從Arm的TCS23參考設(shè)計，看明年的手機(jī)性能提升
其實Arm前一陣已經(jīng)正式發(fā)布了TCS23(Total Compute Solutions 23)平臺，以及對應(yīng)的IP產(chǎn)品，包括Cortex-X4、A720、A520這些Armv9架構(gòu)的CPU IP，最新的Immortalis-G720——也就是基于Arm第五代GPU微架構(gòu)的新IP，以及更新后的DSU。毫無疑問的，這些IP會成為接下來1-2年手機(jī)AP SoC的焦點。
最近Arm特別在中國的媒體技術(shù)日上，花較多篇幅去談這些IP及TCS23平臺的組成細(xì)節(jié)。Arm從解決方案、CPU/GPU及相關(guān)IP、軟件、安全四個方面做了比較大篇幅的分享。
幾個核心IP應(yīng)該是普羅大眾最關(guān)心的，包括全面徹底遷往AArch64的CPU IP，新一代的Immortalis GPU，以及新版DSU-120(DynamIQ Shared Unit)。這幾個組成部分，我們將另外撰文詳述。
實際上Arm推的TCS23解決方案也已經(jīng)是第3代了。大部分人對于“解決方案”于Arm IP這套生態(tài)的理解，應(yīng)該就是將IP打包發(fā)售。但實際上，TCS是從設(shè)計角度，更綜合、整體的范圍去提升性能和效率的存在。
?具體如上圖所示，大部分人關(guān)心的是處在中間的環(huán)節(jié)，即Armv9架構(gòu)及其上的存儲與互聯(lián)一致性、各種核心IP。實際TCS還包括圖中的軟件、開發(fā)工具，以及以先進(jìn)工藝做Arm IP實施的物理IP。
Arm終端事業(yè)部產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Kinjal Dave說：“談到解決方案，為什么 Arm 要采取這樣一種全局的方法論來開發(fā)解決方案，不斷推高性能、提高效率，本身變得越來越難且成本高昂。其實這對 Arm 來說，意味著我們每年推出的 TCS 在性能跟效率方面，都必須實現(xiàn)進(jìn)步。所以，我們要采取一種平衡?！?/span>
Kinjal說Arm這些年來始終努力在benchmark和真實使用場景之間做平衡：“一方面，單獨的 IP 要不斷把它做強(qiáng)，另外一方面把這些單獨的 IP 集合在一起時，總體的系統(tǒng)級別也要實現(xiàn)性能效率的雙提升。” “為我們的合作伙伴提供融合了這些單獨IP的系統(tǒng)級解決方案所帶來的完整性能提升?！?/span>
隨著摩爾定律的放緩，以及設(shè)計層面各種經(jīng)典技術(shù)的全面上線，這兩年單獨IP微架構(gòu)層面帶來的性能和效率提升也遠(yuǎn)不及此前那么大了，從更系統(tǒng)的角度來做考量也是半導(dǎo)體鏈條上各個玩家的共識。
所以這篇文章我們就從TCS23整體的角度來看看這一代平臺的改進(jìn)，其中會涉及到上述IP，但不會過多深入。另外很難得的是，Arm特別用一個主題演講的章節(jié)去談了軟件改進(jìn)，包括編譯器、SVE2指令、Android動態(tài)性能框架等，本文也會略有涉及。
TCS23參考設(shè)計
本文就不過多提單獨IP的性能與效率變化了，包括Cortex-X4相比X3性能提升15%，Cortex-A720相比A715能效提升20%，Cortex-A520相比A510能效提升22%，DSU提升動態(tài)功耗表現(xiàn)、針對閑置與低負(fù)載場景的新功耗模式，Immortalis-G720性能提升15%、帶寬用量降低40%等等。
?不過Arm針對TCS23就FPGA級別做了參考設(shè)計，“代表真實的芯片設(shè)備”。Arm做參考設(shè)計的原因，一是IP越來越復(fù)雜，其次是系統(tǒng)中的許多特性是需要跨系統(tǒng)的，比如說這次Arm一直在談的MTE(Memory Tagging Extention)安全特性;
另外還包括“越來越多樣化終端使用場景的出現(xiàn)”，以及“對這些芯片設(shè)計工作來說，在設(shè)計選擇以及平衡方面的取舍難度也提高了?！?/span>
?上面這張圖就是Arm TCS23參考設(shè)計。大框架上CPU、GPU都用了這一代最新IP。不同核心組成的CPU集群，“與DSU-120共同連接到共享系統(tǒng)的背板(backplane)”;借助system cache(SLC)所在的CoreLink CI-700，一邊連接到Immortalis-G720 GPU。
這里CoreLink CI-700作為存儲系統(tǒng)的核心，為所有的IO流量提供一個匯聚點(也用于實現(xiàn)MTE)。同時，NI-700為所有其他流量提供一條通往DRAM獨立的路徑;“能進(jìn)行QoS執(zhí)行，允許不同的流量類型一起流動，而不會出現(xiàn)交叉流，或者互相阻塞的情況”。
系統(tǒng)級解決方案的奧義
參考設(shè)計的CPU部分，是1x Cortex-X4, 3x Cortex-A720, 4x Cortex-A520的配置;DSU-120配了8MB L3 cache。Arm認(rèn)為1+3+4是性能和效率可達(dá)成均衡的配置方案。不過在多線程性能對比時，Arm也有基于1+5+2的搭配呈現(xiàn)。
?Kinjal沒有細(xì)談這部分的配置。不過這里主要看的還是系統(tǒng)級別的工作。他強(qiáng)調(diào)CPU集群的關(guān)鍵首先是如何利用CPU和行為架構(gòu)實現(xiàn)跨越三個層級的性能動態(tài)范圍;其次影響CPU性能很重要的因素是DRAM延遲。
對于后者，一方面，“我們進(jìn)行了DRAM結(jié)構(gòu)性的靜態(tài)延遲優(yōu)化”，“首先是DynamIQ共享單元內(nèi)和通往內(nèi)存的路徑中的時鐘配置的選擇，也就是在這個領(lǐng)域資源的競爭”——在這個過程里，需要進(jìn)行DynamIQ時鐘配置優(yōu)化，“同時要最小化數(shù)量的選擇”;
