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今年年初，三星發(fā)布了Exynos 9810旗艦處理器，其CPU為三星第三代自研貓鼬（Mongoose）架構(gòu)：Exynos M3。一直以來，外界對于Exynos M3知之甚少，終于在昨天的HotChips會議上，三星官方披露了Exynos M3的詳細(xì)設(shè)計，讓外界得以一窺這款超級架構(gòu)。
據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，三星Exynos 9810剛剛公布時，外界曾普遍認(rèn)為其在性能方面取得了巨大的飛躍，甚至有數(shù)據(jù)顯示，Exynos 9810的GeekBench單線程得分甚至高達(dá)3400+，遠(yuǎn)超包括驍龍845在內(nèi)的其他安卓陣營處理器。
三星的架構(gòu)研發(fā)是在德克薩斯州的三星奧斯汀研發(fā)中心（SARC，Samsung’s Austin R&D Center）進(jìn)行的，該中心成立于2010年，目標(biāo)是為三星的S系列手機(jī)研發(fā)Exynos系列處理器。
三星的第一代自研架構(gòu)Exynos M1據(jù)說在2012年的某個時候就已經(jīng)開始設(shè)計，歷經(jīng)短短三年研發(fā)，Exynos 8890便于2016年首次亮相于Galaxy S7。
Exynos M1是完全從零開始設(shè)計的，后續(xù)的幾代架構(gòu)自然會把它作為下一步開發(fā)的起點。隨著Exynos M1的淘汰，SARC團(tuán)隊在2015年第一季度開始使用現(xiàn)有的Exynos M1 RTL著手進(jìn)行Exynos M3的設(shè)計。
Exynos M3最初的定位是一次增量開發(fā)，然而在2016年第一季度，開發(fā)計劃發(fā)生了大變動，架構(gòu)目標(biāo)被設(shè)定得更高，以實現(xiàn)更大的性能提升，原本為增量開發(fā)設(shè)定的目標(biāo)被拆分成了Exynos M2（即Exynos 8895處理器）。
Exynos M2在各工作負(fù)載上的IPC改進(jìn)率高達(dá)20％，這使得它即便在頻率降低了12％的情況下，最終性能仍優(yōu)于Exynos M1。三星通過在Exynos M2中加入一些原本為Exynos M3設(shè)計的特性實現(xiàn)了這一增長目標(biāo)，而新的Exynos M3設(shè)計方案則變得異常激進(jìn)。
對比Exynos M3和Exynos M1可以看到了很多的相似之處，但Exynos M3增加了相當(dāng)多的擴(kuò)充。SARC團(tuán)隊將微架構(gòu)的解碼單元從4寬度擴(kuò)展到6寬度，并為內(nèi)核新增了一個帶有乘法器功能的整數(shù)ALU、一個加載單元和一個大幅強(qiáng)化的浮點/SIMD單元，將計算容量提升了三倍之多。
三星從未真正公開過Exynos M2的信息，也沒有特定的編譯器機(jī)器模型與之關(guān)聯(lián)，但在此次HotChips會議上，三星將Exynos M2的亂序提交窗口大小從96修改為100。盡管無法直接進(jìn)行不同ISA之間的比較，但Exynos M3的亂序提交窗口大小被再次擴(kuò)展至228，這與Intel的核心設(shè)計頗為相似。
值得注意的是，在6月初Arm公布的全新Cortex A76架構(gòu)信息中，其亂序提交窗口大小為128，比Exynos M3還要小，Arm表示亂序提交窗口增加7％只能提升1％性能，出于平衡性能和面積/功耗的考慮，并沒有著重增強(qiáng)這部分設(shè)計。
三星則在會上解釋稱，亂序提交窗口的大小與架構(gòu)的其余部分、緩沖區(qū)設(shè)計以及后端調(diào)度程序容量的設(shè)計相關(guān)聯(lián)，窗口大小和解碼寬度在設(shè)計時應(yīng)該相互適應(yīng)。Exynos M3的6寬度解碼單元可以很好地填充亂序提交窗口，從而獲得更強(qiáng)的性能。
