Arm發(fā)布全新CPU/GPU IP：Cortex-X3性能提升34%，新旗艦GPU可支持光線追蹤

去年5月，Arm發(fā)布了第一代基于64位ARMv9指令集的處理器IP：超大核心Cortex-X2、高性能大核心Cortex-A710，高能效小核心Cortex-A510。同時(shí)，Arm還發(fā)布了三款Mali GPU IP——Mali G710/G510/G310。

時(shí)隔1年之后，6月28日，Arm帶來(lái)了全新的Arm IP組合，其中包括第二代的ARMv9 CPU內(nèi)核Cortex-X3和Arm Cortex-A715，并對(duì)Cortex-A510和 DSU-110（DynamIQ 共享單元）進(jìn)行了重要更新，提升了Cortex-A510的能效表現(xiàn)，同時(shí)DSU-110最高可支持12核心。

Arm表示，新的 Armv9 CPU 展示了其對(duì)釋放計(jì)算性能的承諾，旨在突破峰值性能的極限并提供卓越的持續(xù)性能和效率。

同時(shí)，新的Armv9 CPU和對(duì)Arm Cortex-A510與DSU-110的更新構(gòu)成了Arm新的全面計(jì)算解決方案 (TCS22)的基礎(chǔ)。

Arm全面計(jì)算戰(zhàn)略植根于開發(fā)者可及性、安全性和計(jì)算性能，旨在為所有消費(fèi)級(jí)設(shè)備市場(chǎng)提供優(yōu)異的性能表現(xiàn)。通過(guò)優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施，助力合作伙伴不斷突破極限。

與此同時(shí)，Arm還推出了全新的旗艦級(jí)GPU產(chǎn)品 Arm Immortalis。這是首款可在移動(dòng)端支持基于硬件的光線追蹤的 GPU，可提供更為真實(shí)的沉浸式游戲體驗(yàn)。

Cortex-X3：性能最高提升34%

作為Arm面向超高性能市場(chǎng)的第三代Cortex-X系列CPU IP，Cortex-X3同樣是一款面向旗艦級(jí)智能手機(jī)/平板或筆記本產(chǎn)品的CPU IP，相比上一代的Cortex-X2來(lái)說(shuō)，Cortex-X3帶來(lái)了雙位數(shù)（相同工藝制程下大約提升了11%）的IPC性能提升。

具體來(lái)說(shuō)，如果是應(yīng)用在旗艦級(jí)Android智能手機(jī)/平板電腦上，Cortex-X3相較最新旗艦設(shè)備將可帶來(lái)25%的性能提升；如果是應(yīng)用在Windows on Arm筆記本電腦設(shè)備上，Cortex-X3相較最新主流設(shè)備則可帶來(lái)34%的性能提升。

雖然，Arm并沒有介紹Cortex-X3的具體能耗表現(xiàn)，但是根據(jù)Arm提供的一張圖顯示，在SPECint_base2006測(cè)試下，在相同的性能水平，Cortex-X3的功耗通常要高于Cortex-X2。雖然在最高性能下，Cortex-X3的功耗更高，但是性能提升的幅度要比功耗提升的幅度更高。這也意味著Cortex-X3的能效表現(xiàn)比Cortex-X2更好。

根據(jù)Arm向媒體透露的數(shù)據(jù)顯示，Coretx-X3內(nèi)核（按照時(shí)鐘頻率相當(dāng)于3.6GHz、擁有1MB L2 和 16MB L3緩存進(jìn)行模擬）的峰值性能要比今年英特爾中高端 Core i7-1260P處理器的P核（性能內(nèi)核）高出34%。而這一數(shù)據(jù)是基于在SPECRate2017_int_base 單線程基準(zhǔn)測(cè)試中得出的。不過(guò)，如果與蘋果的M系列的高性內(nèi)核似乎仍有差距。

相比前代產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，Cortex-X3內(nèi)核之所以能夠?qū)崿F(xiàn)在IPC性能上的大幅提升，主要得益于其核心前端的大量?jī)?yōu)化工作，比如改進(jìn)了分支預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，并帶來(lái)了更低的延遲，這要?dú)w功于用于間接分支（帶指針的分支）的新的專用結(jié)構(gòu)。同時(shí)，L1/L2分支目標(biāo)緩沖區(qū) (BTB) 也顯著增加了50%，L0 BTB 容量更是達(dá)到了原來(lái)的10倍，并允許預(yù)測(cè)器提前獲取更多指令以利用更大的BTB。

