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Cortex-A77: ARM-Kern hat 20 Prozent mehr Leistung pro Takt

Mit dem Cortex-A77 hat ARM einen CPU-Kern für das 7-nm-Verfahren entwickelt, der teils ein Drittel flotter ist als der Cortex-A76. Ein Fünftel davon macht die IPC aus, denn der Kern wurde deutlich breiter als bisher.

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Blockdiagramm des Cortex-A77
Blockdiagramm des Cortex-A77 (Bild: ARM)

Während 2019 für AMD und Intel das Jahr der neuen CPU-Architekturen ist, hat ARM mit dem Cortex-A77 ein Design entworfen, was auf dem Cortex-A76 genannten Vorgänger basiert. Ungeachtet dessen oder - besser gesagt - gerade deswegen konnte der britische Entwickler die Leistung pro Takt (IPC) laut eigener Aussage signifikant steigern, hinzu kommen Geschwindigkeitszuwächse durch die aktuelle 7-nm-EUV-Fertigung.

Inhalt:
  1. Cortex-A77: ARM-Kern hat 20 Prozent mehr Leistung pro Takt
  2. Erstmals ein µOp-Cache

Intern wird der Cortex-A77 als Deimos bezeichnet, einer von zwei Begleitern des Kriegsgottes Ares in der griechischen Mythologie. Der neue CPU-Kern entstand wie sein Vorgänger bei ARMs Design-Team im texanischen Austin, der Cortex-A73 und der Cortex-A75 hingegen wurden im französischen Sophia entworfen. Ein weiteres Team sitzt im britischen Cambridge, von dort kommen der Cortex-A53 und der Cortex-A55, also die Little-Cores. Künftig soll auch in Chandler im US-Bundesstaat Arizona eine Gruppe an Designs arbeiten.

  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
  • Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)
Präsentation zum Cortex-A77 (Bild: ARM)

Mit dem Cortex-A76 hatte das Austin-Team eine neue Basis geschaffen, der CPU-Kern war ARMs eigenen Messungen zufolge rund 35 Prozent schneller als der Cortex-A75; allerdings mit 7-nm- statt 10-nm-Technik und daher 3 GHz statt 2,8 GHz. Für den Cortex-A77 nennt ARM ein Leistungsplus von 20 Prozent bei demselben Herstellungsverfahren und identischer Frequenz. Die Eckdaten bleiben gleich: Auch der Deimos-Kern hat wieder 64 KByte L1-Instruktionen- und 64 KByte L1-Daten-Cache, der L2-Pufffer fasst 256 KByte oder 512 KByte und der L3-Cache kann je nach Implementierung von 512 KByte bis 4 MByte aufnehmen. Hier entscheidet der Partner, welche Performance pro mm² gewollt ist. Generell soll ein der Cortex-A77 inklusive L2-Cache rund 17 Prozent größer sein als der Cortex-A76.

ARM sieht den Cortex-A77 dabei erneut als Quadcore-Block im Verbund mit vier Cortex-A55, weil ein Octacore noch immer den Sweet Spot bilden würden. Stattdessen erwarten die Briten eher Umsetzungen wie den Prime-Core bei Qualcomm, denn deren Kryo 485 im Snapdragon 855 ist ein modifizierter Cortex-A76. Anders als die drei Gold-Kerne mit 2,42 GHz und 256 KByte L2-Cache taktet der Prime-Core mit bis zu 2,8 GHz und hat 512 KByte Puffer. Er wird vor allem zum Laden von Apps oder Webseiten verwendet. Für Varianten des Cortex-A77 erwartet ARM ähnliche Frequenzen, deutlich über 3 GHz dürften daher höchst selten sein und wenn, dann nur als sehr kurzer Boost-Takt.

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Zusammengefasst hat ARM beim Cortex-A77 verglichen zum Cortex-A76 das Frontend unter anderem für mehr Bandbreite überarbeitet und einen L0-Puffer für bereits dekodierte Instruktionen integriert, der Hersteller nennt dies Mop-Cache. Im Backend wurden zwei weitere Funktionseinheiten hinzugefügt, die von einem breiteren Dispatcher mit Daten beliefert werden. So will ARM die Leistung pro Takt um 20 Prozent gesteigert haben und vergleicht die IPC des Cortex-A77 mit der eines Coffee-Lake-Designs von Intel. Deren aktuelle Implementierung für Ultrabooks mit 5 Watt heißt Amber Lake Y und schafft für wenige Sekunden bis zu 4,2 GHz - der Basistakt liegt allerdings bei nur 1,5 GHz.

Im Frontend hat ARM die Sprungvorhersage (Branch Prediction) so überarbeitet, dass sie mit 64 Bytes pro Takt doppelt so viele Daten erhalten kann. Zudem soll sie genauer geworden sein, was L1-Cache-Misses reduziert. Die kosten ansonsten unnötig Zeit und Energie, weshalb alle modernen Achitekturen mit solch einer spekulativen Ausführung arbeiten. Für Seitenkanal-Angriffe soll das Cortex-A77-Design allerdings nicht anfällig sein. Passend zur Sprungvorhersage fasst der Main-BTB (Branch Target Buffer) nun 8.000 Einträge und somit ein Drittel mehr als beim Cortex-A76.

Erstmals ein µOp-Cache 
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