ARM處理器都有哪些CPU核心？

半導體業有這樣第一家公司，他們的處理器每年出貨上百億顆，我們每天都在用的智慧型手機都有它的功勞，但這家公司從中賺的錢 並不多，這個「雷鋒叔叔」就是英國ARM（中文名是安謀國際）公司，他們的ARM處理器在全球範圍內支撐了各種嵌入式設備、智慧型手機、平板、智能手環/手 表等產品運行，自己一年的營收不過10億英鎊而已，絕對是薄利多銷，造福全人類。

▲ARM處理器在移動領域占據絕大多數份額

對於ARM公司，我們天天在用他們的產品，不過大部分人對這家公司並不了解，它遠不如高通、苹 果、聯發科、三星這些廠商那 般耳熟能詳，今天我們主要介紹ARM公司推出的Cortex-A系列處理器核心，這是智慧型手機、平板中的移動SoC處理器的基礎，它每一代的進步都影響著 用戶體驗。

ARM公司主營的產品類型

嚴格來說ARM公司並不是單一的處理器公司，他們還有各種系統IP、物理IP、 GPU、視頻、顯示等各種產品。

當然，處理 器顯然是最重要也是營收最多的業務了，這其中又可以分為面向開放系統的Cortex-A、面向嵌入式系統的Cortex-R以及面向各種微控制器的 Cortex-M系列，另外還有面向支付、電子政府、SIM卡等安全市場的SC系列，整個處理器產品線目前的產品系列如下圖所示：

▲ARM公司處理器產品的主要系列

我們今天的內容就是Cortex-A系列處理器，成立二十多年來ARM公司已經推出過多代指令集和處理 器。

大多數人首次在 智慧型手機上接觸ARM處理器還是16位的ARMv6家族ARM11處理器，這是蘋果第一代iPhone手機處理器的架構，不過現在ARM11架構在官網上 已經沒有露臉機會了，我們的介紹也就從32位ARMv7家族開始。

ARM Cortex-A處理器主要型號及規格

▲ARM推出的A系列處理器主要型號及規格

目前Cortex-A系列處理器最低端的是A5，之後分別是A7、A9、A12/17、A15，還有個比較奇葩的A8，但很早被淘汰了，這些都是32位ARMv7-A指令集的，64位時代則是A53、A57、A72及最新發布的A35，基於ARMv8-A指令集。

在 A7/A15時代，ARM推出了big.LITTLE架構，希望用這種這種大小搭配的組合解決處理器耗電與性能之間的矛 盾，小核心主要有A7、A53及最新推出的A35這三種，他們典型的特點是順序執行架構、低流水線、低頻率設計，大核心則是A15、A17、A57及 A72這幾種，這種處理器都是亂序執行架構，3發射解碼，高達15級流水線設計，運行頻率在2GHz以上，主要面向高性能處理。

big.LITTLE 的理念是非常好的，但大小核之間的切換很考驗廠商的設計能力，更嚴重的是處理器廠商在具體的執行中已 經偏離了大小核的初衷，現在的情況是高性能大核通常只有在跑分軟體中才會滿載，而性能較低的小核心反倒成了日常使用的主力，廠商如果協調不好二者的分配， 最終的結果就是要麼耗電太快，要麼就是性能不佳，系統卡頓。

此外，表格中的性能是換算成每核心每MHz下的Dhrystone性能，用以衡量CPU核心性能，不過具體的性能實際上還 是跟廠商的工藝、頻率掛鈎的，ARM在發布Cortex-A72架構時表示其性能是前代的3.5倍，這個實際上是用14/16nm工藝、2.5GHz的 A72對比28nm、1.6GHz的A15處理器得來的，A72相對真正的取代對象A57核心的性能提升根本沒有這麼多。

Cortex-A處理器架構設計圖

▲Cortex-A5架構

Cortex-A5是ARM公司目前能效最高、成本最低的32位處理器，不過為了達到如此之低的功耗它的性能也 犧牲了不 少，沒有L2緩存，NEON及VFP浮點指令都是可選的，用在智慧型手機上性能堪憂。

