A12 bionic架構分析

作者：由知乎使用者x8u79b 發表于文化時間：2022-02-21

蘋果這個A系列，名字很有意思，我至今沒搞懂他的含義。我猜有三個可能：1。丹為了記念DEC Alpha的輝煌，讓A系承載Alpha的意志與某指令集抗爭。2。A是Alpha老大的意思，蘋果要做老大。3。A就是Apple的縮寫。不管如何，蘋果A系列從A4到A12 bionic，一路上，見證了ARM崛起，今天，我們來講講A12 bionic——ARM之光。

事實上，我的分析很多來自於Anandtech的測試，對於不那麼專業的中國讀者而言，有時他們的文章無疑像一場災難，艱澀，難懂。我要做的，是把這些難懂的變得容易些並加入我自己的分析呈現給大家。也歡迎大家討論。

大核篇

因為蘋果從A10開始使用異構設計，所以架構分析分為大小核兩部分。

在開始對A12的架構分析前，我們有必要介紹一下從A6開始的各代架構。

A6：Swift

A7：Cyclone

A8：Typhoon

A9：Twister

A10：Hurricane/Zephyr

A11：Monsoon/Mistral

A12：Vortex/Tempest

Swift是第一代蘋果自研架構，是一個三發射的亂序架構，流水圖如下

採用了32kb的L1 cache。

到了Cyclone時，架構重造，為6發射亂序架構

架構寬得嚇人，前端是64kb的L1 cache，這裡雖然有三條浮點的流水線，但只有兩條是可以做FMA（乘加）的。

Twister的架構其實也大改，但流水內容變化不大，就不再單一放圖，相比上圖，shift從2增加到4條，FMA從2增加到3。

到了Monsoon這一代，架構規模又變大了

毫不誇張的說，這是我見過最寬的架構，7發射的解碼，6個整數ALU，6個shift，2個複雜整數，2個分支，2個AGU（Load/Store），3個FMA。

而Vortex和Monsoon在架構寬度上一致，把L1 cache增加到128kb。

A12大核心的恐怖規模是他高IPC的絕對保證

我們來看一下SPECint2006的分數

上面是A75 A76 M3和Monsoon （Vortex）的執行單元和延遲。這張表很清晰地展示了公版，三星和蘋果的架構設計的優劣。我把重點摘出來：

1.整數部分，公版和M3的規模比Monsoon要小一些，但在單個單元上，公版的延遲要比M3和Monsoon都要低，這是為什麼公版架構用4發射，3條整數流水來對抗三星蘋果的自研架構的基礎。

2.浮點部分，普通指令(ADD, MUL)的延遲M3和A76都比Monsoon要低，MLA打平。但是，在向量(SIMD)上，尤其是MAC(乘加運算)上，Monsoon吊打兩者。

可以看到，在架構微改進中蘋果留了許許多多的空白，所謂的擠牙膏還不是時候，在之後幾年中，10%的IPC代差不應該讓人驚訝。

後端說完我們來看看前端，相對於Monsoon，Vortex最大的變化其實在前端。

首當其衝的是128kb的L1 cache，在SPECint中吃快取的專案明顯地表現出來，L2 cache在容量上並沒有什麼差別，更多是在延遲上體現的進步

圖上為對數座標坐下的延遲曲線。我們可以看到，L1的延遲從3。x ns進步到2。x ns，L2的話Anandtech給出了明顯的資料是11。5ns到8。8ns。總體都下降了30%左右，但相較於其他架構的1。x ns 和4。x ns還是偏高，這方面如果Anandtech 測試沒問題，那麼蘋果在這方面還有相當大的潛力去挖掘。不過可以肯定的是，L1 cache沒有因為容量增大而延遲上升，反而下降，蘋果應該做了相當多的準備。

不過延遲不是一切，因為延遲再高，只要命中率100%，就不存在問題，所以延遲和命中是無法拆開來看的整體性問題，只知道延遲也無法說明更多問題，命中率估計除了官方，沒人會知道。

當然，我對此保持樂觀，因為葉大神是搞這方面的行家，她沒有離職。只能說，還有進步的空間。

小核

這次的A12小核和A11上的架構是差不多的，流水線上沒有區別，都長這樣

這個是不是有點眼熟？那就對了，它和Swift的架構設計極其相似，三發射，亂序，流水裡沒有單獨能做FMA的執行單元數量都一樣。不過在改進最佳化後，這顆小核以一種近乎變態的方式出現：

Anandtech聲稱小核的頻率只有1.6G，但在Geekbench我們看到的頻率是2G，我不能確定誰的判斷是正確的。

SPECint中，Mistral和Tempest整數達到了2。1G的Cortex A73的效能。SPECfp中浮點達到1。56G/1。76G Cortex A73的效能。都大致為A53/A55的2～3倍。面積上四核Mistral（不含L2）和9810上的A55（無L2）相等。按Anandtech的資料計算