另一方面，還需要考慮“加載系統(tǒng)內(nèi)存層面下的動態(tài)優(yōu)先級別”，包括“GPU、攝像頭以及其他多媒體管道等”，“它們可能要同時訪問內(nèi)存”。這些都要求在進(jìn)行CPU集群配置時，做相應(yīng)的考量。
?在CPU集群的優(yōu)化上，首先是基于“CPU核心微架構(gòu)”提供“最為廣泛的動態(tài)范圍”，“跨越三層(Cortex X4，Cortex A720和Cortex A520)”。其中包括DVFS動態(tài)調(diào)整，線程核心遷移等;適配各種負(fù)載場景、應(yīng)對不同的性能目標(biāo)。此間涵蓋以最優(yōu)化的效率，針對不同的運行場景，包括了分配多少CPU資源，如頻率、響應(yīng)、哪些核心參與等等。
“計算IP級的系統(tǒng)級解決方案，包括不同電源選擇的模式，不同時鐘選項的配置”，“在TCS23中我們添加了一個邏輯增強(qiáng)型降功耗的模式”。
“在解決方案層級，我們的電源控制固件的堆棧以及調(diào)度器一起工作，能實現(xiàn)基于不同的使用場景的選擇，這點很關(guān)鍵。”Kinjal說，“TCS23解決方案中還有一個系統(tǒng)控制處理器，它能夠協(xié)調(diào)傳感器控制框架，在各個CPU內(nèi)核以及DSU-120工作點之間移動的時候充分考慮到散熱以及輸電的一些限制因素?！薄翱缯麄€CPU集群，我們還實施了積極的時鐘門控以及時空調(diào)節(jié)的機(jī)制，來節(jié)約動態(tài)功耗?！?/span>
?另一個關(guān)鍵是細(xì)粒度的電源模式——這也是當(dāng)代低功耗設(shè)計的精髓所在。上面這張圖每種顏色代表“單獨的電源連接供電”。Arm在此的工作之一就是管理供電的復(fù)雜性，“我們有專門用于電壓供應(yīng)的管理、電源傳輸、網(wǎng)絡(luò)控制電源控制部件。
“這里電源控制部件是與調(diào)度器，以及操作系統(tǒng)的電源管理軟件共同協(xié)調(diào)工作的?！?/span>
?圖形計算相關(guān)的部分，Arm強(qiáng)調(diào)了3個解決方案層面的關(guān)注點，分別是帶寬、功耗，與安全性?！拔覀儗rm Immotalis-G720集成到TCS23解決方案中，配置了MMU-700，與GPU實現(xiàn)共同的優(yōu)化”。其中的某些部分，也會在我們后續(xù)的IP文章GPU相關(guān)部分做更詳盡的介紹——比如節(jié)約帶寬的Deferred Vertex Shading延遲頂點著色。
從大方向來看，節(jié)約帶寬方面的工作包括AFRC與AFBC無損壓縮——管線不同階段的數(shù)據(jù)壓縮始終是GPU不變的話題之一，它對于DRAM訪問需求的降低，提供更大的發(fā)熱空間都有價值;IO一致性，將緩存維護(hù)開銷降到最低，并由CoreLink CI-700與Immortalis-G720合作，來達(dá)成性能的提升;以及利用大型系統(tǒng)高速緩存(system cache)，而且還有個“內(nèi)存分配提示，優(yōu)先考慮哪部分要存在高速緩存中”。
能效優(yōu)化部分，一方面是利用針對每個shader核心的power gating，另外就是核心群組的節(jié)電模式等。“TCS23解決方案提供了一套完整的參考：Immortalis-G720驅(qū)動如何與我們的參考固件堆棧協(xié)同，實現(xiàn)電源控制、動態(tài)電壓與頻率的調(diào)節(jié)?！绷硗猓拔覀冊贕PU中也實施了積極的clock gating方案，用以管理動態(tài)功耗?！?/span>
安全性方面，MMU-700的集成對于支持DRAM保護(hù)內(nèi)容的安全處理，以及支持Android虛擬化框架是至關(guān)重要的。
?結(jié)合包括cache、連接至內(nèi)存的延遲、floorplan以及內(nèi)存支持方面的變化，參考設(shè)計達(dá)成綜合的帶寬吞吐，相比于前代提升了33%。
所以在總結(jié)性發(fā)言里，Kinjal再度強(qiáng)調(diào)的一點就是基于TCS全面計算解決方案，“Arm已經(jīng)超越單個IP產(chǎn)品，為客戶實現(xiàn)端到端系統(tǒng)級的優(yōu)化，從而釋放整個SoC系統(tǒng)全面性能”。這是TCS存在的核心價值。
軟件帶來的性能提升
除了這些比較多人關(guān)注的IP之外，如文首所述，TCS作為解決方案還涵蓋了工具、軟件、物理/POP IP等。這里我們再談一談工具和軟件，TCS23不僅升級了IP，也升級了軟件與工具。Arm終端事業(yè)部生態(tài)系統(tǒng)及工程高級總監(jiān)Geraint North說Arm的工程師中，超過45%都是軟件工程師，底層部分涵蓋了驅(qū)動、Linux內(nèi)核，往上則有軟件框架、性能分析工具、開發(fā)者教學(xué)、最佳實踐等。
?軟件自然是位于硬件之上的層級，這部分Geraint主要談了64bit完全遷移、compiler編譯器性能提升，以及ADPF(Android自適應(yīng)性能框架)帶來的軟件層面的性能提升。
實際上就軟件相關(guān)的主題演講，Arm還特別花篇幅去談了安全，包括MTE、PAC/BTI技術(shù)及對應(yīng)生態(tài)——談到與谷歌、Unity在安全特性上的合作，甚至在MTE(Memory Tagging Extension)技術(shù)上，還特別找來快手、聯(lián)發(fā)科、vivo這些合作伙伴站臺。不過這次我們不會把筆墨放在安全問題上，即便這個問題就當(dāng)代移動技術(shù)而言正變得格外重要。
