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用漫画来认识原理，ARM多核处理的DynamlQ技术

 

“行动处理器随着技术演进而愈来愈强大，像ARM就推出了新技术DynamlQ，比先前的big.LITTLE技术更能灵活运用每一个核心，并能以不同的时脉运作。本篇文章将用可爱图片的方式，来介绍复杂的技术原理，让有兴趣的朋友们能在趣味中了解什么是DynamlQ技术～”

 

行动处理器除了追求效能的提升外，增加运算效率也是重要的关键。先前ARM 较广为人知的是big.LITTLE大小核技术，不过随着技术的演进，今年ARM在big.LITTLE基础上，推出了新的DynamIQ。单一Cluster内可有8个核心，且可由不同架构、时脉的核心组成，提升了运作效率与配置的弹性，现在我们利用简单的图片来说明DynamIQ的运作原理吧！

▲DynamIQ支援多颗不同架构的处理器，也能让处理器在不同时脉下运作，继big.LITTLE之后的新运算架构。

 

用龙舟来比喻核心技术

如果用龙舟来比喻ARM的DynamIQ与先前的big.LITTLE技术，我们把龙舟当成Cluster、船员当成核心，先前的big.LITTLE龙舟上最多只能有4位船员，而且每个船员都必须一样的身材(核心架构)，划船时若多位船员一起划船时，每个人都要出力均等(时脉同步)，不能有人慢慢划有人快快划。

但到了新的DynamIQ技术时，每艘龙舟(Cluster)上可以有8位高矮胖瘦(架构)不同的船员(核心)，而且当划船前进的时候，每个船员可以依照指令出不同的力(时脉不须同步)，且船员可依照指令睡觉(关闭)、休息(休眠)或划船(运作)，配置​​的弹性比起big.LITTLE高很多。不过龙舟终究只是个比喻，是用比较轻松的方式解说DynamIQ的原理，实际运作会考虑的细节更多。

举实例来说，当你正在捷运上玩手机游戏，此时需提供一定的效能让前端正在玩的游戏顺顺跑，因此会将大核心皆开启运作，如果在家用VR或是很吃系统效能的App时就可能同时开启大小核心，以输出最高效能为优先事项。另一方面，当你手机闲置的时候，系统就会自动将较耗电的大核心关闭或休眠，转让小核心进行背景运作，此时重视的则是节省电力消耗，让手机续航力提升。

▲DynamIQ支援单一Cluster内8个不同架构的核心，并能以不同的时脉运作。

 

混搭、弹性调度的DynamIQ

如果要用简单的词来描述DynamIQ，那么应该就是混搭与弹性。过往为了运作上的协同作业与效率，Cluster搭配上大多会尽量简单化，big.LITTLE技术运作时也有时脉同步、架构统一等框架限制。因此后续改进的DynamIQ在big.LITTLE技术上延伸，提升了单一Cluster的核心数量，核心架构不需相同，运作时脉也能有更细微的调配。

省电与高效能听起来是很冲突的需求，然而透过DynamIQ技术，单一Cluster内可以允许高效能核心与省电核心混搭，不需要像过往开启复数Cluster才能达到类似的作用，让运作弹性、硬体配置更具弹性。此外，过往受限于核心同步时脉，实作上增加不少的门槛。 DynamIQ允许单一Cluster内核心以不同时脉运作，以1.0GHz到1.7​​GHz间以100MHz的频率差​​运作。

▲DynamIQ big.LITTLE透过共享记忆体等机制，减少切换延迟并增加运作效率。

 

减少切换延迟、增加运作弹性

如先前所述，虽然big.LITTLE提供了设计与运作上的弹性，但对于现在重视高效能与超长续航力的行动装置来说，big.LITTLE的限制让处理器无法榨出完全的效能，可能会碰到无法合理分配效能的状况。因此DynamIQ在设计上修改了过往的限制，放宽核心、时脉等限制，有助于设计出更具效能与功耗的产品。

除了运作弹性增加之外，在状态切换的延迟也得以大幅下降。 DynamIQ使用了硬体控制式功率状态自动切换机制，可让核心在关闭、休眠、运作3种状态间快速切换，并减少切换时的延迟。这不仅使得运作效率提升，也因为切换延迟降低，能源效率得以提升，提供了装置更好的节能性。

 
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硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part3)


 

“继上一篇Part2，了解Apple处理器强在可以平行处理更多的指令后，本篇文章继续深入Apple处理器A7在迈入64位元后，到底又替Apple处理器增强哪些地方，让之后的A11处理器可以强到破表？”

 
没看过上一篇请点这里：硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part2)
 