A5在智慧型手機上最主要的應用還是高通的驍龍S1及後來的驍龍S4 Play，也就是MSM8625、MSM8225系列。

▲Cortex-A7架構

Cortex-A7架構在智慧型手機中就比較出名了，支持ARMv7-A指令集，NEON及VFP浮點單元都不缺，還可以搭配最多1MB緩存，所以A7架構直到現在也還有用，小米公司出貨量過一千萬的紅米2A用的聯芯LC1860就是四核Cortex-A7架構的。

多數情況下，A7核心還是與Cortex-A15核心組成big.LITTLE大小核架構，知名的處理器有NVIDIA的Tegra K1、海思的麒麟920/925、三星的Exynos 5420/5420、聯發科的MT8135等等。

▲Cortex-A8架構

Cortex-A8架構在Cortex-A系列處理器中最為特殊，因為其他處理器每簇核心多數都能達到4個核心 （總核心數 不受限制，看廠商的選擇了），但A8就只有單核心，好在A8那個時代手機處理器拼核心並沒有這麼瘋狂，蘋果的一代名機iPhone 4用的處理器就是單核A8架構的。

▲Cortex-A9架構

Cortex-A9架構在手機處理器中算是最輝煌的了，它既不像A7那樣過於注重低功耗而犧牲了性能，也不像 A15架構那 樣追求性能（A15架構本來是ARM針對伺服器市場推出的），A9的性能、功耗比較均衡，而且A9的時代正好是手機處理器從單核向雙核轉變的時間，雙核及 後來的四核A9架構中出了不少代表性的處理器，包括蘋果一鳴驚人的A5/A5X、NVIDIA的Tegra 2/3、Ti公司的OMAP 4430/4460、三星的Exynos 4210、華為海思的K3V2等等，高通備受好評的Krait架構也是基於A9架構改良的。

▲Cortex-A15架構

Cortex-A15架構本來是ARM公司針對伺服器市場推出的高性能核心，首次使用3發射解碼架構，還支持ECC內存，所以性能沒得說，但隨之而來的功耗也是個嚴重的問題，當時大部分使用A15+A7的big.LITTLE架構的處理器都多多少少存在發熱的問題。

▲Cortex-A17架構

說到Cortex-A17架構，它其實比前面的A8更杯具，A8雖然先天孱弱，但在當時的時代中還是發揮了光芒的，而A17明明是底子很不錯，但生不逢時。

此 外，Cortex-A17實際上就是之前的Cortex-A12（內核沒變，改變了外部總線），ARM推A12架構原本 是彌補A15功耗過高、A7性能太低的缺憾的，應該說是A9架構的繼任者，所以它在性能、功耗上平衡性上做的不錯。

ARM之所以改名，據說是當時的中國合 作夥伴認為A12這個命名不好，消費者會因為它數字比A15低而認為不如A15好（雖然性能上確實如此），不利於宣傳，ARM就跟中國廠商勸高通把 MSM8974AB/AC改成驍龍801一樣妥協了，所以現在叫的是Cortex-A17架構。

本該大有作為的Cortex-A17處理 器是雷聲大雨點小，除了聯發科MT6595、瑞芯微RK3288以及小米電視上用 的晨星6A928等極少數產品之外應者寥寥，因為A17架構出來的太晚，還是32位指令集的它接下來直接遇到64位架構處理器的衝擊了，只能說是天時不 利。

▲Cortex-A53架構

如果說A9處理器是32位時代智慧型手機應用的成功代表，那麼Cortex-A53架構就是64位時代智慧型手機 處理器架構的 代表，它原本是ARM針對64位應用推出的低功耗架構，定位類似之前的Cortex-A7，低功耗低核心面積低成本低發熱，應該用作big.LITTLE 架構中的小核心的。