有關(guān)64位生態(tài)遷移的話題，桎梏并不在芯片和操作系統(tǒng)廠商身上，而在最上層的App開發(fā)者身上。自11年以前，CPU層面提供64位支持(Cortex-A57/A53)，以及2年后Android操作系統(tǒng)跟進(jìn)，一直到今年P(guān)ixel 7作為純64位Android配置的手機(jī)問世，這仍然是個相當(dāng)漫長的過程。而TCS23是徹底構(gòu)建起純64bit支持集群的一代。
?從安全和性能兩個角度來看，64位都顯然是個更好的選擇。安全方面，64bit提供更大的內(nèi)存地址空間，在地址空間布局隨機(jī)化(ASLR)等特性實現(xiàn)上會更為有效;也為Arm多番提及的MTE和PAC(Pointer Authentication)提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)。
而在性能方面，Arm給出了上面這張圖。Cortex-A7x系列核心，從A76到A720的SPECint2006性能變化情況：32位與64位應(yīng)用的性能差別是在逐步擴(kuò)大的。至Cortex-A710這一代性能差距擴(kuò)大至33%，且后續(xù)的IP上32位應(yīng)用不再能獲得性能紅利。Geraint說：“這種差距的拉大，一部分是由于 IP 實施的決策，我們會把更加寶貴的時間以及硅面積集中在 64 位路徑的優(yōu)化之上。”
“軟件方面也是如此，我們的編譯器和庫優(yōu)化團(tuán)隊，都把工作重點聚焦在 64 位上。如果現(xiàn)在你還是在做 32 位的開發(fā)，那么我們做的這些工作可能就不能為你提供賦能?！奔幢隳壳皻v史遺留問題多少都還在，TCS23應(yīng)當(dāng)也意味著移動平臺的64位攻堅戰(zhàn)進(jìn)入了尾聲。
?編譯器方面，Geraint說過去3年時間里，LLVM實現(xiàn)了12%的性能提升。所以“這種工作是非常有價值的，因為它不僅提高了最新一代的 CPU 性能，不管這個設(shè)備是基于 Armv8 還是 Armv9，當(dāng)它搭載最新的工具鏈重新編譯的時候，會普遍獲得性能的提升”。
Geraint強(qiáng)調(diào)，Arm在LLVM上的投入有很大一部分是集中在了SVE2指令的性能提升的——也就是Armv9架構(gòu)引入的矢量擴(kuò)展。
?Arm對于SVE2真正產(chǎn)生價值的目標(biāo)是，“第一我們要確保 SVE2 的代碼生成盡可能做好，這就意味著我們要保證 LLVM 能做矢量化的工作，同時又能確保 LLVM 能夠矢量化目前它不能做到的事情?！币簿褪窃贚LVM可實現(xiàn)矢量化工作的基礎(chǔ)上，做得比NEON更好，比如scatter/gather指令和predicted指令。
另一方面LLVM 16版本引入了Function Multi-Versioning，“所以開發(fā)者能夠更加容易確保其函數(shù)的利用和 SVE2版本都能夠生成，并且在運行的時候自動選擇正確的版本”。“作為一個開發(fā)者你不必同時做兩個二進(jìn)位文件，或者每一次都進(jìn)行 CPU 的檢測。”這是為兼容性所做的考量。
不過我們知道，現(xiàn)階段SVE2面臨的一個實際問題還是在于利用率，和移動平臺是否真正需要SVE2。所以Geraint特別提到SVE2對于圖像處理非常適用。
?他舉了iToF(indirect Time-of-Flight)的例子，即用基于相位差的ToF方法來構(gòu)建深度圖?；诘腍alide圖像處理算法，都用Cortex-A720分別在FP32和FP16精度下跑，則SVE2相比NEON，分別有10%和23%的性能領(lǐng)先。這和SVE2的scatter/gather指令有很大的關(guān)系，也就是“從內(nèi)存不連續(xù)部分檢索數(shù)據(jù)”的效率。
軟件相關(guān)的提升，還有個有趣的部分是Android Adaptability Framework動態(tài)性能自適應(yīng)框架(ADPF)。ADPF為開發(fā)者提供了一些API，包括ADPF Hint API，Thermal API，Game State API等。比如其中的Hint API，可讓操作系統(tǒng)以更快的速度來進(jìn)行CPU頻率、資源的調(diào)節(jié)，達(dá)成性能需求或者節(jié)能;而Thermal API顯然是溫控相關(guān)的。
?比如具體到PerformanceHint API，這個API存在的價值在于，它能為操作系統(tǒng)提供應(yīng)用或游戲目標(biāo)負(fù)載的更多信息，那么CPU可以更精準(zhǔn)地調(diào)控資源——它比Linux內(nèi)核的scheduler行為更高效。比如governor需要200ms從空閑狀態(tài)拉升到最高頻率，而在該工作完成后，頻率還有個緩慢回落的過程。這些行為不夠高效。
從應(yīng)用或游戲直接把負(fù)載預(yù)期持續(xù)時間、目標(biāo)發(fā)給操作系統(tǒng)，調(diào)度策略就會高效許多，可以減少掉幀、提升能效。Geraint說，PerformanceHint API的應(yīng)用可確保正確的工作放在正確的核心上，“而不是用以前的工具如setAffinity進(jìn)行猜測”。
Pixel手機(jī)將ADPF應(yīng)用到了SurfaceFlinger(Android負(fù)責(zé)繪制應(yīng)用UI的服務(wù))，減少了50%的掉幀、節(jié)電6%。PerformanceHint API在 Android 14成為必選項;Unity游戲引擎中，它也作為Adaptability Plugin插件存在。