此外，Cortex-X3還擁有一個(gè)比Cortex-X2要小50%（與 X1 相同的 1.5K 條目），但是卻更高效的微操作（解碼指令）緩存，這要?dú)w功于減少抖動(dòng)的改進(jìn)填充算法。這種較小的 mop 緩存還允許 Arm 將總流水線深度從 10 個(gè)周期減少到 9 個(gè)周期，從而減少發(fā)生分支錯(cuò)誤預(yù)測(cè)和刷新流水線時(shí)的懲罰。

不過(guò)，如果要與英特爾在筆記本電腦市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，Arm芯片設(shè)計(jì)廠商需要集成更多的Cortex-X3內(nèi)核以及其他效率內(nèi)核進(jìn)行組合。比如英特爾新的面向輕薄筆記本電腦的28瓦處理器，就擁有四個(gè)性能內(nèi)核和八個(gè)效率內(nèi)核。

對(duì)此，Arm也對(duì)于此前的推出的DynamIQ 共享單元DSU-110進(jìn)行了升級(jí)，使得Arm芯片設(shè)計(jì)廠商能夠?qū)⒆疃?2個(gè)Cortex-X3內(nèi)核或其他內(nèi)核整合到一個(gè)處理器當(dāng)中（此前最多只支持8個(gè)內(nèi)核），并支持高達(dá) 16MB 的 L3 緩存。同時(shí)具有最新的 ISA 功能。

Arm 產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Saurabh Pradhan表示，“這些變化提高了我們合作伙伴的靈活性，并提供了資源來(lái)充分發(fā)揮Arm CPU 的潛力，從而改善用戶體驗(yàn)。我們的合作伙伴現(xiàn)在可以針對(duì)具有新配置（例如 8 個(gè) Cortex-X3 CPU 內(nèi)核和 4 個(gè) Cortex-A715 CPU 內(nèi)核）的高端筆記本電腦設(shè)備，解鎖新一代消費(fèi)設(shè)備。”

Cortex-A715：高性能與高能效的平衡

Cortex-A715是Arm在去年推出的高性能大核心Cortex-A710的繼任者，主要面向需要兼顧高性能和能效的移動(dòng)設(shè)備。需要指出的是，Cortex-A715僅支持AArch64 64位指令而不再兼容32位，而此前的Cortex-A710則保留了對(duì)于32位的兼容。

具體性能及能效表現(xiàn)上，Arm表示，在相同主頻和相同制造工藝的情況下，Cortex-A715 的性能比 Cortex-A710 提高了5%。雖然這樣的性能提升幅度遠(yuǎn)低于之前Cortex-A710相比Cortex-A78的性能提升的幅度（10%）高出 10%。值得可喜的是，Cortex-A715 的效能比Cortex-A710提升了20%，這意味著Cortex-A715在性能保持提升的同時(shí)，功耗能夠大幅降低，提升設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

Arm表示，Cortex-A715在能效上的大幅提升，將推動(dòng)其成為 big.LITTLE CPU 集群當(dāng)中的CPU內(nèi)核集群主力。

新版Cortex-A510：功耗進(jìn)一步降低

除了新的CPU內(nèi)核之外，Arm還對(duì)去年的推出的Armv9 CPU內(nèi)核Cortex-A510進(jìn)行了更新，這個(gè)小核CPU主要面向高能效、低功耗而設(shè)計(jì)。Arm在保持了2021版本Cortex-A510性能的基礎(chǔ)上，提升了能效表現(xiàn)，使得其功耗進(jìn)一步降低了5%。

Arm表示，我們將小核CPU的終極效率推向了全新的高度，更低的功耗意味著終端設(shè)備可以獲得更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。

第二代Armv9的安全演進(jìn)

Arm通過(guò)第二代 Armv9 CPU，引入了全新的非對(duì)稱內(nèi)存標(biāo)記擴(kuò)展 (MTE) 和增強(qiáng)的特權(quán)訪問(wèn)永不 (EPAN)，以改進(jìn)訪問(wèn)控制。

MTE 檢測(cè)可防止整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)存安全漏洞，為應(yīng)用程序開發(fā)人員提供上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)。支持 MTE 的設(shè)備可以快速有效地識(shí)別代碼中的緩沖區(qū)溢出和堆損壞。

非對(duì)稱 MTE 在這些安全漏洞的速度、精度和目標(biāo)之間提供了更高的靈活性。這有利于軟件開發(fā)與更穩(wěn)定的應(yīng)用程序，同時(shí)也使 MTE 能夠在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中更廣泛地推出。

