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Tegra44iIcerai500架构超

2019-06-09 14:23:06来源:励志吧0次阅读

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CES 2013大展上,NVIDIA发布了全球四核A15架构移动处理器“Tegra 4”(代号Wayne),伴随而来的是4G/LTE基带“Icera i500”。MWC 2013大会上,NVIDIA又带来了整合基带的“Tegra 4i”(代号Grey),同样四核心,但架构上基于Cortex-A9,而所用基带正是Icera i500。

AnandTech近日撰文,深度解析了Tegra 4、Icera i500、Tegra 4i的硬件架构设计,还有部分性能数据。感兴趣的随我来。

【Tegra 4:A15架构细节、功耗控制】

NVIDIA其实是ARM指令集架构的授权拥有者,但这一次,Tegra 4使用的还是处理器授权,而不是NVIDIA自己设计的定制核心(就像高通Krait、苹果Swift那样的),那要到“丹佛工程”上才能实现。

对于A15的架构情况,之前因为资料有限,我们了解得并不多,而得益于Tegra 4的白皮书等文档,终于可以一窥A15内部世界了。更深入的解析会有机会单独阐述,这里只从较高层面上看看。

A15的架构要比A9宽得多、深得多,整数流水线也从9级增加到了15级,但是分支预测同样改进显著,但愿能比弥补长流水线的缺憾。

A15的前端宽了50%,指令拾取带宽翻番,有利于提升指令级并行(ILP),而为了充分利用三宽度发射,ARM大大增加了重排序缓冲(ROB)和所有相关数据结构的尺寸。A9可以在重排序缓冲内保留大约个已解码指令,A15则能保留128个,仅此一点就足以反映两种架构的巨大差异:A9是基于A8的自然演化,A15则是一次全新的飞跃式革命。

执行核心方面,A15的规模仍然更大,执行端口、执行单元都要比A9的多,均有助于提升ILP、单线程性能,还采用了多重、独立的发射队列的方式,以保持高频率。每一个发射队列都可以接受多三条指令,所有的发射队列都可以并行分发。

A15也可以执行乱序指令,但能力更强了。A9上所有的浮点/NEON指令都必须顺序执行,但在A15上可以乱序,但是它依然不能重排序所有内存操作:独立载入可以乱序执行,但是存储不能在载入之前完成。

A15还改用了集成式二级缓存结构,而不是A9上的独立IP块。A15的一级、二级缓存延迟基本没变,不过在一些情况下应该会比A9多上个时钟周期。二级缓存TLB和其它数据结构明显增大,以满足整个架构的需要。

缓存容量上,一级还是32KB指令、32KB数据,但是二级增至2MB,并为所有核心共享(Tegra 4的第五个节能核心还有自己的512KB二级缓存),任何核心只要允许都可以单独占用全部2MB二级缓存。

A15是目前可以在性能上超越当今流行A9核心的ARM架构,不过性能也不菲。根据三星公布的数据,A15可以提供多3倍于A9的性能,但核心面积要达到4倍,功耗则要付出6倍。面积还好说,功耗就是大麻烦了。

而为了让大家对新架构的功耗放心,NVIDIA给出了这么一张图:

更多执行资源以提升ILP、更多的乱序利用、更好地内存子系统以提升内存级并行(MLP)、更智能的分支预测、平衡的移动应用功耗……这些都是说A15架构的功耗控制特性的,而下方两行展示了Tegra 3、Tegra 4的功耗对比。

NVIDIA宣称,SPECint2000测试(可充分压榨CPU资源)中Tegra 4/3的单线程整数成绩是相同的,但是Tegra 4的功耗要低40%,再用性能除以功耗,Tegra 4在能效方面要胜出75%。

不过这样的对比并不太公平,因为此时Tegra 3的频率是的1.6GHz,Tegra 4则只有825MHz,电压和功耗自然都低得多。Tegra 4如果全速运行,功耗自然要高得多,虽然性能也会上去,但恐怕能效方面不会太好看。

但这也可能成为Tegra 4用于移动设备时的一种政策:刻意限制频率以控制功耗。而之所以选择825MHz,因为它也是第五个节能专用核心的频率,一般时候应该是MHz。

顺便说一句,Tegra 4里的四个主力核心都使用相同的电压和频率层,只是每个核心都可以通过电源栅极单独开关,这和Intel的设计方式差不多,但不如高通每个核心的电压和频率层都是单独的。

说起频率,Tegra 4四个主力核心都可达1.9GHz,而如果使用少量核心,可以加速到更高速度,具体如何还得看设备厂商的选择。

【Tegra 4i:A9 r4p1架构版】

除了不同架构之间的进化,ARM每一个架构也都有不同的版本,比如说同样是A9,Tegra 2使用的是r1p1,Tegra 3里边是r2p9,Tegra 4i又换成了的r4p1。

A9 r4p1架构的GHB、二级缓存TLB、BTAC都增大了三倍,赶上了A15的水平,分别有16K、512、4096,这可以改进分支预测精确度,进一步提升IPC。