不過同期推出的Cortex-A57架構同樣面臨功耗、發熱的難題，再加上廠商們在8核路線上已經不能自拔，所以大 部分廠 商索性全部使用A53核心做8核處理器，目前最受歡迎的聯發科Helio X10/MT6795、MT6753/6752、海思麒麟930/620、高通驍龍615/616/617等處理器都是這種架構的。

▲Cortex-A57架構

ARM在移動市場推的大核心高性能處理器都面臨了功耗、發熱失控的尷尬，64位時代的A57甚至還不如32位 時代的15架 構，由於28nm甚至20nm工藝都難以控制發熱，所以只有高通驍龍810、三星Exynos 5433（但閹割了64位支持）、NVIDIA的Tegra X1等少數處理器採用了四核A57架構，市場表現還算好的只有驍龍808及三星的Eynox 7420，前者是因為只用了雙核A57架構搭配4核A53，Exynos 7420雖然是真正的4核A57架構，但這主要歸功於三星的14nm工藝，如果用20nm工藝的話恐怕也不會樂觀。

▲Cortex-A72架構

A57之後ARM公司又推出了Cortex-A72架構架構，它可以說稱A57的改良版，同時也會取代A57的位置，因為A72的功耗控制、性能都要比後者更優秀一些，很多處理器直接跳過了A57架構等的就是A72架構，因為它還是針對FinFET工藝做優化的。

目 前來看A72核心處理器還是新生事物，海思最近發布的麒麟950就使用了4核A72+4核A53架構，號稱是首款商用 A72處理器，聯發科早前發布的MT8173處理器也是A72核心的，已經用在了亞馬遜的FireTV新品上了，後續還會有聯發科10核心的Helio X20/30處理器等。

▲Cortex-A35架構

在本月中的Techcon大會上，ARM又發布了Cortex-A35架構，它是64位ARMv8家族中的最 新成員，從命 名上看它在64位處理器中定位最低，實際上它也不是為了取代A53的，而是取代目前還在服役的A7低功耗32位核心，1GHz頻率下功耗只有 90mW，100MHz下更是低至6mW，28nm工藝下核心面積只有0.4mm2。

▲ARM處理器家族的路線圖

目前的Cortex-A系列處理器就是這些了，不過ARM已經公開了新一代處理器，Cortex-A72之後 的繼任者是 Artemis（月亮女神），只是代號，還沒有具體名字，規格也是一無所知，但它要等到2017年才能問世，針對的工藝是更先進的10nm FinFET。

華為麒麟950是ARM公版a72+a53 big.little架構這一代里最弱的，同架構的低頻高通620帶28nm hpm工藝居然比麒麟950帶16 finfit+工藝性能能要高。

聯發科ppt新u都已秒華為950，所以買架構包裝是不行的，a72這一代還是靠三星exynos8990自主改良8核 big.little：mongosee+a53和高通820自主4核架構kyro。

目前這兩者單核都2100+比華為950的1700+高多了。

並且 gpu方面，高通a530的和三星8890的880mp14/12虐死華為摳門的880mp4 基帶上，三星高通全內置cat12/13 華為950才cat6，ISP,DSP高通三星更是無敵，這也是dxo拍照前十除了蘋果外全是三星和高通。

想拍照好，一買三星二買蘋果，之後就是lg moto sony。

另外，三星ufs2.0內存黑科技仍然領先友商一代，s6的內存技術3年內國產都不一定用的上。

雖然目前智慧型手機和平板之類的設備已經對極致性能沒有了太多的訴求，但VR又成了下一個著力點，近日ARM就在Computex 2016上公布了可以說是為VR設備的沉浸式體驗準備的Cortex-A73新架構，均對VR的性能和顯示需求做好了準備。

功耗優化多過性能 ARM Cortex-A73解析

回顧一下前任A72，作為big.LITTLE架構里的大核在今年的主流市場得到了 廣泛應用，驍龍650里有兩個，驍龍652里有四個，麒麟950/955里有四個，聯發科Helio X20/X25里有兩個，當然考慮到各自的不同定位，工作頻率及製程工藝上的選擇都各有不同；從產品分布可以看出，今年的Cortex-A72並不如前任 Cortex-A57那樣在高端市場吃香（驍龍810、Exynos 7420），三星用了半自主架構，而高通則徹底回到自主架構。

