VR普及的奠基石

4K顯示和VR技術必然是智能手機未來的發展趨勢，然而現有的移動處理器技術卻難以駕馭這些新特性。為此，ARM祭出了Cortex A73處理器和Mali G71 GPU兩大殺器，它們的結合將為4K和VR鋪平道路。

未來是4K和VR的時代

2015年，索尼Xperia Z5 Premium第一次開始了4K分辨率的嘗鮮（圖1），可惜4K屏幕實在太過耗電，成本也是相當昂貴，所以并沒有廠商敢于跟進。2016年則是VR大爆發的時節（圖2），只是目前的移動VR眼鏡（將手機作為屏幕和計算單元的設備）都存在兩個問題：畫面存在顆粒感，眩暈感嚴重。顆粒感是因為屏幕分辨率太低，眩暈感則是畫面刷新率不夠（涉及到LCD自身的刷新率低，和手機性能無法渲染出更高刷新率的畫面）。

那么，如何讓手機可以完美駕馭未來的4K和VR趨勢？更快的CPU運算能力，更強的3D渲染水平，這二者缺一不可。為此，ARM帶來了可提供“極致的VR體驗”的全新CPU和GPU技術，并已獲得了包括華為海思、三星電子、聯發科、Marvell等在內的九家芯片廠商的捧場（和ARM簽署了技術授權協議）。那么，ARM的新技術究竟有何過人之處？

重溫ARM的三大血脈

在PC領域，英特爾將處理器劃分為了Core（酷睿）和Atom（凌動）兩個大的架構，分別用于高性能和低功耗計算。在移動處理器領域，ARM則提供了Cambridge（劍橋）、Austin（奧斯汀）和Sophia（索菲亞）三大血脈平臺（表1）。

我們熟悉的Cortex A7、Cortex A53隸屬于ARM旗下的Cambridge家族，它們的共性就是功耗小、發熱低;Cortex A15、Cortex A57和Cortex A72則隸屬于Austin家族，它們的特色就是性能強得一塌糊涂，但卻因功耗高、發熱量大而無法長時間運行。為了彌補Cambridge性能不足、Austin過于熱情的缺陷，ARM推出了名為“big.LITTLE”（大小核）的技術，可將A15（大）與A7（小）、A57（大）與A53（小）、A72（大）與A53（小）混合搭配（圖3），從而兼顧了多核處理器的性能與功耗。

所謂“知子莫若父”，ARM在很早以前就意識到Cambridge和Austin的缺陷和不足，所以才有了Sophia家族的誕生。可惜，Sophia的歷史就是一部活生生的悲劇。

搭載聯發科MT6595處理器的魅族MX4

作為Sophia家族的首批成員，Cortex-A12的性能介于當時Cortex-A9和Cortex-A15之間，但功耗卻比Cortex-A15低了很多，曾一度被視為最均衡的移動之芯。然而，A12在設計上卻出現了失策：缺乏必要的一致性總線，因此不支持big.LITTLE，無法搭配“小核心”的Cortex-A7，最終“出師未捷身先死”，直接被后輩Cortex-A17所取代（圖4）。而Cortex-A17的表現也不負眾望，性能幾乎和Cortex-A15一樣，但核心面積更小、功耗更低。

令人遺憾的是，Cortex-A17也“生不逢時”，好不容易才有了瑞芯微RK3288和聯發科MT6595（都是四核Cortex-A17+四核Cortex-A7）兩顆八核處理器加盟（圖5），但卻趕上了移動處理器從32位時代向64位時代（ARMv8 64位指令集）的轉型期。于是，Cortex-A17和Cortex-A7同時被64位的Cortex-A57和Cortex-A53所取代。

ARM此次推出的全新CPU技術，就是Sophia家族的最新血脈：Cortex-A73，它的最高主頻可達2.8GHz，功耗最多可降低30%。那么，它又是如何做到的呢？

架構層面有優化

由于隸屬于Sophia家族，所以雖然Cortex-A73從型號上與Cortex-A72接近，但二者在架構層面的差異卻是非常明顯，Cortex-A73反而與Cortex-A17有著更多的“血緣關系”。比如，它們都非常重視流水線（A72流水線為15級，A73則僅有11級）、注重資源和接口的優化（圖6），以求在最低功耗下獲得最大性能。

具體來說，Cortex-A73基于64位ARMv8-A構架設計（圖7），是早期Cortex-A57架構計算速度的2倍，Cortex-A15的3.5倍。它所支持的CPU簇依舊為4個，理論上一顆處理器內可以塞進2組共計八核Cortex-A72和2組八核Cortex-A53從而構成16核心處理器。