繼續(xù)深入了解架構(gòu)前端的更多細(xì)節(jié)，可以看到分支預(yù)測單元和取指單元的各種改進(jìn)。Exynos M1的分支預(yù)測單元與其他架構(gòu)的不同之處在于能每周期接收兩個分支并且在后端具有兩個分支端口。
Exynos M3似乎仍然保持了這個寬度，但是將μBTB（BTB，Branch Target Buffer，分支目標(biāo)緩沖器）從64鏈路增加到128鏈路，主BTB仍維持4000鏈路，低于Cortex A76的6000鏈路，但對于已接收分支的延遲有所改進(jìn)。
此外更重要的是，Exynos M3中分支預(yù)測單元的整體質(zhì)量得到了提高，分支預(yù)測失敗的情況減少了15%。三星在會上公布了一個真正的MPKI（Misses per kilo instructions，每千條指令失敗率）值，這是Arm及其他廠商均未公布過的數(shù)據(jù)。
Exynos M3的分支預(yù)測單元和取指單元分別提供解耦的地址隊列和解耦的指令隊列，這樣可以在執(zhí)行中對單元進(jìn)行時鐘控制。
Exynos M3的取指單元的帶寬也被加倍，每時鐘周期期最多可讀取48Byte，即12條32bit指令，取指與解碼的比率為2:1（12條/6解碼），相比Exynos M2的1.5:1（6條/4解碼）有所提升。
三星表示，為了應(yīng)對日益嚴(yán)重的分支氣泡問題，需要大幅增加架構(gòu)成本。雖然被取分支的平均間距小于12條指令，2:1的取指/解碼比率可能會造成浪費，但更大的解碼寬度對突發(fā)的指令爆發(fā)有很大幫助。
雖然這種設(shè)計具有很高的瞬時功耗，但當(dāng)指令隊列（現(xiàn)在是深度的兩倍）的填充速度比解碼單元的消耗速度更快時，它允許對取指單元進(jìn)行時鐘門控，因而會對功耗產(chǎn)生積極的影響。
Exynos M3的指令轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)（ITLB）大小從256個條目增加到了512個條目。三星采用了與常規(guī)Arm處理器不同的三級層次結(jié)構(gòu)，Cortex A75和Cortex A76的一級ITLB分別有32條和48條，其中mainTLB 共有1280個條目，包括1024個條目（頁面最大為64KB）和一個輔助256條目表（頁數(shù)> = 1MB）。
Exynos M3也有一級數(shù)據(jù)和指令TLB，但三星沒有透露L1 ITLB的大小。
Exynos M3的解碼單元設(shè)計為6寬度，不過三星并未披露任何相關(guān)細(xì)節(jié)，只是稱其改進(jìn)了指令/微指令融合功能。Exynos M3支持自Exynos M1以來的多調(diào)度形式，解碼器發(fā)出的微指令可以同時分派到多個調(diào)度器，但在亂序提交窗口中它仍然只作為一個調(diào)度和一個條目。
流水線方面，Exynos M3的整數(shù)部分新增了兩個額外的調(diào)度器，微指令發(fā)射能力從前代的7發(fā)射增強(qiáng)至9發(fā)射。兩個新增端口之一是具有乘法功能的附加ALU單元，使MUL吞吐量加倍，并將簡單整數(shù)算術(shù)吞吐量提高25％。另一個新增端口是負(fù)載AGU，它可以使核心的負(fù)載帶寬加倍。
與前代相比，Exynos M3的浮點運算能力堪稱暴力，三星為其增加了第三條流水線，就簡單的浮點能力而言，其的乘法和算術(shù)吞吐量增加了三倍。Exynos M3在Exynos M1的FMAC+FADD單元基礎(chǔ)上，又增加了3個128位FMAC/FADD單元，使最大吞吐量從3（1*FMAC（2）+1*FADD（1））翻倍到6（3*FMAC（2））。
當(dāng)然，由于執(zhí)行吞吐量的急劇增加，所以必須擴(kuò)展調(diào)度器窗口和物理寄存器頁面。Exynos M3的調(diào)度器窗口大小從32增加到了62，F(xiàn)P PRF大小也從96擴(kuò)展到192。
三星一直在努力降低執(zhí)行延遲，這也適用于浮點流水線。Exynos M3乘法單元的執(zhí)行周期從4縮短到3，乘法累加單元的執(zhí)行周期也從5下降到4；簡單浮點加法的執(zhí)行周期從3縮短到2，并升級了浮點除法單元Radix-64以顯著降低除法運算的延遲。