?還有個ADPF Thermal API，Geraint也做了分享，包括在游戲《Candy Clash》里的測試結(jié)果。其本質(zhì)都在為達(dá)成更好的游戲體驗，基于設(shè)備的熱狀態(tài)(thermal state)，動態(tài)適配游戲畫面渲染質(zhì)量(包括幀率、分辨率、LOD、貼圖)，則即便是老手機(jī)也不會發(fā)生過熱，而且可穩(wěn)幀、降低功耗，測試結(jié)果是平均幀提高25%，CPU功耗降低最多18%。
ADPF以及Unity的自適應(yīng)性能特性顯然是需要和Arm IP配合的。當(dāng)然了另一方面這也需要開發(fā)者去使用對應(yīng)的API。這類API理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，不僅成為軟件層面性能提升的組成部分，也是Arm加強(qiáng)生態(tài)粘性的關(guān)鍵。
?就軟件和工具，Kinjal聊到了當(dāng)前市場需求熱點之一的AI，機(jī)器學(xué)習(xí)。Arm在這方面的中間件和庫主要是Arm NN與Arm Compute Library。
Kinjal說：“開發(fā)者每個季度都可以從Arm發(fā)布的最新軟件庫優(yōu)化上實現(xiàn)更高的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用開發(fā)?！苯衲?月份，Android NN和ACL已經(jīng)可以在谷歌應(yīng)用商店下載;到2024年，兩者都可以直接在GMS(Google Mobile Services)上直接訪問——在更廣的范圍內(nèi)，成為Android的NN標(biāo)準(zhǔn)。
?開發(fā)工具相關(guān)的，有個促成軟件優(yōu)化的改進(jìn)，Profile Guided Optimization的性能提升。開發(fā)者借助PGO能夠“收集應(yīng)用執(zhí)行需要的各類數(shù)據(jù)、信息，基于它進(jìn)行優(yōu)化，信息的收集能幫助大家了解到執(zhí)行這個應(yīng)用的瓶頸，從而有指導(dǎo)的進(jìn)行調(diào)整，獲得最大收益”。
Armv9架構(gòu)通過名為ETE(Embedded Trace Extention)和TRBE(TRace Buffer Extention)的擴(kuò)展，來捕捉這些數(shù)據(jù)，做“基于硬件的追蹤”。最終在程序的binary size、追蹤捕獲數(shù)據(jù)對性能方面都達(dá)成了影響最低。
明年手機(jī)性能提升的一些數(shù)字參考
最后來談?wù)効赡芨嗳岁P(guān)心的性能提升數(shù)字，其中的絕大部分應(yīng)該都是上述參考設(shè)計的表現(xiàn)提升，也要考慮進(jìn)軟件層面的提升。既然是系統(tǒng)層面的，那就是高層級的系統(tǒng)測試了，對于反映未來手機(jī)性能變化應(yīng)該相比IP層面的性能和能效提升數(shù)字更有價值。
?首先上述對比是不同游戲，每一幀的DRAM帶寬需求縮減。Arm測試了不少游戲。相比TCS22，最高可達(dá)成44%的帶寬縮減，平均縮減幅度30%。換句話說就是片外主內(nèi)存的依賴更低了，這對提升游戲能效表現(xiàn)是很有價值的。
這也對應(yīng)地帶來了20%的功耗節(jié)省(測試這些游戲在60fps下持續(xù)性能發(fā)揮)?！皼Q定，這些節(jié)約下來的能耗，它們或被用于 SoC 功率的計算中，來實現(xiàn)性能進(jìn)一步提升，或者又可以把它們存起來，從而實現(xiàn)更長電池續(xù)航的時間，讓用戶能夠玩更長時間的游戲?！盞injal說。
前文也部分提到了圖形計算目標(biāo)之一的帶寬縮減，主要是DVS延遲頂點著色技術(shù)的加入，以及system cache分配策略優(yōu)化。
?在GFXBench系統(tǒng)性能測試?yán)铮瑑蓚€比較知名的測試項Manhattan 3.0和Aztec Ruins High中，TCS23分別有21%和20%的性能提升。這是更高的頻率、更多的shader核心，外加系統(tǒng)級優(yōu)化帶來的。未來的游戲手機(jī)又可以期待以下了。
CPU方面，Arm主要給的是Geekbench 6多線程測試，和Speedometer 2.1網(wǎng)頁瀏覽測試。需要注意的是，GB6的這個測試，TCS23這邊的CPU搭配方法是1+5+2，多線程性能提升27%。
Kinjal解釋說之所以這樣搭配，是因為“越來越多的人們開始比較多線程指標(biāo)，并且它也成為我們合作伙伴進(jìn)行優(yōu)化的一個目標(biāo)。我們看到許多 AAA 級的游戲會產(chǎn)生高性能線程，而且數(shù)量正在不斷增加，因此就對CPU集群持續(xù)的多線程性能提出了要求。我們通過這個基準(zhǔn)測試來展示全新 IP 效率的提升以及制程技術(shù)的改進(jìn)，可以滿足持續(xù)多線程性能方面的要求?！?/span>
Speedometer這邊是1+3+4，其中還加入了軟件優(yōu)化——即Arm與谷歌就Chromium的合作，開啟PAC/BTI安全特性。軟件優(yōu)化達(dá)成的更高性能提升。
?還有個CPU的對比，是比較CPU的機(jī)器學(xué)習(xí)性能，具體到對象識別、分類、人體姿勢追蹤等;比的主要就是Int8推理。不同核心的性能提升幅度，相比TCS22如上圖所示。
圖中右邊是GPU的AI超分性能提升達(dá)成了4倍。這里面除了CPU、GPU算力加強(qiáng)，也在于Arm NN和Arm Compute Library的進(jìn)化。
?以上就是從解決方案層面Arm闡釋的TCS23了。不過Kinjal提到，TCS23是個可伸縮的平臺，面向廣闊的客戶端設(shè)備，不只是高端手機(jī)設(shè)備。比如說Immortalis-G720彈性縮放有下設(shè)Mali-G720/G620可選配;而在CPU集群方面，Cortex-A720核心有著對應(yīng)的可伸縮選項。