由于Cortex-A73只是針對消費級市場，所以它較Cortex-A72精簡了AMBA5 CHI接口，一級緩存也不再支持ECC。此外，Cortex-A73還將數據緩存尋址機制從PIPT（物理索引物理標簽）升級到了VIPT（虛擬索引物理標簽），優化后的一級和二級緩存預取器也令外部內存帶寬大幅提升。

總之，Cortex-A73和其他前輩相比，在性能、功耗及核心面積這三個方面都做了全面的改善，這也是半導體設計的三個重要指標。按照ARM官方的數據顯示，和Cortex-A72相比，Cortex-A73典型移動應用性能提升10%，SIMD媒體和計算性能提升5%，內存吞吐能力提升15%（圖8）;整數應用功耗節省最多30%，浮點和二級緩存應用節省最多25%，同等工藝頻率下至少節省20%（圖9）。

一切都要以10nm為前提

Cortex-A73看起來很厲害？那是因為它的技術門檻非常之高，需要使用10nm FinFET工藝設計制造。要知道，這個工藝要到2017年才能大規模量產。實際上，用10nm的Cortex-A73和14nm/16nm的Cortex-A72等前輩們對比多少有些不公平，當后者應用10nm工藝時也能運行在更高頻率且能明顯降低能耗。然而，世界上沒有絕對的公平，Cortex-A73的起點就是高……

對處理器廠商而言，10nm工藝可以減少處理器核心的硅圓使用面積，在提高性能的同時降低SoC和設備的成本。比如，Cortex-A73在同等性能的基礎上，芯片封裝面積可以比Cortex-A72減少25%（圖10），雙核Cortex-A73的尺寸和四核Cortex-A53持平。這意味著今后會出現很多雙核Cortex-A73+四核Cortex-A53的六核處理器，取代現有的四核Cortex-A53+四核Cortex-A53的八核處理器。根據ARM的數據顯示，前者可以在核心面積相同的情況下，比后者的性能提升30%，最佳響應時間提升90%。

全新GPU助力VR

實際上，對4K和VR而言CPU性能并非最關鍵的因素，GPU圖形渲染能力才是提高刷新率、降低VR體驗延遲的大殺器。此外，當我們遇到手機玩游戲卡頓的現象時，99%的情況下并非CPU性能不夠，同樣是受了GPU性能不足的拖累。聯發科Helio X20、麒麟955等處理器雖然CPU多核性能遠勝驍龍820，但游戲流暢度卻被后者完虐，就是因為它們集成的Mail-T880MP4 GPU不夠給力造成的。隨著Cortex-A73的出現，給了其他芯片廠商（在游戲性能方面）逆襲高通驍龍、體驗更佳VR效果的機會。

為了與Cortex-A73搭配，ARM同步推出了與其相配套的新款GPU——Mali-G71。這款GPU的目標非常明確：滿足大型3D游戲和未來移動VR體驗的需求。

簡單來說，Mali-G71的核心數量可在1個～32個之間調節（上代Mail-T880最多可配備16個核心，即Mail-T880MP16）（圖11），性能比Mali-T880可提升最多40%，而且在能耗方面的表現更優。同時，Mali-G71還全面支持OpenGL ES 3.2、OpenCL 2.0、DirectX 11.2等API接口，其綜合性能甚至可以媲美筆記本領域的中端獨立顯卡（圖12）。

當然，想獲得媲美筆記本獨顯的性能，就需要Mali-G71搭配32個核心，而實際應用中卻受限于工藝、發熱和耗電量等因素的制約，手機處理器不可能搭配滿血的Mali-G71，而我們則希望聯發科Helio和麒麟的下代芯片可以更給力一些，至少也要搭配Mali-G71 MP8或Mali-G71 MP12的GPU規格吧？

小 結

ARM此次發布Cortex A73處理器和Mali G71 GPU算是給我們畫了一張大餅，表面看起來光鮮無比，但它們卻存在著很多不確定性。比如，10nm工藝能否在預計的時間內投入量產？如果不能，讓Cortex A73與主流的16nm/14nm工藝搭配還能釋放幾分動力？此外，Mali-G71是否強悍取決于計算核心的數量。Mali-T880原本也夠強悍，但架不住手機處理器廠商只為其搭配4個核心啊？要知道，三星Exynos 8890處理器同樣集成Mali-T880 GPU，但憑借12個核心的優勢，在3D性能上足以媲美驍龍820。

總之，Cortex A73的出現會進一步刺激智能手機領域的軍備競賽，未來一個時期內你會看到2K屏幕滿天飛，4K屏幕不稀奇，高刷新率屏幕到處跑，六核、八核、十核處理器共存的格局，屆時手機端的VR體驗也會因它而提高到新的層面，讓我們共同期待吧。