BTW，Arm在Cortex A76發(fā)布時大肆宣傳其新的浮點流水線，稱為其全新的“VX（矢量執(zhí)行）流水線”感到非常自豪。不過從Exynos M3的情況來看，三星似乎在一年之內(nèi)便再次領(lǐng)先了Arm，Exynos M3與Cortex A76具有相同的浮點延遲，但同時還有更高的執(zhí)行吞吐量以及更低的ASIMD延遲。
Exynos M3的加載/存儲單元增加了第二個128bit加載端口，讀取帶寬加倍。加載調(diào)用延遲在4個周期內(nèi)保持不變，存儲帶寬在每周期1次存儲時只有1個周期延遲。Exynos M3的兩個加載單元均以128bit/周期運行，與Cortex A76相同，而Cortex A75則為64bit/周期。
總體而言，Exynos M3的加載/存儲調(diào)度器容量已經(jīng)增加，存儲緩沖區(qū)增加了一倍。在這里，三星的預(yù)讀取單元需要有相當(dāng)高的性能，以實現(xiàn)完美命中緩存的目標(biāo)，避免任何內(nèi)存瓶頸。
隨后，三星提到了之前描述的新TLB層次結(jié)構(gòu)。Exynos M3擁有與Exynos M1相同的32入口的DTLB（Data Translation Lookaside Buffer，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換檢測緩沖區(qū)），但是Exynos M3額外有一個容量為512條目的全新中級DTLB，且為ITLB（Instruction Translation Lookaside Buffer，指令轉(zhuǎn)換檢測緩沖區(qū)）和DTLB提供服務(wù)的統(tǒng)一L2 TLB容量也從前代的1024條目擴(kuò)容至4096條目。
顯而易見，擴(kuò)大架構(gòu)規(guī)模要付出代價，與Exynos M1的15級流水線相比，Exynos M3的流水線深度增加了2級，為17級，并添加了輔助調(diào)度階段，以及用于寄存器讀取的第二階段。相比之下，Cortex A75和Cortex A76的流水線深度為13級。Exynos M3的分支預(yù)測錯誤的懲罰也從Exynos M1上的14個周期增加至16個周期。
Exynos M3和Exynos M1相對于Arm公版架構(gòu)的的缺點是，它的取指和解碼單元比Arm公版多2級，寄存器重命名單元要多1級，以及需要第二個調(diào)度階段（再多1級）。三星沒有透露Exynos M3在流水線各階段之間是否有其他快速路徑來減少關(guān)鍵情況下的延遲，但表示這是設(shè)計大規(guī)模高性能架構(gòu)的必要成本。
理論上更長的流水線級數(shù)有利于頻率的提升（Intel為讓奔騰4沖擊高頻，曾在NetBurst架構(gòu)的Prescott核心中使用31級超長流水線）。不過奇怪的是，三星的17級流水線并沒有給Exynos M3帶來頻率上的優(yōu)勢，反而在沖擊高頻時付出了極大的功耗代價。這似乎意味著三星在EDA功力還有待提升。
與Cortex A75和Cortex A76一樣，Exynos M3引入了新的獨占L2緩存作為核心和最后一級共享緩存之間的中間級。新的獨占L2為每核心512KB，與Exynos M1中的共享L2相比，訪問延遲從22個周期減少到12個周期。不過，Cortex A75的L2命中延遲只有8個周期，Exynos M3在這一方面處于劣勢。
Exynos M3的L2緩存帶寬也增加了一倍，為每時鐘周期32Byte讀寫，而Cortex A75則每時鐘周期16Byte讀/32Byte寫。
值得注意的是，由于實際芯片中會受到物理布局的影響，實際延遲數(shù)據(jù)可能還會更高。根據(jù)實測，驍龍845的L2延遲在2.8GHz時約為4.4ns， Exynos 9810在2.7GHz時的延遲L2延遲約為4.6ns。
Exynos M3的共享L3緩存是以NUCA（Non-uniform cache architecture，非一致性緩存體系）方式實現(xiàn)的大型4MB緩存，由4個位于CPU核心對面的1MB分區(qū)組成。由于布局不均勻，CPU核心在訪問緩存分區(qū)時的延遲并不相同，訪問相鄰分區(qū)時延遲為32個周期，訪問距離最遠(yuǎn)的分區(qū)時延遲為44個周期，三星表示整體的平均訪問延遲為37個周期。