数据预取引擎也增强了,包括一个小的一级缓存预取器、单独的缓存预载指令硬件。

NVIDIA宣称,A9 r4p1相比于r2p9可以在SPECint_base测试中获得15%的成绩提升,仅仅是架构微调就获得如此好的整数性能改进着实惊人,当然真实情况如何还不太好说。不管怎样,配合2.3GHz的频率,Tegra 4i CPU性能会比Tegra 3好不少。

根据数据,Tegra 5里每个CPU核心的面积为2.7平方毫米,稍大于高通Krait 800,Tegra 4i则仅为1.15平方毫米。单论性能,Tegra 4在三者之中为突出(高通肯定不服),而在性能频率比、性能面积比上,Tegra 4、Tegra 4i分别是的。

【坚守四核心】

Tegra 3是四核心(也可以说4+1),Tegra 4并未继续扩充,NVIDIA移动事业部高级副总裁Phil Carmack也在去年初就坦率地告诉媒体,四核心将是未来NVIDIA SoC的一个标准。

其实,四核心对于处理器来说是个不错的选择:核心和线程数量够多,足以应付多线程负载;每个核心可以单独开关,或者部分休息部分加速,也能很好地执 行单线程负载;应用方面已经绰绰有余,核心再多纯属浪费;用户和宣传方面也足够好看了,再多可能就让人反感和质疑了。28nm新工艺和A15新架构加持之 下,NVIDIA停留在四核心上是非常明智的。

Tegra 3的核心面积大约80平方毫米,Tegra 4塞入了晶体管,但感谢新工艺,面积稍大了一些但仍在80平方毫米这个档次上。

不过在台积电生产线上,28nm HPL工艺晶圆的成本显然要大大高于40nm LPG,更何况还有良品率问题,所以Tegra 4的成本必然高出不少,后果就是设备价格不会多低。

说实话,Tegra 4并不完全是那种震惊业界、引领时尚的芯片(除了四核心A15的名号),但综合来说却是NVIDIA的选择,无论技术上还是商业上。

【Tegra 4/4i GPU架构】

这个话题之前曾经详细探讨过,这里就不再过于深入了,重点看看NVIDIA放出的一些新资料。

Tegra 4 GPU仍然是固定、分离的像素和顶点着色器设计,也是惟一一个没有采用统一着色器架构的现代移动GPU,看起来有些落伍,但仍然占用了不小的核心面积(10.5平方毫米),还有新的二级纹理缓存,用于改进带宽效率。

Tegra 4 GPU各方面都比上一代扩充了不少,总计拥有72个核心,包括48个像素核心、24个顶点核心。Tegra 4i将顶点核心砍去一半,只留下12个,像素核心则保留48个,总计为60个,不过Vec4像素单元从四个较小的变成两个较大的,每个负责领导24个核心。

Tegra 4 GPU频率提升到了672MHz,上代为520MHz,Tegra 4i则是660MHz。

T4 GPU像素、顶点单元分布

T4 GPU架构图

T4 GPU架构图

T4 GPU架构效率对比(官方数据仅供参考)

T4i GPU像素、顶点单元分布

T4i GPU架构图

T2/3/4架构图

T4 VS. T3

T4i VS. T3

的遗憾当属没有完整支持OpenGL ES 3.0,只是部分支持,比如多重渲染目标等等。这主要是因为Tegra 4GPU的像素着色器硬件浮点精度仍然是FP24,OpenGL ES 3.0则需要像素和顶点着色器都支持FP32。此外也没有ETC、FP纹理支持。

就目前而言,OpenGL ES 3.0支持与否并无太大实际意义,但不支持的话至少在规格上就输了一筹,而且这是大势所趋,一两年后等游戏大量使用它了Tegra 4就会很吃亏。

我们相信,NVIDIA完全有能力做一个支持OpenGL ES 3.0的GPU,但之所以选择不去支持,应该是出于核心面积控制方面的考虑。

【内存子系统】

Tegra前三代的内存带宽都小得尴尬,没法和苹果、三星、高通的比,人家都是双通道了。现在,Tegra 4配备了两个32-bit LPDDR3内存控制器,频率也提高到了1866MHz(未来还会提升),终于有了充足的带宽。

Tegra 4并未采用PoP一体封装,因此需要单独的外置DRAM内存颗粒,这显然会限制Tegra 4 PCB的布局,使之在小型设备里会有些局促。

不幸的是,Tegra 4i又成了单通道内存,但幸运的是会支持PoP和独立封装两种规格,其中前者频率1600MHz,后者1866+MHz。

【Tegra 4性能究竟如何?】

因为没有设备,这个谁也不好说,只能参考NVIDIA官方数据。以下来自一款1.9GHz Tegra 4参考平板。

CPU性能明显高于其它已知的任何ARM、Atom x86设备,GPU性能则宣称可与iPad 4媲美。

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