汽车SoC之16-32核心的CPU架构设计

汽车SoC尤其是针对自动驾驶的，更强调多核性能，手机领域则强调单核性能，所以手机领域ARM特别推出了特大核Cortex-X系列，且频率越来越高，下一代的Cortex-X4据说频率接近4GHz，可以说已基本走到了尽头无法再前进了，只能靠提高频率来提高性能了。

汽车领域则核心数量越来越多，高通的SA8540P、安霸的V3都是16个核心，V3是16个Cortex-A78，而特斯拉的二代FSD是20个Cortex-A72，英伟达的下一代Thor可能是32核心。座舱领域也有这个趋势，例如芯驰的产品X9U，使用了14个Cortex-A55核心，地平线的下一代J6也很有可能使用16个Cortex-A55核心。比较在意成本的厂家一般还是选择Cortex-A系列，比较重视性能的则采用ARM的Neoverse系列，这个系列就是针对服务器开发的，特别适合多核系统，这一代如华为的MDC系列SoC就是采用了ARM Neoverse的N1内核，英伟达的下一代Thor则是采用了ARM Neoverse的V2内核，Waymo和Cruise也很有可能采用了ARM Neoverse的N2内核。

ARM服务器芯片最早可追溯到2013年，华为在2013年开始用ARM架构与指令集设计服务器芯片，2015年基于Cortex-A57推出第一款ARM服务器芯片Hi1610。2019年推出鲲鹏920，也就是Hi1620，MDC的车载SoC实际就是ARM服务器CPU（即鲲鹏系列）加达芬奇AI加速器（即昇腾系列）。

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ARM Neoverse分V、N和E三个系列，V系列强调性能，E系列强调效率，N系列是性能与效率的平衡，E系列实际就是手机领域的小核心。

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原本计划2022年推出的Poseidon即波塞冬推迟到了今年下半年或明年，而E2平台就是目前旗舰手机常用的A510核心。

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所谓“传统”就是指x86服务器，ARM服务器芯片典型代表有阿里的倚天710、亚马逊的Graviton3，倚天710使用了N2内核，亚马逊使用了V1内核。

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除了服务器，还有很多DPU使用了ARM的N2内核，典型代表如上图中Marvell的Octeon，采用了8-36个N2核心，均采用5纳米工艺。

V1平台简介。图片来源：ARM

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和手机领域的旗舰架构X3比，V1显然要更强，ARM为自己留下了充足的挤牙膏空间，X3仅有6路解码，V1则是5-8路可选，解码器宽度是衡量CPU性能最关键的参数，没有之一。解码器宽度即IPC（每周期执行指令数），解码器宽度8，简单地说就是一个周期能执行8条指令，而X3是6条，英伟达Orin和安霸V3用的Cortex-A78解码器宽度是4，单这一点上，V1的性能就是其两倍。顺便说下，苹果M1的Firestorm核心是8路，所以苹果的单核性能一直吊打安卓的ARM。

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除了IPC宽度，其次就是L1/L2缓存大小，因为指令是从缓存中取得的，L1缓存有分为L1i和L1d，分别用来存储指令和数据。L2缓存是不区分指令和数据的。L3缓存多个核心共用一个，通常也不区分指令和数据。还有一种缓存叫TLB，主要用来缓存MMU使用的页表，通常我们讲缓存（Cache)的时候是不算它的。L1/L2缓存通常都是最快的SRAM，L3则可以用Chiplet的形式外接HBM或DDR5。当然缓存越大，Die Size就越大，成本就越高。

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苹果的优势非常明显，实际上这主要是台积电的功劳，为了照顾大客户，台积电的工艺特别配合苹果的设计，能够放下超大容量4MB的L2缓存但又不特别占面积，成本不至于高出ARM太多，所以苹果离不开台积电，一旦台积电不供应苹果芯片，苹果5年内都不可能把订单转移到三星，打击台积电可以轻易击倒苹果。性能上，V1/V2系列比X1/X3要高出许多。

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V2相对V1系列，主要就是把L2缓存提高到2MB，V1是基于Armv8.4-A指令集，V2是基于Armv9.0-A指令集，针对矢量计算和机器学习，V2将SVE升级到SVE2代，4个128比特宽度，一次可执行64个Int8指令。CPU基本可以等同于DSP做机器学习计算。对应数据格式增加了BF16。

编辑：黄飞