Apple从2013年九月iPhone 5S的心脏A7「Cyclone」开始迈进64位元的世界，也以此为起点，Apple Ax应用处理器开始展现惊世骇俗的效能优势，从2015年六月赶尽杀绝32位元应用程式，直到今年的iOS 11中止支援32位元处理器（意思就是只回朔支援到iPhone 5S），更是深具重大意义的里程碑。

64位元是为了破除高效能架构障碍

但64位元运算真的有这么神奇吗？当然不是，真正有举足轻重影响的，是ARM指令集扩充到64位元时，「顺便」带来的革新，特别是移除了打造高效能微架构的重大障碍。

要提高处理器效能，不外乎增加每个时脉周期可处理的指令数：

提高时脉，对于行动装置来说，这几乎是难以考虑的选项。
增加同时可以平行处理的指令数量，像硬体指令排程的超纯量（Superscalar）和编译器决定如何「一个萝卜一个坑」的超长指令集（VLIW）。
接着，提高管线效率，特别是当发生同时执行的指令，要存取相同暂存器而强碰时，就需要以「暂存器更名机制」为中心的「非循序指令执行」来解决。
前面有提到，电脑有别于计算器的最大差别，在于「条件判断的能力」。

你可将电脑程式的正常执行流程，想像成一个「棋盘」，以一个角落当做起点，对角线的角落作为终点，在棋盘上反覆移动，不限制前进或后退。如发生条件判断的分支（Branch），或无条件判断的跳跃（Jump），就会变更指令流，并且中断指令管线的运作，特别是必须先等待条件判断的执行结果，才能决定该分支是否发生的分支，对效能的伤害尤其明显。

所以某些指令集就具备了所谓「引述执行（Predicaton）」的能力，包含32位元的ARM指令集。一个在一般指令集的简单条件判断（相信各位一定看得懂）：

beq ra, label // if (ra) = 0, branch to ‘label’
or rb, rb, rc // else move (rb) into rc

改用具备引述执行的条件搬移指令，一行就解决了，避开了分支指令，也无须启动分支预测机制。讲的直白一点，就是把所有相关工作打包起来送作堆，一次搞定。

cmovne ra, rb, rc

这对追求高度平行化的指令集，有着莫大的吸引力，所以也不外乎多数超长指令集（VLIW）电脑，都具备这样的能力，包含Intel的IA-64（Itanium），连x86从Pentium Pro开始也有cmov体系指令，只是因种种因素不那么实用，而逐渐边缘化了。

引述执行Predication的缺点

但天底下没有白吃的午餐，先不提「事后」才支援引述执行的困难度，引述执行不但会增加处理器的工作量，更会提高指令管线前端的复杂度，不仅不利于提升时脉，更会影响非循序指令执行引擎的设计，因为暂存器重新更名机制要「替身」的资料就更多了。很讽刺的，原本寄望可以提高指令平行化的引述执行，竟然反过来变成了打造高效能微架构的麻烦制造者。

64位元的ARMv8-A取消4位元引述执行（Predication）码，将省下的指令编码位元数，挪为倍增资料暂存器之用，不但降低了发生暂存器相依的机率，一并解除实作更高效率非循序指令集执行的紧箍咒，更是「在指令集扩充之路上，设法搬移未来微架构路障」的经典案例，这远比整数逻辑运算暂存器和记忆体平面定址空间扩充到64位元还重要上百倍。

苹果看到的64位元大未来

基于未来性，Apple也很早就把重心放在64位元效能，根据某些实际的指令排程输出率测试，Apple兼具32/64位元相容性的Ax应用处理器，64位元的指令输出量，就几乎是32位元的足足两倍，例如每个时脉可输出6个64位元指令，32位元就会腰斩。当然，Apple自家晶片亦具备极度优异的记忆体效能，A10X改弦易彻走向大型化L2快取，也隐约透露出些有趣的弦外之音，这就有赖前P.A.Semi团队的功力了。

问题又来了，那为何A11会强到破表？

有没有想起来，iOS 11已纯粹对应64位元环境？那A11为何还要硬扛着相容32位元ARM指令集的包袱呢？伺服器导向的Qualcomm Centriq 2400就是「纯64位元」ARM处理器。少了后顾之忧，自然就可以把所有电晶体预算砸到刀口上，效能自然好，这就是Apple同时掌握全部软硬体的天然优势。

最后，不提A11，光A10每个时脉最多可同时输出4个整数、2个浮点和2个记忆体载入，就已经很接近IBM Power7的水准，几乎是其他ARM对手的两倍，真是吓死人了。 A11有多可怕？我们以后再研究，谢谢收看。
 
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硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part2)


 