“我們最新發(fā)布的產(chǎn)品也將推動下一代的旗艦智能手機(jī)?！盇rm產(chǎn)品營銷副總裁Ian Smythe說。實際上他在開篇還展望了未來的TCS設(shè)計，如上圖，包括Blackhawk CPU以及Krake GPU等關(guān)鍵IP，“我們還著眼于未來。我們對 CPU 和 GPU 產(chǎn)品路線圖的承諾更勝以往，在接下來的幾年里，我們將在包括 Krake GPU 和 Blackhawk CPU 等關(guān)鍵 IP 上加大投入，以滿足合作伙伴對于計算和圖形性能的要求?！?/span>
?具體如上圖所示，大部分人關(guān)心的是處在中間的環(huán)節(jié)，即Armv9架構(gòu)及其上的存儲與互聯(lián)一致性、各種核心IP。實際TCS還包括圖中的軟件、開發(fā)工具，以及以先進(jìn)工藝做Arm IP實施的物理IP。
Arm終端事業(yè)部產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Kinjal Dave說：“談到解決方案，為什么 Arm 要采取這樣一種全局的方法論來開發(fā)解決方案，不斷推高性能、提高效率，本身變得越來越難且成本高昂。其實這對 Arm 來說，意味著我們每年推出的 TCS 在性能跟效率方面，都必須實現(xiàn)進(jìn)步。所以，我們要采取一種平衡?！?/span>
Kinjal說Arm這些年來始終努力在benchmark和真實使用場景之間做平衡：“一方面，單獨的 IP 要不斷把它做強(qiáng)，另外一方面把這些單獨的 IP 集合在一起時，總體的系統(tǒng)級別也要實現(xiàn)性能效率的雙提升。” “為我們的合作伙伴提供融合了這些單獨IP的系統(tǒng)級解決方案所帶來的完整性能提升?！?/span>
隨著摩爾定律的放緩，以及設(shè)計層面各種經(jīng)典技術(shù)的全面上線，這兩年單獨IP微架構(gòu)層面帶來的性能和效率提升也遠(yuǎn)不及此前那么大了，從更系統(tǒng)的角度來做考量也是半導(dǎo)體鏈條上各個玩家的共識。
所以這篇文章我們就從TCS23整體的角度來看看這一代平臺的改進(jìn)，其中會涉及到上述IP，但不會過多深入。另外很難得的是，Arm特別用一個主題演講的章節(jié)去談了軟件改進(jìn)，包括編譯器、SVE2指令、Android動態(tài)性能框架等，本文也會略有涉及。
TCS23參考設(shè)計
本文就不過多提單獨IP的性能與效率變化了，包括Cortex-X4相比X3性能提升15%，Cortex-A720相比A715能效提升20%，Cortex-A520相比A510能效提升22%，DSU提升動態(tài)功耗表現(xiàn)、針對閑置與低負(fù)載場景的新功耗模式，Immortalis-G720性能提升15%、帶寬用量降低40%等等。
?不過Arm針對TCS23就FPGA級別做了參考設(shè)計，“代表真實的芯片設(shè)備”。Arm做參考設(shè)計的原因，一是IP越來越復(fù)雜，其次是系統(tǒng)中的許多特性是需要跨系統(tǒng)的，比如說這次Arm一直在談的MTE(Memory Tagging Extention)安全特性;
另外還包括“越來越多樣化終端使用場景的出現(xiàn)”，以及“對這些芯片設(shè)計工作來說，在設(shè)計選擇以及平衡方面的取舍難度也提高了?！?/span>
?上面這張圖就是Arm TCS23參考設(shè)計。大框架上CPU、GPU都用了這一代最新IP。不同核心組成的CPU集群，“與DSU-120共同連接到共享系統(tǒng)的背板(backplane)”;借助system cache(SLC)所在的CoreLink CI-700，一邊連接到Immortalis-G720 GPU。
這里CoreLink CI-700作為存儲系統(tǒng)的核心，為所有的IO流量提供一個匯聚點(也用于實現(xiàn)MTE)。同時，NI-700為所有其他流量提供一條通往DRAM獨立的路徑;“能進(jìn)行QoS執(zhí)行，允許不同的流量類型一起流動，而不會出現(xiàn)交叉流，或者互相阻塞的情況”。
系統(tǒng)級解決方案的奧義
參考設(shè)計的CPU部分，是1x Cortex-X4, 3x Cortex-A720, 4x Cortex-A520的配置;DSU-120配了8MB L3 cache。Arm認(rèn)為1+3+4是性能和效率可達(dá)成均衡的配置方案。不過在多線程性能對比時，Arm也有基于1+5+2的搭配呈現(xiàn)。
?Kinjal沒有細(xì)談這部分的配置。不過這里主要看的還是系統(tǒng)級別的工作。他強(qiáng)調(diào)CPU集群的關(guān)鍵首先是如何利用CPU和行為架構(gòu)實現(xiàn)跨越三個層級的性能動態(tài)范圍;其次影響CPU性能很重要的因素是DRAM延遲。
對于后者，一方面，“我們進(jìn)行了DRAM結(jié)構(gòu)性的靜態(tài)延遲優(yōu)化”，“首先是DynamIQ共享單元內(nèi)和通往內(nèi)存的路徑中的時鐘配置的選擇，也就是在這個領(lǐng)域資源的競爭”——在這個過程里，需要進(jìn)行DynamIQ時鐘配置優(yōu)化，“同時要最小化數(shù)量的選擇”;
另一方面，還需要考慮“加載系統(tǒng)內(nèi)存層面下的動態(tài)優(yōu)先級別”，包括“GPU、攝像頭以及其他多媒體管道等”，“它們可能要同時訪問內(nèi)存”。這些都要求在進(jìn)行CPU集群配置時，做相應(yīng)的考量。
?在CPU集群的優(yōu)化上，首先是基于“CPU核心微架構(gòu)”提供“最為廣泛的動態(tài)范圍”，“跨越三層(Cortex X4，Cortex A720和Cortex A520)”。其中包括DVFS動態(tài)調(diào)整，線程核心遷移等;適配各種負(fù)載場景、應(yīng)對不同的性能目標(biāo)。此間涵蓋以最優(yōu)化的效率，針對不同的運行場景，包括了分配多少CPU資源，如頻率、響應(yīng)、哪些核心參與等等。