全新旗艦系列GPU：Immortalis-G715，支持光線追蹤

一直以來(lái)，Arm每年都會(huì)更新其Mali系列GPU，Mali系列GPU也是迄今為止全球出貨量最大的 GPU，目前已達(dá)到了80億個(gè)。但是今年，Arm意外的推出了名為“Immortalis”的全新旗艦系列GPU，旨在為旗艦級(jí)智能手機(jī)提供最高性能和最佳圖形性能，最卓越的游戲體驗(yàn)。

作為“Immortalis”系列的首款產(chǎn)品——Immortalis-G715，相比前代的Mali-G715 GPU帶來(lái)了諸多的改進(jìn)和新的功能。其中，包括用于顯著節(jié)能和進(jìn)一步提升游戲性能的可變速率著色 (Variable Rate Shading) 圖形功能，以及改進(jìn)的執(zhí)行引擎，并在硬件層面支持光線追蹤，支持超過(guò)10個(gè)內(nèi)核以上的組合。Mali-G715只支持7-9 個(gè)內(nèi)核，Mali-G615僅支持最多6個(gè)核心。

具體來(lái)說(shuō)，所謂“可變速率著色”是一種新的圖形功能，它通過(guò)優(yōu)化渲染在圖形和視覺效果方面提供顯著的節(jié)能和性能提升。從本質(zhì)上講，它需要一個(gè)場(chǎng)景并將渲染集中在需要它的部分上，并以精細(xì)的像素粒度進(jìn)行渲染。通常，這將是游戲動(dòng)作發(fā)生的地方。需要較少焦點(diǎn)的區(qū)域（例如背景風(fēng)景）以更粗的像素粒度進(jìn)行渲染。如下圖所示，游戲場(chǎng)景仍將保持其感知的視覺質(zhì)量，但會(huì)節(jié)省能源。在游戲內(nèi)容上啟用可變速率著色時(shí)，我們看到每秒幀數(shù) (FPS) 提高了 40%。 

在執(zhí)行引擎上，Arm重新設(shè)計(jì)了執(zhí)行引擎的關(guān)鍵元素，以提高計(jì)算能力和能源效率。與上一代 Mali GPU 相比，我們重新設(shè)計(jì)了Immortalis-G715的轉(zhuǎn)換塊以顯著減少面積。Arm還重新審視了在 Mali-G710 中重新調(diào)整的融合乘加 (FMA)，以進(jìn)一步提高電源效率。此外，Arm將 FMA 模塊增加了一倍，以進(jìn)一步提高功率，以提供更高級(jí)視覺效果所需的計(jì)算。最后，Arm還增加了對(duì)矩陣乘法指令的支持，這對(duì)于計(jì)算攝影和圖像增強(qiáng)等移動(dòng)用例至關(guān)重要，以幫助實(shí)現(xiàn) 2 倍的架構(gòu) ML 改進(jìn)。

通過(guò)所有這些變化，我們可以巧妙地提高功率，將 FMA 功率提高 2 倍，但面積僅增加 27%。從本質(zhì)上講，Arm將計(jì)算能力提高了一倍，而硅面積只是適度增加。

除了執(zhí)行引擎之外，Arm還在新 GPU 的其他領(lǐng)域進(jìn)行了 PPA（性能、功耗和面積）改進(jìn)。

命令流前端（去年隨 Mali-G710 推出的一項(xiàng)功能）已變得更快。這是通過(guò)添加基于硬件的跨流同步、添加更多本機(jī)命令和增加記分板數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。峰值三角形吞吐量增加了兩倍。Arm優(yōu)化了紋理映射器中的顯式 LOD（細(xì)節(jié)級(jí)別）查找以使吞吐量翻倍，并添加了坐標(biāo)預(yù)處理器單元以提高立方體貼圖查找的效率。最后，Arm將 Arm 固定速率壓縮 (AFRC) 技術(shù)（在去年的主流 Arm Mali-G510 GPU 中首次引入）添加到我們的新 GPU 中以節(jié)省帶寬。

具體性能表現(xiàn)上，Immortalis-G715與上一代高級(jí)和次高級(jí) Mali GPU 相比，僅微架構(gòu)的性能就提高了15%。此外，Immortalis-G715還將帶來(lái)2倍的機(jī)器學(xué)習(xí)性能的提升，15%的能效提升。