“继上一篇Part1，先基本了解Apple处理器不易被外界摸透的原因后，本篇文章将切入主题，重新阐述电脑与指令集架构，让大家了解效能判断的基准，再来解释为何Apple的处理器可以同时平行多工处理指令。”

 
没看过上一篇请点这里：硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part1)
 
前面有提到Apple的Ax系列应用处理器核心，每个时脉周期内可以平行处理更多的指令，那为何Apple可以作到这件事？除了透过并购而来的PASemi团队有其过人之处（他们过去做PowerPC干过的好事足以另外开一个新专题了），这也或多或少跟ARM指令集的演进有所关联，尤其是「64位元」这个经常引起误解的话题。

要重头建立起对效能的判断基准，充分理解近代高效能处理器的众多特性，重新塑造对「电脑」的认知，绝对不可或缺。相信我，放眼在各大科技网站四处留言的科普文青和潮牌果粉，十个之中，大概找不出一个可以好好阐述「什么是电脑」。

电脑与指令集架构

我们先来看看，什么叫做「电脑（计算机）」和「指令集架构」，一步一步的抽丝剥茧，充分理解当代高效能处理器的基本概念与效能瓶颈，保证以下绝对不会让你看到睡着。

先问第一个问题：「电脑（Computer，或叫计算机）」与「计算器（Calculator，像你手边的卡西欧计算机，或手机上的小算盘程式）」，有什么不同？

最大的相异点：电脑具备「进行条件判断」与「变更执行流程」的能力，可依据不同的条件，执行不同的指令，作为人类用来处理讯息的工具。

我们进一步想让电脑「泛用化（General Purpose）」，让应用更有弹性，不限定于固定的用途，需要创造一组「指令集架构（ISA，Instruction Set Architecture）」作为电脑最基础的「语言」，并将所谓的「运算」，转化成一连串指令的执行细节。

讲的抽象一点，指令集在电脑内扮演的角色，是软体和硬体之间的「介面（Interface）」。

理所当然的指令集相容性

今日耳熟能详的「计算机结构」（Computer Architecture），就是由IBM在1964年创造给S/360大型主机用的名词，藉由表示「程式设计者可以看到并使用的指令集」，如同电脑的语言，指令集架构相同的不同电脑，可以执行相同的软体。

这在今天看似理所当然的想法，像Intel和AMD的x86处理器，可以执行用x8​​6指令集所撰写出来的程式码，然后因不同的处理器微架构的特性，在不同的应用，有着截然不同的效能表现，在当时却是非常新奇的观念，因为那时候每种电脑，都拥有不同的指令集，发展一台新电脑，就需要重新撰写软体。可顺畅执行所有软体的处理器，对商业价值的重要性，不言可喻，这就是指令集回溯相容性的威力，同时也是最重要的「资产」。

不过近年来拜ARM此类授权IP商务模式的影响之所赐，越来越多人搞不清楚「指令集架构」和「处理器微架构（Micro Architecture）」的差别，糊里糊涂的就随便把两者送作堆，挤成爆浆撒尿牛丸，所以特此不厌其烦的厘清。

举统治个人电脑市场的80×86为例，前者说穿了是「电脑的基本语言（x86指令集的历代沿革，如i386、MMX、x86-64、SSE、AVX、AVX-512等）」，后者是「执行语言的载具（Intel和AMD一大票微架构code name，像Skylake）」，不能混为一谈。

指令集与微架构互相影响

但「资产」和「包袱」往往是一体两面，在漫长的演化之路上，指令集和微架构并非从此泾渭分明、井水不犯河水、老死不相往来，就像人类平日用来沟通的「语言」 ，其文法规则与逻辑结构，多少可反映出一个社会的风土习俗和「潜在规则」，一套指令集的特性及优缺点，会深深影响着微架构的发展途径与经济效益，两者相互潜移默化，直接或间接反映在「产品」本身的市场竞争力，与指令集未来的扩充发展方向。毕竟处理器是要面对市场竞争的商品，身为「电脑语言」的指令集，也是会因应微架构的发展需求而进化，甚至不惜牺牲相容性，也要丢掉部份的包袱。

电脑的身体是「物理」，灵魂是「数学」，但「经济」才是它存在的原因。假如世界上真有「计算机结构经济学」这门学科（其实某本以计量方法为名的教科书，已经很有这样的味道），注定将聚焦于指令集和微架构之间的互动。

那问题来了，64位元的ARM指令集，究竟带来了哪些突破，而Apple又如何搭上这顺风车，让自家微架构甩开跟竞争对手的差距？更关键的是：Apple同时掌握软体和硬体，究竟在处理器效能竞争中，扮演怎样的角色呢？ (待续)
 