“計算IP級的系統(tǒng)級解決方案，包括不同電源選擇的模式，不同時鐘選項的配置”，“在TCS23中我們添加了一個邏輯增強(qiáng)型降功耗的模式”。
“在解決方案層級，我們的電源控制固件的堆棧以及調(diào)度器一起工作，能實現(xiàn)基于不同的使用場景的選擇，這點很關(guān)鍵。”Kinjal說，“TCS23解決方案中還有一個系統(tǒng)控制處理器，它能夠協(xié)調(diào)傳感器控制框架，在各個CPU內(nèi)核以及DSU-120工作點之間移動的時候充分考慮到散熱以及輸電的一些限制因素?！薄翱缯麄€CPU集群，我們還實施了積極的時鐘門控以及時空調(diào)節(jié)的機(jī)制，來節(jié)約動態(tài)功耗?！?/span>
?另一個關(guān)鍵是細(xì)粒度的電源模式——這也是當(dāng)代低功耗設(shè)計的精髓所在。上面這張圖每種顏色代表“單獨的電源連接供電”。Arm在此的工作之一就是管理供電的復(fù)雜性，“我們有專門用于電壓供應(yīng)的管理、電源傳輸、網(wǎng)絡(luò)控制電源控制部件。
“這里電源控制部件是與調(diào)度器，以及操作系統(tǒng)的電源管理軟件共同協(xié)調(diào)工作的?！?/span>
?圖形計算相關(guān)的部分，Arm強(qiáng)調(diào)了3個解決方案層面的關(guān)注點，分別是帶寬、功耗，與安全性?！拔覀儗rm Immotalis-G720集成到TCS23解決方案中，配置了MMU-700，與GPU實現(xiàn)共同的優(yōu)化”。其中的某些部分，也會在我們后續(xù)的IP文章GPU相關(guān)部分做更詳盡的介紹——比如節(jié)約帶寬的Deferred Vertex Shading延遲頂點著色。
從大方向來看，節(jié)約帶寬方面的工作包括AFRC與AFBC無損壓縮——管線不同階段的數(shù)據(jù)壓縮始終是GPU不變的話題之一，它對于DRAM訪問需求的降低，提供更大的發(fā)熱空間都有價值;IO一致性，將緩存維護(hù)開銷降到最低，并由CoreLink CI-700與Immortalis-G720合作，來達(dá)成性能的提升;以及利用大型系統(tǒng)高速緩存(system cache)，而且還有個“內(nèi)存分配提示，優(yōu)先考慮哪部分要存在高速緩存中”。
能效優(yōu)化部分，一方面是利用針對每個shader核心的power gating，另外就是核心群組的節(jié)電模式等。“TCS23解決方案提供了一套完整的參考：Immortalis-G720驅(qū)動如何與我們的參考固件堆棧協(xié)同，實現(xiàn)電源控制、動態(tài)電壓與頻率的調(diào)節(jié)?！绷硗猓拔覀冊贕PU中也實施了積極的clock gating方案，用以管理動態(tài)功耗?！?/span>
安全性方面，MMU-700的集成對于支持DRAM保護(hù)內(nèi)容的安全處理，以及支持Android虛擬化框架是至關(guān)重要的。
?結(jié)合包括cache、連接至內(nèi)存的延遲、floorplan以及內(nèi)存支持方面的變化，參考設(shè)計達(dá)成綜合的帶寬吞吐，相比于前代提升了33%。
所以在總結(jié)性發(fā)言里，Kinjal再度強(qiáng)調(diào)的一點就是基于TCS全面計算解決方案，“Arm已經(jīng)超越單個IP產(chǎn)品，為客戶實現(xiàn)端到端系統(tǒng)級的優(yōu)化，從而釋放整個SoC系統(tǒng)全面性能”。這是TCS存在的核心價值。
軟件帶來的性能提升
除了這些比較多人關(guān)注的IP之外，如文首所述，TCS作為解決方案還涵蓋了工具、軟件、物理/POP IP等。這里我們再談一談工具和軟件，TCS23不僅升級了IP，也升級了軟件與工具。Arm終端事業(yè)部生態(tài)系統(tǒng)及工程高級總監(jiān)Geraint North說Arm的工程師中，超過45%都是軟件工程師，底層部分涵蓋了驅(qū)動、Linux內(nèi)核，往上則有軟件框架、性能分析工具、開發(fā)者教學(xué)、最佳實踐等。
?軟件自然是位于硬件之上的層級，這部分Geraint主要談了64bit完全遷移、compiler編譯器性能提升，以及ADPF(Android自適應(yīng)性能框架)帶來的軟件層面的性能提升。
實際上就軟件相關(guān)的主題演講，Arm還特別花篇幅去談了安全，包括MTE、PAC/BTI技術(shù)及對應(yīng)生態(tài)——談到與谷歌、Unity在安全特性上的合作，甚至在MTE(Memory Tagging Extension)技術(shù)上，還特別找來快手、聯(lián)發(fā)科、vivo這些合作伙伴站臺。不過這次我們不會把筆墨放在安全問題上，即便這個問題就當(dāng)代移動技術(shù)而言正變得格外重要。
有關(guān)64位生態(tài)遷移的話題，桎梏并不在芯片和操作系統(tǒng)廠商身上，而在最上層的App開發(fā)者身上。自11年以前，CPU層面提供64位支持(Cortex-A57/A53)，以及2年后Android操作系統(tǒng)跟進(jìn)，一直到今年P(guān)ixel 7作為純64位Android配置的手機(jī)問世，這仍然是個相當(dāng)漫長的過程。而TCS23是徹底構(gòu)建起純64bit支持集群的一代。
?從安全和性能兩個角度來看，64位都顯然是個更好的選擇。安全方面，64bit提供更大的內(nèi)存地址空間，在地址空間布局隨機(jī)化(ASLR)等特性實現(xiàn)上會更為有效;也為Arm多番提及的MTE和PAC(Pointer Authentication)提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)。