Arm表示，Immortalis-G715 GPU的能效提升是建立在Arm Mali-G710 GPU的高能效基礎(chǔ)之上的。根據(jù)Arm公布的數(shù)據(jù)顯示，Mali-G710在旗艦和高端Android智能手機(jī)上提供出色的 GPU 效率，在包括高級(jí) AAA 游戲、基準(zhǔn)測(cè)試和輕型工作負(fù)載在內(nèi)的各種內(nèi)容中，Mali-G710 在峰值和持續(xù)工作負(fù)載方面均以 FPS/W 的速度擊敗了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

近年來(lái)，隨著手機(jī)游戲市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，更復(fù)雜和身臨其境的 AAA 游戲體驗(yàn)現(xiàn)在在移動(dòng)設(shè)備上越來(lái)越常見。領(lǐng)先的 AAA PC 和主機(jī)游戲都有移動(dòng)版本，包括 Genshin Impact、PUBG、Fortnite、使命召喚和王者榮耀等等。此外，新一代用戶越來(lái)越多地選擇移動(dòng)設(shè)備作為他們首選的游戲平臺(tái)。這主要是由于移動(dòng)設(shè)備上游戲的便利性和功能。

去年，Arm推出的Mali-G710 GPU已經(jīng)支持基于軟件實(shí)現(xiàn)的光線追蹤效果。聯(lián)發(fā)科也已經(jīng)在其旗艦產(chǎn)品天璣9000中利用了這一功能，通過(guò)移動(dòng)端光線追蹤SDK，將光線追蹤技術(shù)引入到手機(jī)端，但是其是通過(guò)軟件的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不僅會(huì)帶來(lái)較大的功耗，同時(shí)所帶來(lái)的光線追蹤體驗(yàn)提升也相對(duì)有限。

而此次Arm推出的Immortalis-G715 GPU則是直接在硬件層面加入了對(duì)于光線追蹤技術(shù)的支持，在大幅提升游戲體驗(yàn)的同時(shí)，功耗也得到了進(jìn)一步控制。

根據(jù)Arm公布的數(shù)據(jù)顯示，Immortalis-G715 上的光線追蹤僅使用了 4% 的著色器核心區(qū)域，同時(shí)通過(guò)硬件加速實(shí)現(xiàn)了 300%以上的性能提升。

Arm認(rèn)為，光線追蹤代表了移動(dòng)游戲內(nèi)容的范式轉(zhuǎn)變。因此決定在 Immortalis-G715 上引入基于硬件的光線追蹤支持，因?yàn)楹献骰锇橐惨呀?jīng)準(zhǔn)備好，硬件已經(jīng)準(zhǔn)備好，并且開發(fā)者生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)或即將準(zhǔn)備就緒。

Arm稱，當(dāng)Immortalis-G715 于 2023 年初出現(xiàn)在旗艦智能手機(jī)中時(shí)，這將是生態(tài)系統(tǒng)開始探索其游戲內(nèi)容的光線追蹤技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著未來(lái)幾年技術(shù)的不斷發(fā)展，這將有助于為在移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的游戲全面過(guò)渡到光線追蹤做好準(zhǔn)備。

Arm全面計(jì)算解決方案 (TCS22)

在推出以上CPU IP的基礎(chǔ)上，Arm宣布推出 2022 全面計(jì)算解決方案 (Total Compute Solutions 2022，TCS22)，即利用以上IP組合實(shí)現(xiàn)CPU內(nèi)核間以及與GPU之間的進(jìn)一步的協(xié)同計(jì)算，可提供不同級(jí)別的性能、效率和可擴(kuò)展性，以完善各類終端市場(chǎng)的用戶體驗(yàn)。

作為 TCS22 的一部分，Cortex-X3、Cortex-A715、Cortex-A510 CPU內(nèi)核，以及Mali GPU、Immortalis GPU可以配對(duì)組合使用，以應(yīng)對(duì)不同的終端需求。

Arm計(jì)劃通過(guò)其TCS22計(jì)劃向客戶提供一系列“專用”芯片設(shè)計(jì)配置，將各種技術(shù)結(jié)合在一起，包括其不斷擴(kuò)大的CPU和GPU 設(shè)計(jì)組合。

據(jù)了解，TCS22 的 Arm IP 組合可在一系列工作負(fù)載中實(shí)現(xiàn) 28% 的性能提升，并可降低 16% 的能耗。

Arm表示，其全面計(jì)算戰(zhàn)略植根于開發(fā)者可及性、安全性和計(jì)算性能，旨在為所有消費(fèi)級(jí)設(shè)備市場(chǎng)提供優(yōu)異的性能表現(xiàn)。通過(guò)優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施，助力合作伙伴不斷突破極限。

編輯：芯智訊-浪客劍