续篇：硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part3)
 
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硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part1)


 

“Apple从iPhone一代使用三星处理器，到iPhone5后使用自己开发的A6晶片，至今Apple的处理器已经是远远超过其他人，为何Apple开发的处理器效能这么好？本主题分成Part1～Part３三篇文章来深入讨论Apple Soc究竟厉害在哪～”

 
也差不多是该好好谈谈这「年经」议题的时候了。自从iPhone 5的心脏，终于开始引进自家开发的独特微架构核心，随着世代交替，在越来越多效能评测，对上其他授权现成ARM核心的对手时，展现越来越摧枯拉朽的优势后，每逢搭载新款Apple自家应用处理器的产品问世，各大媒体，总是出现以下的例行标题：

「Apple的晶片实在太快了，众人们都难以置信!」

接着一如往昔，四处冒出单细胞动物反应般的「Apple何时会将Mac换装自家的SoC」深度评论（即使从头到尾看不出什么内涵），下面的读者留言，也跟着鸡同鸭讲的吵成一团。

然后呢？就没有然后了。先直接讲结论：Apple Ax系列应用处理器核心，可以同时执行，或着讲的更精确一点「可平行处理」的指令数，远胜竞争对手，完全是顶级伺服器处理器的等级。

为何少人分析Apple自家处理器的技术细节？

Apple的晶片再厉害，也是和我们生活在同一颗地球上的人类开发出来的产物，奠基于相同时代的半导体制程技术，与观念相近的高速处理器设计原理，万变不离其宗，绝非外星科技，而产品开发背后的技术源流，更是斧凿斑斑，如果你愿意花时间考古的话，想藏也藏不住。

但Apple毕竟就是Apple，不像习惯在学术研讨会发表论文，变相进行技术行销，或着在自家活动公开产品技术细节的IBM Intel AMD nVidia Qualcomm等厂商，对自家打造微架构、总算可以不假外人之手的晶片，几乎守口如瓶，只给行销数据。

反正对Apple来说，他们也不需要让外界得知太多资讯，只要宣称iPhone iPad有很棒的使用者体验，果粉愿意掏钱买单，就功德圆满了，除非有足以用来说嘴的重大技术创新，像A11的Neural Engine类神经网路加速引擎，否则讲太多细节，都是多余的。

所以很多专精于分析处理器架构的媒体工作者和专栏作家，几乎除了介绍TSMC为主的先进制程、历代Apple晶片的方块图（特别专注于比较iPad专用的版本，会比iPhone多出哪些额外的区块），与新款PowerVR绘图核心的性能提升，对于最重要的核心微架构，不得其门而入，通通束手无策，大概勉强比较有看头的，就是某些拆解机器，取下晶片，磨出晶粒照片（Die Photo），然后看图说故事的网站。

当然，我们也有充分的理由相信，Apple晶片的竞争对手，势必拿着电子显微镜，对着晶粒进行巨细靡遗的分析，甚至尝试逆向工程的可能，只是这些见不得光的商业行为，不会也不能公诸于世就是了。

所以就这样束手无策了？才怪！

但这并不代表天底下没有旁敲侧击、判断其设计奥妙的手段，比较专业一点的作法，是自行撰写测试程式码（目前知名网站中，就以Anandtech那篇比较A5和A6的文章最具代表性），去推敲其指令管线深度、执行单元宽度、分支预测强度、记忆体子系统阶层与延迟等等，应用程式开发工具（像LLVM）内的参数，也是可以「挖宝」的好地方。

次而等之的，则是透过跨平台的效能测试程式，去比较不同世代Apple应用处理器与那票Android手机心脏之间的差别，再以找一个资料最公开的晶片，作为评估的基准。难搞的要死、非得自己弄好编译器参数，才可以保证跑完的SPEC CPU，之所以历久不衰，长期兼具学术和商业价值，不外乎可藉由涵盖多种不同应用的子项目，彻底分析处理器的性能特性。

所以当笔者看到效能测试程式的创办人，竟然会讲出「A11晶片实在太快了，让我无法理解的是，为什么Android 阵营看起来好像停滞不前？效能飞跃在哪? 我不清楚到底发生了什么事」的鬼话，当下的情绪反应是极度愤怒的，因为开发效能测试程式的人，最没资格搞不清楚到底发生什么事，难道你们根本不知道你们到底在测试什么吗？还是你们其实对处理器架构完全一如所知，只是要挤出喧哗取众的数字，让使用者自己赛猪公吗？

看来好像真的是这么一回事，所以你才会在这边看到这篇文章。 （待续）
 
续篇：硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part2)
 
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