A9~A73發展歷史回顧

拋開那顆著名的壽命極長、高能效比的Cortex-A7不說，Cortex-A9是對於ARM來說極為重要的里程碑，採用該架構的平台——諸如蘋果A5、三星Exynos 4210/4412、德儀OMAP 4430/4460都證明了A9的成功。

之後便是毀譽參半的Cortex-A15，性能相比之前突飛猛進的同時帶來了不小的功耗和發熱問題，比如Exynos 5250/5410都受其影響，再想想當年的核彈Tegra 4什麼的……

而看到這一問題的ARM也在隨後推出了著名的big.LITTLE架構，隨之誕生了全球首款真八核Exynos 5422，以及麒麟920等平台。

隨 著Cortex-A57的登場，ARM陣營正式邁入ARMv8 64位指令集時代，當然這也是蘋果A7的功勞，與Cortex-A53結合的大小核架構成為了隨後的主流，其中出現了4大4小、2大4小、不同頻率的兩組 4小各種組合方式，併流傳至今；其中有人歡喜有人愁，三星靠Exynos 7420成功奪得眼球，而驍龍810則因為發熱問題成為了一代尷尬的旗艦。

在這些主流微架構之外，還有2013年7月公布的Cortex-A12以及2014年2月公布的Cortex-A17，短命和不受待見沒讓其成為主流，只有MT6595這樣極少的平台採用。

A17家族而非A72升級

而此次的A73並非是簡單的A72升級，這還要從ARM的家族劃分說起，A15、A57、A72屬於 Austin家族（來源於ARM位於美國德州奧斯汀的設計中心），而A5、A7、A53則屬於Cambridge家族（名字來源於ARM總部英國劍 橋），A12、A17以及剛剛公布的A73屬於Sophia家族（名字來源於歐洲最大科技園區索菲亞，也就是ARM法國CPU設計中心所在地）。

雖 然命名上Cortex-A73看似是A72的升級，但是從技術層面講，它其實是A17的進化版本，整體微架構、流水線、寬度設計都與之類似，反而和A72 差別很大，並且，A73也沒有保留A72的三發射，而是採用了與之前的Sophia家族微架構相同的雙發射。

而ARM此次的宣傳顯然也是側重能效而非性 能，對於前兩代動輒5W甚至10W的峰值功耗來說，ARM期待Cortex-A73能夠長效的保持高性能，而不是因為短暫高頻運行後發熱降頻，換句話說， 要持久…

對比一下A73與A72的流水線圖，你就能發現設計思路上的顯著不同。

Cortex-A72採用了15級以上的亂序流水線設計、128位預取指令、3發射解碼、每個時鐘周期分配最多5個微操作、滿足最多7個發射隊列進入8個執行流水線。

而A73的設計頗似A17，流水線深度較A72有所減少，預取階段從A72的5級減少為4級，進入浮點流水線的微操作還經過一個額外的取指階段，整個流水線只有11~12級。

由此可以看出A73的設計基於跟A17相同的邏輯，通過優化流水線、資源和接口來在可實現的最小功耗水平上獲取最高的性能。

ARM也表示他們還特別進行了32位/64位狀態下的平衡優化。

性能提升上，ARM表示A73在所有重要的移動應用上都具備超越A72的性能表現，不過給出的對比倒是不多，比如BBench網頁載入測試性能相比A72提升10%，FFMEG解碼多媒體性能提升5%，內存存取性能提升15%。

10nm製程讓A73的尺寸在相同性能下比A72小25%，因此雙核A73的尺寸基本跟四核A53相同，特別是在如今眾多採用4+4 A53設計的處理器性能表現並不搶眼的情況下，這一組合有望被2xA73+4xA53的設計替代，在核數減少單線程性能大幅提升的同時保持相同的晶片面 積。