這時候，人們在臺式機性能評估上學到的經(jīng)驗和測試辦法就可以在移動設備上采用了。對CPU測試來說，最合理的測試方式是采用多種計算規(guī)模的真實應用源代碼以本機代碼進行編譯再進行測試，在這樣的情況下移動設備的計算單元、內存單元都得以充分考驗，測試結果最具參考價值。

能夠獲得業(yè)界(計算機工業(yè)、學術科研)官方認可的CPU測試當屬SPEC.org的SPEC CPU，它就是采用源代碼方式，讓測試人員可以編譯為本機代碼來測試，許多處理器在研發(fā)伊始就采用SPEC CPU作為最重要的性能評估指標。

SPEC CPU的最新版本為CPU2006，但是CPU2006針對的是當前的臺式機、工作站、服務器處理器應用環(huán)境，內存容量(CPU2006 支持多線程測試，因此要求的內存容量相當高，8線程處理器用16 GB內存也是有點勉強)和自身存儲空間(未編譯時就要數(shù)GB空間，編譯后就要占用1xGB了)要求都較高，因此采用CPU2006對目前的移動設備來說是不太現(xiàn)實的。

SPEC CPU是每隔幾年就更新一次，在CPU2006之前的舊版本為CPU2000，它的speed整數(shù)性能測試完全可以在1GB級別的移動設備上運行，在以前甚至有一些 CPU2000的測試被移植到GPU上做加速性能測試。

ARM陣營極少公布SPEC CPU測試結果，這當然也是有原因的，因為在過去的不少時間里，ARM針對的設備大都只有幾百兆內存空間，塞進操作系統(tǒng)后，留給程序運行的空間就更少，此外由于省電先決的考量ARM處理器的性能其實真的不怎么樣。

不過有意思的是，今年ARM陣營里的NVIDIA在發(fā)布Tegra 4的時候公布了CPU2000INT的測試結果：在1.9GHz 頻率設定的NVIDIA參考平臺里，Tegra 4的SPEC PU2000int_base 為1168。這個測試結果相當于2003年第四季度 SPEC.org 上公布的AMD K8 Sledgehammer 2GHz測試結果。

NVIDIA還進行了在小米手機2(采用高通 Snapdragon S4 Pro 即 APQ8064 1.7GHz)上的CPU2000測試，并且根據(jù)高通公布的S800相對S600在IPC(每周期指令)和頻率上的變化幅度而估算出來的S800的CPU2000測試結果：

從圖表來看，S600的CPUINT2000_base測試結果相當于Tegra 4的一半不到，這在很大程度上反映了Cortex-A15相對Krait系處理器的真實應用差別。

需要指出的是，雙方的測試平臺本身也是有一些影響的，例如小米手機2執(zhí)行這個測試的時候，CPU頻率是否存在降頻現(xiàn)象，NVIDIA對此沒有說明。

一般來說，像APQ8064在四核全速運行的時候，會在一段時間內由于過熱而導致頻率從最高的1.7GHz開始下降。當然，NVIDIA在這里公布的是speed模式下的CPU2000INT測試結果，這個模式下是單線程的測試，只有一個CPU內核會被使用。

比較遺憾的是高通對這個測試結果尚未提出異議(據(jù)說高通對于處理器性能的孰高孰低并不十分看重，他們戲稱是賣基帶送CPU)，而CPU2000的配置對一般人來說是相當復雜的事情，所以這個測試暫時沒有第三方使用同樣的平臺測試佐證。

威盛電子在發(fā)布Nano X2處理器的時候曾經(jīng)公布過一份文件，里面也有采用CPU2000對Nano X2 1.2+GHz和Atom D525進行測試，其中gcc編譯器出來的CPU2000 INT成績分別為799和582，采用Intel編譯器出來的成績分別是955和725。

NVIDIA的Tegra 4的CPU屬于ARMv7A指令集，因此編譯器很可能是armcc或者gcc，NVIDIA新近收購的PGI是一家老牌編譯器廠商，也許它能提供內部測試版給 NVIDIA，只是PGI過往從未發(fā)布過ARM系編譯器。