作者：Arm 終端事業(yè)部產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Stefan Rosinger

在之前有關(guān) Arm Cortex-X925 CPU 的文章中，Arm 技術(shù)專(zhuān)家曾探討了每時(shí)鐘周期指令數(shù) (IPC) 作為評(píng)估 CPU 性能的關(guān)鍵指標(biāo)的重要性。與主要將頻率作為性能指標(biāo)的做法不同，IPC 衡量的是 CPU 每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能處理的指令數(shù)。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言，電池續(xù)航和散熱管理是影響實(shí)際應(yīng)用、用戶(hù)體驗(yàn)和設(shè)備處理復(fù)雜工作負(fù)載的關(guān)鍵所在。因而，IPC 對(duì)于評(píng)估移動(dòng)設(shè)備性能而言，至關(guān)重要。

更高的頻率 ≠ 最優(yōu)表現(xiàn)

IPC 越高，表示在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令越多；即便時(shí)鐘速度較慢，也能帶來(lái)更好的性能。這對(duì)于內(nèi)存受限的工作負(fù)載尤為重要，因?yàn)槠湫阅軙?huì)受到 CPU 外部因素的制約。更高的 IPC 使得 CPU 能以更低的頻率運(yùn)行，從而減少電量消耗和功耗，設(shè)備發(fā)熱也會(huì)緩解。這對(duì)于需要保持穩(wěn)定性能的移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，尤為有利。

雖然高頻 CPU 乍聽(tīng)起來(lái)很有吸引力，但它并不能反映性能的全貌。頻率表示 CPU 每秒完成的時(shí)鐘周期數(shù)量，而 IPC 則表示每個(gè)周期所完成的工作量。事實(shí)上，最高頻率很少會(huì)用到。例如，對(duì)于游戲和其他算力要求較高的工作負(fù)載來(lái)說(shuō)，并不會(huì)以最大頻率使用 CPU，大多數(shù)時(shí)間反而是以中檔頻率運(yùn)行。此時(shí)的能效更高，可以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間并降低設(shè)備溫度，而這兩者是提升整體用戶(hù)體驗(yàn)的重要指標(biāo)。

在相同的時(shí)間周期內(nèi)，具有更高 IPC 的 CPU 在處理實(shí)際應(yīng)用和復(fù)雜工作負(fù)載時(shí)會(huì)表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。即便是當(dāng)今具有復(fù)雜計(jì)算需求的 AI 應(yīng)用（例如聊天機(jī)器人、實(shí)時(shí)語(yǔ)言翻譯和虛擬助手），在 IPC 更高的 CPU 上運(yùn)行時(shí)也會(huì)表現(xiàn)得更加出色。此外，就能效而言，在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行更多的指令意味著可以更快地完成任務(wù)，使得 CPU 處于高能耗狀態(tài)的時(shí)間減少，從而節(jié)省電池電量。

卓越的架構(gòu)設(shè)計(jì)

在基于 Armv9 架構(gòu)的 CPU 設(shè)計(jì)中，可伸縮向量擴(kuò)展 (SVE2) 是提高 IPC 的關(guān)鍵所在。這一架構(gòu)特性采用新的專(zhuān)用向量指令，是加速智能手機(jī)關(guān)鍵工作負(fù)載和應(yīng)用的理想之選。

SVE2 可將 HDR 視頻解碼速度提高約 10%，這樣用戶(hù)在主流應(yīng)用上觀看點(diǎn)播視頻時(shí)，能獲得更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。此外，通過(guò)加速常用的圖像處理庫(kù)，SVE2 還增強(qiáng)了視頻通話(huà)期間用戶(hù)體驗(yàn)的流暢度，同時(shí)提高了畫(huà)面質(zhì)量。其中包括更好的攝像頭旋轉(zhuǎn)體驗(yàn)，以及圖像濾鏡的切換和使用體驗(yàn)。