與L2的情況相似，Exynos M3在L3緩存方面也要弱于Arm公版架構(gòu)，Cortex A75的L3訪問延遲僅為25個周期，這一點在實測數(shù)據(jù)中也得以體現(xiàn)：驍龍845的L3訪問延遲約為11.4ns，而Exynos 9810的延遲則為11ns~20ns。
三星在會議中解釋稱，這種緩存分區(qū)的設(shè)計旨在為高端移動設(shè)備之外的不同設(shè)計實現(xiàn)更好的可配置性，言外之意似乎與S.LSI試圖進(jìn)入汽車領(lǐng)域有關(guān)。總體而言，三星承認(rèn)最終產(chǎn)品的緩存層次結(jié)構(gòu)設(shè)計并未達(dá)到他們真正想要的水平。
三星今年公布了芯片物理布局的數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了處理器內(nèi)核的平面圖。
以下是雷鋒網(wǎng)對圖片中一些術(shù)語名詞的簡短說明：
·pL2：獨占L2緩存，在Exynos M3中為每核心512KB。
·FPB：浮點數(shù)據(jù)路徑；浮點單元/ASIMD單元。
·FRS：浮點調(diào)度器以及浮點/向量寄存器。
·MC：解碼單元和重命名單元。
·DFX：這是調(diào)試/測試邏輯，代表“針對某某的設(shè)計”，例如DFD（針對調(diào)試的設(shè)計）、DFT（針對測試的設(shè)計）、DFM（針對可制造性的設(shè)計）和其他雜項邏輯。
·LS：加載/存儲單元以及64KB的L1高速數(shù)據(jù)緩存。
·IXU：整數(shù)執(zhí)行單元，包含執(zhí)行單元、調(diào)度器和寄存器。
·TBW：透明緩沖寫入，包括TLB結(jié)構(gòu)。
·FE：架構(gòu)前端，包括分支預(yù)測單元、取指單元和64KB L1高速指令緩存。
與Exynos M1相比，Exynos M3中的功能單元尺寸都大大增加，最終Exynos M3的內(nèi)核功能模塊面積為2.52mm2，另外還有0.98mm2的面積用于512KB L2緩存。
Exynos M1核心布局
Exynos M1核心布局
三星還展示了整個Exynos M3集群的平面圖， 4個核心彼此相鄰排列，L2和L3也有序的彼此相鄰放置。這種布局可以大大節(jié)省芯片布局工作，只需將每個模塊簡單地復(fù)制4次即可。
會議最后，三星分析了Exynos M3的性能表現(xiàn)，稱其IPC增長幅度約為59％。
當(dāng)然，在不同的工作負(fù)載下，IPC的增長并不是線性的，在高ILP（多種指令同時執(zhí)行）的工作負(fù)載下，IPC增長僅有限25％，在MLP（存儲級并行）工作負(fù)載下甚至幾乎沒有增加，而在其他許多混合工作負(fù)載中，IPC的提升幅度超過80％。
三星展示了Exynos M2、Exynos M3和Cortex A75之間的GeekBench4性能對比，分布代表Exynos 8895、Exynos 9810和驍龍845的性能表現(xiàn)。
除三星展示的對比數(shù)據(jù)外，我還添加了一些新的Spec分?jǐn)?shù)，這些分?jǐn)?shù)改進(jìn)了最初的評論數(shù)據(jù)，新的Spec分?jǐn)?shù)考慮了動態(tài)電壓頻率調(diào)整以及更綜合的測試環(huán)境。
能效比一直是處理器的一個重要評判標(biāo)準(zhǔn)，不過三星在Exynos M3上顯然省略這些。正如上文中提到的，Exynos M3在沖擊高頻時付出了極大的功耗代價，盡管它在2.7GHz時擁有絕對領(lǐng)先的性能，但此時能效比卻低于Exynos M2。在將頻率降低到與Exynos M2相同的2.3GHz后，Exynos M3才顯示出能效比上的優(yōu)勢。
下圖顯示了完成測試中的電能消耗量及平均功耗，左邊的條形表示消耗的能量，以J（焦耳）為單位，條形越短代表耗能越少，相應(yīng)的平臺的效率越高；右邊的條代表性能分?jǐn)?shù)，條形越長代表性能越強(qiáng)。