而在性能方面，Arm給出了上面這張圖。Cortex-A7x系列核心，從A76到A720的SPECint2006性能變化情況：32位與64位應(yīng)用的性能差別是在逐步擴(kuò)大的。至Cortex-A710這一代性能差距擴(kuò)大至33%，且后續(xù)的IP上32位應(yīng)用不再能獲得性能紅利。Geraint說：“這種差距的拉大，一部分是由于 IP 實施的決策，我們會把更加寶貴的時間以及硅面積集中在 64 位路徑的優(yōu)化之上。”
“軟件方面也是如此，我們的編譯器和庫優(yōu)化團(tuán)隊，都把工作重點聚焦在 64 位上。如果現(xiàn)在你還是在做 32 位的開發(fā)，那么我們做的這些工作可能就不能為你提供賦能?！奔幢隳壳皻v史遺留問題多少都還在，TCS23應(yīng)當(dāng)也意味著移動平臺的64位攻堅戰(zhàn)進(jìn)入了尾聲。
?編譯器方面，Geraint說過去3年時間里，LLVM實現(xiàn)了12%的性能提升。所以“這種工作是非常有價值的，因為它不僅提高了最新一代的 CPU 性能，不管這個設(shè)備是基于 Armv8 還是 Armv9，當(dāng)它搭載最新的工具鏈重新編譯的時候，會普遍獲得性能的提升”。
Geraint強(qiáng)調(diào)，Arm在LLVM上的投入有很大一部分是集中在了SVE2指令的性能提升的——也就是Armv9架構(gòu)引入的矢量擴(kuò)展。
?Arm對于SVE2真正產(chǎn)生價值的目標(biāo)是，“第一我們要確保 SVE2 的代碼生成盡可能做好，這就意味著我們要保證 LLVM 能做矢量化的工作，同時又能確保 LLVM 能夠矢量化目前它不能做到的事情?！币簿褪窃贚LVM可實現(xiàn)矢量化工作的基礎(chǔ)上，做得比NEON更好，比如scatter/gather指令和predicted指令。
另一方面LLVM 16版本引入了Function Multi-Versioning，“所以開發(fā)者能夠更加容易確保其函數(shù)的利用和 SVE2版本都能夠生成，并且在運行的時候自動選擇正確的版本”。“作為一個開發(fā)者你不必同時做兩個二進(jìn)位文件，或者每一次都進(jìn)行 CPU 的檢測。”這是為兼容性所做的考量。
不過我們知道，現(xiàn)階段SVE2面臨的一個實際問題還是在于利用率，和移動平臺是否真正需要SVE2。所以Geraint特別提到SVE2對于圖像處理非常適用。
?他舉了iToF(indirect Time-of-Flight)的例子，即用基于相位差的ToF方法來構(gòu)建深度圖?；诘腍alide圖像處理算法，都用Cortex-A720分別在FP32和FP16精度下跑，則SVE2相比NEON，分別有10%和23%的性能領(lǐng)先。這和SVE2的scatter/gather指令有很大的關(guān)系，也就是“從內(nèi)存不連續(xù)部分檢索數(shù)據(jù)”的效率。
軟件相關(guān)的提升，還有個有趣的部分是Android Adaptability Framework動態(tài)性能自適應(yīng)框架(ADPF)。ADPF為開發(fā)者提供了一些API，包括ADPF Hint API，Thermal API，Game State API等。比如其中的Hint API，可讓操作系統(tǒng)以更快的速度來進(jìn)行CPU頻率、資源的調(diào)節(jié)，達(dá)成性能需求或者節(jié)能;而Thermal API顯然是溫控相關(guān)的。
?比如具體到PerformanceHint API，這個API存在的價值在于，它能為操作系統(tǒng)提供應(yīng)用或游戲目標(biāo)負(fù)載的更多信息，那么CPU可以更精準(zhǔn)地調(diào)控資源——它比Linux內(nèi)核的scheduler行為更高效。比如governor需要200ms從空閑狀態(tài)拉升到最高頻率，而在該工作完成后，頻率還有個緩慢回落的過程。這些行為不夠高效。
從應(yīng)用或游戲直接把負(fù)載預(yù)期持續(xù)時間、目標(biāo)發(fā)給操作系統(tǒng)，調(diào)度策略就會高效許多，可以減少掉幀、提升能效。Geraint說，PerformanceHint API的應(yīng)用可確保正確的工作放在正確的核心上，“而不是用以前的工具如setAffinity進(jìn)行猜測”。
Pixel手機(jī)將ADPF應(yīng)用到了SurfaceFlinger(Android負(fù)責(zé)繪制應(yīng)用UI的服務(wù))，減少了50%的掉幀、節(jié)電6%。PerformanceHint API在 Android 14成為必選項;Unity游戲引擎中，它也作為Adaptability Plugin插件存在。
?還有個ADPF Thermal API，Geraint也做了分享，包括在游戲《Candy Clash》里的測試結(jié)果。其本質(zhì)都在為達(dá)成更好的游戲體驗，基于設(shè)備的熱狀態(tài)(thermal state)，動態(tài)適配游戲畫面渲染質(zhì)量(包括幀率、分辨率、LOD、貼圖)，則即便是老手機(jī)也不會發(fā)生過熱，而且可穩(wěn)幀、降低功耗，測試結(jié)果是平均幀提高25%，CPU功耗降低最多18%。
ADPF以及Unity的自適應(yīng)性能特性顯然是需要和Arm IP配合的。當(dāng)然了另一方面這也需要開發(fā)者去使用對應(yīng)的API。這類API理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，不僅成為軟件層面性能提升的組成部分，也是Arm加強(qiáng)生態(tài)粘性的關(guān)鍵。