不僅如此，SVE2 還不受向量長(zhǎng)度的影響，這意味著代碼開(kāi)發(fā)將支持更大的向量長(zhǎng)度，例如 256 位。由此可確保與移動(dòng)計(jì)算未來(lái)發(fā)展的兼容性，包括未來(lái)更注重邏輯擴(kuò)展，而非 RAM 的先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)端市場(chǎng)將因此能夠適應(yīng)更大的向量長(zhǎng)度，有利于游戲和 AI 模型中 SVE 代碼的呈現(xiàn)。

通過(guò)深入研究設(shè)計(jì)，IPC 性能可借助一系列特定的微架構(gòu)改進(jìn)得以提高。其中包括但不限于：

超標(biāo)量亂序執(zhí)行

分支預(yù)測(cè)和預(yù)取器

數(shù)據(jù)推測(cè)

適當(dāng)?shù)木彺孢x擇

Arm Cortex CPU 一直在逐年推進(jìn)各種類(lèi)似的微架構(gòu)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更高的性能水平。

面向移動(dòng)端的最新 Armv9 CPU

上述的架構(gòu)特性和微架構(gòu)提升是 Arm 面向移動(dòng)端市場(chǎng)的最新 Armv9 CPU 的核心所在。作為 MediaTek 天璣 9400（已被搭載于 vivo X200 系列等旗艦智能手機(jī)）的核心，Cortex-X925 對(duì)私有 L2 緩存進(jìn)行了升級(jí)，從 2MB 增加到 3MB。再加上 Cortex-X925 能夠更加快速、高效地預(yù)取數(shù)據(jù)和復(fù)雜指令，從而顯著增強(qiáng)了 CPU 的整體性能和能效。得益于此，Arm 計(jì)算平臺(tái)在 2024 年實(shí)現(xiàn)了驚人的兩位數(shù) IPC 性能提升。

如此一來(lái)，終端用戶(hù)能夠享受到一系列實(shí)際性能的提升，包括更快的應(yīng)用響應(yīng)速度、更好的游戲體驗(yàn)、更流暢的視頻流媒體傳輸、更快的網(wǎng)頁(yè)瀏覽和順暢的多任務(wù)處理。同時(shí)，更高的 IPC 也帶來(lái)了能效的提升，延長(zhǎng)了用戶(hù)的沉浸式體驗(yàn)。

與此同時(shí)，Cortex-A725 作為 CPU 工作負(fù)載的主力，也進(jìn)行了一系列針對(duì)性更新，著力于需要持續(xù)出色性能的關(guān)鍵 AI 和游戲用例。與 Cortex-A720 相比，Cortex-A725 的性能效率提升了 35%，能效提升了 25%。

在 Armv9.2 集群中，每個(gè) CPU 組件都能應(yīng)對(duì)廣泛的實(shí)際用例和復(fù)雜的工作負(fù)載。例如，Cortex-X925 可處理應(yīng)用啟動(dòng)和網(wǎng)頁(yè)瀏覽的“突發(fā)”工作負(fù)載，而 Cortex-A725 則可以在常見(jiàn)的移動(dòng)端用例（包括游戲、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、基于攝像頭的應(yīng)用和視頻流媒體）中持續(xù)提供穩(wěn)定性能，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間（即電量耗盡之前，用戶(hù)可在設(shè)備上使用某些用例的平均時(shí)間）。

打造無(wú)可比擬的移動(dòng)端體驗(yàn)

從根本上說(shuō)，移動(dòng)設(shè)備需要兼具性能與能效，而 IPC 的提升恰好能同時(shí)滿(mǎn)足這個(gè)需求。用戶(hù)因而能更長(zhǎng)時(shí)間體驗(yàn)各種需要高算力的應(yīng)用。最新的 Armv9 CPU 將卓越的 IPC 水平與高時(shí)鐘頻率相結(jié)合，將性能和能效提升到一個(gè)更高的水平，從而為最終用戶(hù)帶來(lái)更加出色的用戶(hù)體驗(yàn)。這也正是為什么全球 99% 的智能手機(jī)都基于 Arm 計(jì)算平臺(tái)打造的原因之一。