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35 % IPC-Plus: ARM bringt seine Cortex-Kerne auf Armv9

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armNach der grundsätzlichen Vorstellung des Armv9-Architektur und des Neoverse-N2-Designs für Server stellt ARM heute die ersten Cortex-Kerne vor, die auf Armv9 basieren. ARM sieht sich in der Lage, mehr und mehr des aktuellen Marktes mit eigenen Lösungen abdecken zu können. Ohne Zweifel ist dies bereits vor einigen Jahren im Smartphone- und Tablet-Markt gelungen, auch wenn der ein oder andere Hersteller hier weitere Anpassungen an den Kernen vornimmt. AArch64 oder ARM64 bildet die Basis fast aller aktuellen Ultramobile-Prozessoren.

Über die Neoverse-Designs hat ARM den Anwendungsbereich seiner Architekturen bereits erfolgreich ausgeweitet. Im Hinblick auf Armv9 fehlt nun noch das eben erwähnte Mobile-Segment. ARM strebt auch hier eine gesamtheitliche Lösung an. Neue CPU-Kerne, neue GPUs, ein neuer Interconnect und passend dazu hat man mit dem Cortex-M-, Ethos-U-, Cortex-R- und Ethos-N-Prozessoren weitere IP-Komponenten, um einen SoC nach den Wünschen des Kunden anzupassen. Hinzu kommt auch noch die Möglichkeit Drittanbieter-IP einzubinden.

Bei den heute vorgestellten neuen Kernen handelt es sich um die LITTLE-Cores Cortex-A510 als Nachfolger des Cortex-A55, den CortexA-710 als Nachfolger des Cortex-A78 und den Cortex-X2, der den Cortex-X1 in den Notebooks beerben soll.

Die neuen Cortex-Kerne basieren allesamt auf der Armv9-Architektur. Je nachdem wie die neuen Kerne im Vergleich zu den Vorgänger ausgelegt werden, kommt es zu unterschiedlichen Anhaben im IPC-Plus und der Effizienz. Diese Werte sind über die Cortex-Familie nicht gleichmäßig angesetzt.

SoCs mit den neuen Cortex-Kernen werden weiterhin in einem big.LITTLE-Design aufgebaut sein, auch wenn es möglich ist, ausschließlich eine bestimmte Art von Kernen zu verwenden. Der Cortex-A510 ist der Nachfolger des Cortex-A55 und soll bei gleicher Fertigung eine um 35 % höhere IPC-Leistung und eine um 20 % höhere Effizienz vorzuweisen haben. Beim Cortex-A510 handelt es sich in einem big.LITTLE-Design um den kleinen, effizienten Kern. Der Cortex-A710 ist das Gegenstück, also der big-Kern und Nachfolger des Cortex-A78. Er soll bei gleicher Fertigung eine um 10 % höhere IPC-Leistung zu bieten haben und ist um 30 % effizienter. Hier wird die Gewichtung deutlich, die ARM vorgenommen hat. Für die big-Kerne stand die Effizienz im Vordergrund, für die LITTLE-Kerne die höhere Leistung.

Gegenüberstellung der Cortex-A5X-Kerne

Cortex-A510 Cortex-A55
L1 32 kB 32 kB
L2 256 kB (shared für zwei Kerne) 128 kB
L3 8 MB 4 MB
Gegenüberstellung der Cortex-A7X-Kerne

Cortex-A710 Cortex-A78
L1 32 kB 32 kB
L2 512 kB 512 kB
L3 8 MB 4 MB
Gegenüberstellung der Cortex-X-Kerne

Cortex-X2 Cortex-X1
L1 64 kB 64 kB
L2 1 MB 1 MB
L3 8 MB 4 MB

On-Top gibt es mit dem Cortex-X2 auch den Nachfolger des Cortex-X1, der eine um 16 % höhere IPC-Leistung zu bieten haben soll. Als Spitzenleistungsplus gibt ARM einen Wert von +40 % im Vergleich zu Notebook-Prozessoren aus 2020 ab. Als Vergleich zieht man hier einen Intel i5-1135G7 heran. Konnten bisher maximal vier Cortex-X1 in einem Cluster untergebracht werden, sind es nun bis zu acht Cortex-X2. Der Takt eines Cortex-X2 soll bis zu 3,5 GHz erreichen können, während es beim Cortex-X1 maximal 3 GHz waren.

Dank der Unterstützung der SVE2-Befehlssatzerweiterungen sollen die neuen Designs vor allem in Machine-Learning-Anwendungen deutlich zulegen.

Als Armv9-Cluster führt ARM noch weitere Zahlen an. Mit einem Cortex-X2 als Single-Threaded-Booster, drei Cortex-A710 als big-Kernen und vier Cortex-A510 als LITLLE-Kerne sieht ARM eine um 30 % höhere Spitzenleistung, eine ebenfalls um 30 % höhere Dauerleistung und eine um 35 % höhere Effizienz.

Zusätzlich zu den Armv9-CPU-Kernen gibt es auch neue GPUs:

Die Mali-G310, Mali-G510 und Mali-G710 haben durchweg Leistungssteigerungen im zweistelligen Prozentbereich anzubieten und sollen bis zu 22 % an Leistungsaufnahme einsparen. Je nach Auslegung des Ausbaus ergeben sich für die Mali-Varianten unterschiedliche Angaben zu den einzelnen Punkten. Im Vergleich zu den Vorgängern bieten die neuen GPUs doppelt so viele Shadereinheiten pro Kern, worin ein Teil des Leistungsplus begründet ist. Die Mali-GPUs sind allerdings extrem flexibel und lassen sich durch den Nutzer der IP entsprechend anpassen – auch was die Anzahl der Shadereinheiten betrifft.

Leider nannte uns ARM keinerlei technischer Details zu den GPUs. Das Leistungsplus soll aber auch hier signifikant sein. Von einer doppelten Leistung geht ARM im Idealfall aus und erreicht dies unter anderem damit, dass bis zu doppelt so viele Shadereinheiten pro Kern vorhanden sind. 

Schnellere CPU- und ebenso schnelle GPU-Kerne einfach zusammenbringen – damit ist es aber nicht getan. der CoreLink CI-700 und CoreLink NI-700 bilden das Rückgrat des SoCs und beinhalten beispielsweise den 8 MB großen L3-Cache, der wiederum in Slices aufgeteilt ist. ARM will die Latenzen des Interconnects deutlich reduziert haben. Gleiches trifft auch auf die Leistungsaufnahme zu und das bei gleichzeitig höherer Datenübertragungsrate.

Durch die breit aufgestellten CPU-Kerne und GPU-IP sieht sich ARM in der Lage, einen ebenso breiten Markt an Hardware abdecken zu können. Dies reicht bei den Cortex-CPUs und Mali-GPUs vom ultraportablen Geräten wie einer VR-Brille, über (natürlich) die Smartphones, bis hin zu vollwertigen Notebooks, die in der Leistung der Konkurrenz mit AMD- und Intel-Prozesssor in nichts nachstehen sollen.

Armv9 wird, wie bereits mehrfach angeführt, aber auch bei den Servern eine entscheidende Rolle spielen. Während in diesem Segment bereits Ende 2021 die ersten Prozessoren auf Basis des Neoverse-N2-Designs vorgestellt werden sollen, wird es noch bis 2022 dauern, bis wir die ersten neuen Cortex- und Mali-Designs sehen werden. Die Fertigung der SoCs dürfte dann in 5 nm erfolgen.