?就軟件和工具，Kinjal聊到了當(dāng)前市場需求熱點之一的AI，機(jī)器學(xué)習(xí)。Arm在這方面的中間件和庫主要是Arm NN與Arm Compute Library。
Kinjal說：“開發(fā)者每個季度都可以從Arm發(fā)布的最新軟件庫優(yōu)化上實現(xiàn)更高的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用開發(fā)?！苯衲?月份，Android NN和ACL已經(jīng)可以在谷歌應(yīng)用商店下載;到2024年，兩者都可以直接在GMS(Google Mobile Services)上直接訪問——在更廣的范圍內(nèi)，成為Android的NN標(biāo)準(zhǔn)。
?開發(fā)工具相關(guān)的，有個促成軟件優(yōu)化的改進(jìn)，Profile Guided Optimization的性能提升。開發(fā)者借助PGO能夠“收集應(yīng)用執(zhí)行需要的各類數(shù)據(jù)、信息，基于它進(jìn)行優(yōu)化，信息的收集能幫助大家了解到執(zhí)行這個應(yīng)用的瓶頸，從而有指導(dǎo)的進(jìn)行調(diào)整，獲得最大收益”。
Armv9架構(gòu)通過名為ETE(Embedded Trace Extention)和TRBE(TRace Buffer Extention)的擴(kuò)展，來捕捉這些數(shù)據(jù)，做“基于硬件的追蹤”。最終在程序的binary size、追蹤捕獲數(shù)據(jù)對性能方面都達(dá)成了影響最低。
明年手機(jī)性能提升的一些數(shù)字參考
最后來談?wù)効赡芨嗳岁P(guān)心的性能提升數(shù)字，其中的絕大部分應(yīng)該都是上述參考設(shè)計的表現(xiàn)提升，也要考慮進(jìn)軟件層面的提升。既然是系統(tǒng)層面的，那就是高層級的系統(tǒng)測試了，對于反映未來手機(jī)性能變化應(yīng)該相比IP層面的性能和能效提升數(shù)字更有價值。
?首先上述對比是不同游戲，每一幀的DRAM帶寬需求縮減。Arm測試了不少游戲。相比TCS22，最高可達(dá)成44%的帶寬縮減，平均縮減幅度30%。換句話說就是片外主內(nèi)存的依賴更低了，這對提升游戲能效表現(xiàn)是很有價值的。
這也對應(yīng)地帶來了20%的功耗節(jié)省(測試這些游戲在60fps下持續(xù)性能發(fā)揮)?！皼Q定，這些節(jié)約下來的能耗，它們或被用于 SoC 功率的計算中，來實現(xiàn)性能進(jìn)一步提升，或者又可以把它們存起來，從而實現(xiàn)更長電池續(xù)航的時間，讓用戶能夠玩更長時間的游戲?！盞injal說。
前文也部分提到了圖形計算目標(biāo)之一的帶寬縮減，主要是DVS延遲頂點著色技術(shù)的加入，以及system cache分配策略優(yōu)化。
?在GFXBench系統(tǒng)性能測試?yán)铮瑑蓚€比較知名的測試項Manhattan 3.0和Aztec Ruins High中，TCS23分別有21%和20%的性能提升。這是更高的頻率、更多的shader核心，外加系統(tǒng)級優(yōu)化帶來的。未來的游戲手機(jī)又可以期待以下了。
CPU方面，Arm主要給的是Geekbench 6多線程測試，和Speedometer 2.1網(wǎng)頁瀏覽測試。需要注意的是，GB6的這個測試，TCS23這邊的CPU搭配方法是1+5+2，多線程性能提升27%。
Kinjal解釋說之所以這樣搭配，是因為“越來越多的人們開始比較多線程指標(biāo)，并且它也成為我們合作伙伴進(jìn)行優(yōu)化的一個目標(biāo)。我們看到許多 AAA 級的游戲會產(chǎn)生高性能線程，而且數(shù)量正在不斷增加，因此就對CPU集群持續(xù)的多線程性能提出了要求。我們通過這個基準(zhǔn)測試來展示全新 IP 效率的提升以及制程技術(shù)的改進(jìn)，可以滿足持續(xù)多線程性能方面的要求?！?/span>
Speedometer這邊是1+3+4，其中還加入了軟件優(yōu)化——即Arm與谷歌就Chromium的合作，開啟PAC/BTI安全特性。軟件優(yōu)化達(dá)成的更高性能提升。
?還有個CPU的對比，是比較CPU的機(jī)器學(xué)習(xí)性能，具體到對象識別、分類、人體姿勢追蹤等;比的主要就是Int8推理。不同核心的性能提升幅度，相比TCS22如上圖所示。
圖中右邊是GPU的AI超分性能提升達(dá)成了4倍。這里面除了CPU、GPU算力加強(qiáng)，也在于Arm NN和Arm Compute Library的進(jìn)化。
?以上就是從解決方案層面Arm闡釋的TCS23了。不過Kinjal提到，TCS23是個可伸縮的平臺，面向廣闊的客戶端設(shè)備，不只是高端手機(jī)設(shè)備。比如說Immortalis-G720彈性縮放有下設(shè)Mali-G720/G620可選配;而在CPU集群方面，Cortex-A720核心有著對應(yīng)的可伸縮選項。
“我們最新發(fā)布的產(chǎn)品也將推動下一代的旗艦智能手機(jī)?！盇rm產(chǎn)品營銷副總裁Ian Smythe說。實際上他在開篇還展望了未來的TCS設(shè)計，如上圖，包括Blackhawk CPU以及Krake GPU等關(guān)鍵IP，“我們還著眼于未來。我們對 CPU 和 GPU 產(chǎn)品路線圖的承諾更勝以往，在接下來的幾年里，我們將在包括 Krake GPU 和 Blackhawk CPU 等關(guān)鍵 IP 上加大投入，以滿足合作伙伴對于計算和圖形性能的要求?！?/span>
審核編輯 黃宇
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