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三星为何放弃自研CPU?从Exynos 990与对手的差距说起……

2020-06-16 黄烨锋 阅读:
想必很多同学也已经听说了,这次 Exynos 990 相比竞争对手依然有差距的事实。这里我将 AnandTech 的一些评论和测试做了综合,分享给各位。

我一直都觉得三星 Exynos 还是挺有趣的 SoC:我记得之前翻译 AnandTech 的苹果 A12 和三星 Exynos 9810 评测文章的时候,有句话我印象特别深刻:“采用 M3 核心的三星 Exynos 9810,能耗达到苹果 A11 的两倍,性能却落后了 55%(注意,是 A11)!”Gccednc

尔后,AnandTech 通过魔改 Exynos 9810 系统层面调度机制的方案,达成了系统性能相较原版的一个显著提升。这些其实都表明,三星在移动 SoC 设计和制造上都可以认为是整体掉队的。所以也不难理解,三星为什么决定放弃自研 CPU 架构。Exynos 990 是三星最后一款采用自研架构的 SoC。Gccednc

想必很多同学也已经听说了,这次 Exynos 990 相比竞争对手依然有差距的事实。这里我将 AnandTech 的一些评论和测试做了综合,分享给各位。本文的绝大部分数据和内容均来自 AnandTech,若需查看英文原文,可拉至本文末尾。我觉得这篇文章能够非常到位地阐释,为什么三星放弃了自研架构,因为无论从哪个层面来看,其自研架构不仅问题极多,而且还远远及不上 Arm 的架构。Gccednc

请注意,注意区分本文的几个词汇:能耗 energy,是指跑测试消耗的能量,单位焦耳;功耗(或功率)power,是指单位时间内消耗的能量,单位瓦特;功效 power efficiency,一般是指每瓦性能;能效 energy efficiency,这里特别指每焦耳的性能——这个性能可以是跑的分值,也可以是游戏帧率。Gccednc

这里需要强调一点,我们日常所说的“能效比”,或者“效率”指的其实是这里的 power efficiency。本文的能效,严格意义上都不是用的这个通俗的意义。Gccednc

综述

三星 LSI 的这颗旗舰 SoC 是在去年 10 月份宣布推出的:它在 CPU 大核心上采用了三星新一代的 M5 架构;中型规模的核心则升级到了 Cortex-A76;采用新的 Mali-G77 GPU。Exynos 990 采用 7nm LPP 制造,即芯片的某些部分采用 EUV 光刻。Gccednc

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Exynos 9820Gccednc

这里看一下上一代的 Exynos 9820,,也就是 Galaxy S10 采用的 SoC。以此可了解 Exynos 990 做了怎样的提升和变化。Gccednc

Exynos 9820 的大核心簇是三星定制的 M4 架构,它跟 Arm 公版架构的差异还是比较大的:从互联到缓存一致性,都采用三星的 Coherent Interconnect。Andrei Frumusanu(AnandTech 著名博士编辑)对这种结构有做核心到核心的延迟测试,起码它比 Arm 公版架构的延迟是要大出很多,当然也比骁龙 865 明显更糟糕。Gccednc

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Exynos 990Gccednc

Exynos 990 相较 Exynos 9820 的改进其实还是比较多的。首先三星这次终于在小核心上,将 A55 的 L2 cache 推升到了 64KB。要知道 Exynos 9810 和 9820 在这方面就差一截,所以这两款 SoC 相比以前的骁龙 SoC,在效率上就有差距。不过 64KB L2 cache,这个容量仍然只有骁龙 865 的一半(128KB),三星在 Arm 核的 cache 配置上还是比较保守。Gccednc

中核心从先前的 Arm Cortex-A75 升级到了 A76,频率也有提升,从 2.3GHz 提到了 2.5GHz,基于负载不同性能提升可达 38%-50%,也是 Exynos 990 大部分工作的主要动力来源。中核心的 L2 cache 仍然是每个核心 256KB,共享的 L3 cache 也是比较保守的 1MB。Gccednc

大核心部分,早前代号为 Cheetah(猎豹)的 M4 这次升级到了代号为 Lion(狮子)的 M5——也就是三星的自研架构。其最高频率仍然是 2.73GHz,三星宣称会有 20% 的提升,应该主要是来自 IPC 提升。Gccednc

外部可以观察到的最大变化,在于 M5 大核心不再享有各自的 L2 cache,而是 2MB 的核心共享 L2 cache。现如今,这样的微架构设计变化还是比较少见的。这一变化,从核心到核心的延迟降低能看得出来,毕竟这次的缓存一致性是在更低的 cache 层级发生的,和 CPU 也靠的近。Gccednc

Exynos 990 采用三星 7LPP 工艺制造,部分采用了 EUV 光刻。TechInsights 提到,Exynos 990 是首个采用完整 7LPP PDK(Process Design Kit)设计的芯片,这一点和先前的 Exynos 9825 还是有不同的)。Gccednc

