硬体控看过来，带你了解iPhone处理器为何这么强大？ (Part3)

    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。   Follow 我们的Page，每天追踪科技新闻！ 想看更多英文版文章吗？ 点我进去～