從結(jié)果來看，Exynos M3擁有相當(dāng)寬泛的能效比區(qū)間。與Cortex A75相比，Exynos M3在2.3GHz時便可擁有更強(qiáng)的性能以及相仿的能耗比；而與Exynos M2相比，Exynos M3即便在1.8GHz這個最低頻率上，性能和能效比均壓倒性的優(yōu)于2.3GHz的滿血Exynos M2。
據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，Exynos 9810中的Exynos M3集群在單核、雙核、四核滿載的情況下頻率分別為2.7GHz、2.3GHz、1.8GHz，功耗均為3.5瓦左右。換言之，M3核心從1.8GHz到2.3GHz，提升500MHz頻率功耗便翻了一倍，而從2.3GHz提升到2.7GHz，僅400MHz的提升就讓功耗再次翻倍，即從1.8GHz到2.7GHz，即便性能也呈線性同步提升，幅度也只有50%，功耗則翻了兩番。
而Exynos 9810的四核Exynos M3全部運行在相同的電壓和頻率上，許多情況下執(zhí)行次要線程的核心并不需要跑在與主線程核心相同的最高性能點上，但其所需的性能又超過了Cortex A55小核心所能負(fù)擔(dān)的范圍，所以執(zhí)行次要線程的核心只能與主線程核心飚在相同的高頻率上，大大降低了整體的能效比。
最后，三星更多地討論了Exynos項目的時間表。正如開篇介紹中所說，Exynos M3原計劃于2014年第2季度開始，然而隨著M1的完成，RTL在2015年第1季度開始，開發(fā)計劃發(fā)生了大變動，目標(biāo)被設(shè)定得更高，原本的Exynos M3被拆分成了Exynos M2，而新的Exynos M3設(shè)計方案則變得異常激進(jìn)。
RTL于2017年第一季度交付給SoC團(tuán)隊，用于Exynos 9810的第一個EVT0流片（實際產(chǎn)出的芯片是EVT1），并于2017年中期下線，而最終發(fā)布的Exynos 9810則是在 2018年3月上市。
Exynos M3對于三星設(shè)計團(tuán)隊來說是一次相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，整個架構(gòu)設(shè)計幾乎推倒重來，并且還必須面對極端的時間壓力，在項目截止日期前推出產(chǎn)品。
整體來看，Exynos M3是一個非常堅實的微體系結(jié)構(gòu)，感覺上更像是一款桌面級架構(gòu)。三星為了增強(qiáng)架構(gòu)性能，采取了最簡單粗暴的辦法擴(kuò)充規(guī)模，這也導(dǎo)致了其巨大的內(nèi)核尺寸。不過由于時間限制，三星似乎仍然保留了很多沒有被納入Exynos M3的改進(jìn)，特別是緩存層次結(jié)構(gòu)似乎是這一架構(gòu)中最薄弱的部分，三星承認(rèn)他們對此并不滿意。
三星的貓鼬架構(gòu)經(jīng)歷了Exynos M2和Exynos M3兩代改進(jìn)，其IPC增長率分別高達(dá)20％和59％。據(jù)悉，SARC設(shè)計團(tuán)隊現(xiàn)在每年都會有持續(xù)的架構(gòu)改進(jìn)，且三星表示Arm Cortex A76的真正競爭對手是明年的Exynos M4，而不是現(xiàn)在的Exynos M3。
就在幾天前，Arm公布了其未來三年CPU路線圖，揭示了Cortex A76的繼任者Deimos和Hercules，并承諾約15％和10％的代際收益。從目前的測試數(shù)據(jù)來看，Exynos M3在性能方面似乎已達(dá)到或超過Cortex A76的水平，預(yù)計在Exynos M4上，我們?nèi)钥梢钥吹饺亲匝屑軜?gòu)的競爭優(yōu)勢。
感謝三星一直以來所做的架構(gòu)曝光，這種細(xì)節(jié)展示在行業(yè)內(nèi)實屬少見。希望S.LSI和SARC能夠解決Exynos M3架構(gòu)的弱點，使明年的新架構(gòu)取得更大的成功。
via：Anandtech
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