三星宣称,7LPP 工艺相比之前的 8LPP 有 7% 的性能提升,应该也意味着同频功耗的降低。实际是个什么情况呢?我把 AnandTech 的内容做个概括:Gccednc

Exynos 990 的 binning(可以理解为根据不同的芯片体质,对芯片进行等级分组)看起来是比较糟糕的,而且绝大部分芯片都位列相对较差的体质分组,甚至可能更糟,这表明这颗芯片的良率可能很不理想。Gccednc

M5 的核心电压不是很乐观,不仅在同频下相比上一代 M4(8LPP)没有提升,而且随频率升高还表现更差了。M5 需要更高的电压,才能达到先前相同的频率:同样 2.75GHz 最高频率,M5 的峰值电压为 1118mV,而先前的 M4 为 1068mV。Gccednc

从功耗与效率曲线来看,纵观性能变化周期内,M5 核心显然在效率上弱于 Cortex-A76(同一个 Exynos 990 SoC 上的);Exynos 990 A55 小核心的效率比先前的 Exynos 9820 要理想很多;Gccednc

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Exynos 9820 时期,三星引入了一种更为复杂的 scheduler,基于应用跑的 ISA(指令集结构)选择不同的功耗模型。这种机制会分别追踪 32bit 和 64bit app,然后根据不同 CPU 在不同执行模式下的微架构性能和功耗特性,做出调度决策。三星宣称这种机制能够提升效率,更多的工作可能会分派给 Arm 中核心——因为 A76 在 32bit 执行效率上会更好。Gccednc

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从 SPECint2006 的综合成绩来看,其实很难看出这种执行模式有什么大差别。但某些个别的测试子项,比如说 456.hmmer——这是个偏向执行能力的测试,就能看出 A76 核心的优势——A76 核在这个项目的成绩上的确领先于 M5 核。从这个角度来看,三星的调度策略是合理的。Gccednc

另一个例子是,400.perbench 在 32bit 模式下,A76 核心同样优于 M5 核心,所用功耗还低了超过一半。不过更偏存储性能的负载,M5 在跑分上还是有优势的,这可能与两者的 cache size 差异有关。Gccednc

AnandTech 在文章中提到,这是 AnandTech 首次针对 AArch32 和 AArch64 两种执行模式,分别公布跑分成绩。Gccednc

在存储延迟测试方面,Exynos 990 相比 Exynos 9820 还是有提升的,但和骁龙 865 比起来却有差距。Gccednc

下面这几张图是 Exynos 990 M5(大核心)、Exynos 990 A76(中核心)、Exynos 9820 M4,以及骁龙 865 A77(大核心)的存储子系统延迟对比。很显然,相比 Exynos 9820,可以看到 Exynos 990 的 L2 cache 在尺寸上变大。M5 核心当然还是会有一些优势,比如说 3 周期的 L1 延迟设计,Arm 核心都是 4 周期。Gccednc

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去年的 M4 核心其实就存在 TLB 问题(Translation Lookaside Buffer,一种页表的 cache,是一个内存管理单元,用于提升虚拟地址到物理地址转换速度),今年的 M5 这个问题并未得到合理解决。Gccednc

这会导致一些比较无语的问题,比如说随机访问超过 2MB 的区块,可能还比 1MB 尺寸内的速度更快。相比 L2 cache 区域,L3 的 cache line 访问,TLB 未命中惩罚的访问延迟还更低…(这也可能是 16-64MB 区块内,Exynos 990 弱于 9820 的原因)。Gccednc

而 A76 核心部分显然就比较符合预期了。A76 的 prefetcher 原本就有比较大的提升,在 Exynos 990 之上也有体现,两个 A76 中核心在某些数据访问模式上是优于 M5 核心的。实际上,三星自 M3 设计以来,在存储子系统方面就有比较大的问题,到 M5 也依旧未能解决。Gccednc

从 SPECint2006 的测试结果来看,Galaxy S20 的两个不同 SoC 版本,骁龙 865 相比 Exynos 990,各方面都有优势。Gccednc

主要表现在骁龙 865 显然在能效/功效方面有着比较大的提升。Gccednc

早前 Arm 曾表示,A77 核心相比 A76 会在性能上有进步,但两者的功效(energy efficiency)其实是差不多的——也就意味着 A77 需要以功耗换性能。但骁龙 865 则显然超出了 Arm 的预期,不仅使用更少能耗(energy),而且功耗(power)也更低。Gccednc

这可能和骁龙 865 相比上一代改用台积电 N7P 工艺有关,这或许表明 N7P 工艺相比 N7 的确有显著提升。Gccednc

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Exynos 990 相比上一代当然也有性能提升,但肯定比不上骁龙的步子。其中有一些成绩比较诡异,比如说 403.gcc 的成绩还不如上一代。更悲伤的是功耗(power)和能耗(energy)。Exynos 990 的能耗其实跟 Exynos 9820 很相近,有时略好,有时又略差。但在有性能提升的情况下,功耗却也明显发生了飙升。Gccednc

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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