CES 2013大展上，NVIDIA发布了全球首款四核A15架构移动处理器“Tegra 4”(代号Wayne)，伴随而来的是4G/LTE基带“Icera i500”。MWC 2013大会上，NVIDIA又带来了整合基带的“Tegra 4i”(代号Grey)，同样四核心，但架构上基于Cortex-A9，而所用基带正是Icera i500。

AnandTech近日撰文，深度解析了Tegra 4、Icera i500、Tegra 4i的硬件架构设计，还有部分性能数据。感兴趣的随我来。

【Tegra 4：A15架构细节、功耗控制】

NVIDIA其实是ARM指令集架构的授权拥有者，但这一次，Tegra 4使用的还是处理器授权，而不是NVIDIA自己设计的定制核心(就像高通Krait、苹果Swift那样的)，那要到“丹佛工程”上才能实现。

对于A15的架构情况，之前因为资料有限，我们了解得并不多，而得益于Tegra 4的白皮书等文档，终于可以一窥A15内部世界了。更深入的解析会有机会单独阐述，这里只从较高层面上看看。

A15的架构要比A9宽得多、深得多，整数流水线也从9级增加到了15级，但是分支预测同样改进显著，但愿能比弥补长流水线的缺憾。

A15的前端宽了50%，指令拾取带宽翻番，有利于提升指令级并行(ILP)，而为了充分利用三宽度发射，ARM大大增加了重排序缓冲(ROB)和所有相关数据结构的尺寸。A9可以在重排序缓冲内保留大约32-40个已解码指令，A15则能保留128个，仅此一点就足以反映两种架构的巨大差异：A9是基于A8的自然演化，A15则是一次全新的飞跃式革命。

执行核心方面，A15的规模仍然更大，执行端口、执行单元都要比A9的多，均有助于提升ILP、单线程性能，还采用了多重、独立的发射队列的方式，以保持高频率。每一个发射队列都可以接受最多三条指令，所有的发射队列都可以并行分发。

A15也可以执行乱序指令，但能力更强了。A9上所有的浮点/NEON指令都必须顺序执行，但在A15上可以乱序，但是它依然不能重排序所有内存操作：独立载入可以乱序执行，但是存储不能在载入之前完成。

A15还改用了集成式二级缓存结构，而不是A9上的独立IP块。A15的一级、二级缓存延迟基本没变，不过在一些情况下应该会比A9多上1-2个时钟周期。二级缓存TLB和其它数据结构明显增大，以满足整个架构的需要。

缓存容量上，一级还是32KB指令、32KB数据，但是二级增至2MB，并为所有核心共享(Tegra 4的第五个节能核心还有自己的512KB二级缓存)，任何核心只要允许都可以单独占用全部2MB二级缓存。

A15是目前唯一可以在性能上超越当今流行A9核心的ARM架构，不过性能也不菲。根据三星最新公布的数据，A15可以提供最多3倍于A9的性能，但核心面积要达到4倍，功耗则要付出6倍。面积还好说，功耗就是大麻烦了。

而为了让大家对新架构的功耗放心，NVIDIA给出了这么一张图：

更多执行资源以提升ILP、更多的乱序利用、更好地内存子系统以提升内存级并行(MLP)、更智能的分支预测、平衡的移动应用功耗……这些都是说A15架构的功耗控制特性的，而下方两行展示了Tegra 3、Tegra 4的功耗对比。

NVIDIA宣称，SPECint2000测试(可充分压榨CPU资源)中Tegra 4/3的单线程整数成绩是相同的，但是Tegra 4的功耗要低40%，再用性能除以功耗，Tegra 4在能效方面要胜出75%。

不过这样的对比并不太公平，因为此时Tegra 3的频率是最高的1.6GHz，Tegra 4则只有825MHz，电压和功耗自然都低得多。Tegra 4如果全速运行，功耗自然要高得多，虽然性能也会上去，但恐怕能效方面不会太好看。

但这也可能成为Tegra 4用于移动设备时的一种政策：刻意限制频率以控制功耗。而之所以选择825MHz，因为它也是第五个节能专用核心的最高频率，一般时候应该是700-800MHz。

顺便说一句，Tegra 4里的四个主力核心都使用相同的电压和频率层，只是每个核心都可以通过电源栅极单独开关，这和Intel的设计方式差不多，但不如高通每个核心的电压和频率层都是单独的。

说起频率，Tegra 4四个主力核心最高都可达1.9GHz，而如果使用少量核心，可以加速到更高速度，具体如何还得看设备厂商的选择。

【Tegra 4i：A9 r4p1架构最新版】

除了不同架构之间的进化，ARM每一个架构也都有不同的版本，比如说同样是A9，Tegra 2使用的是r1p1，Tegra 3里边是r2p9，Tegra 4i又换成了最新的r4p1。

A9 r4p1架构的GHB、二级缓存TLB、BTAC都增大了三倍，赶上了A15的水平，分别有16K、512、4096，这可以改进分支预测精确度，进一步提升IPC。

数据预取引擎也增强了，包括一个小的一级缓存预取器、单独的缓存预载指令硬件。

NVIDIA宣称，A9 r4p1相比于r2p9可以在SPECint_base测试中获得15%的成绩提升，仅仅是架构微调就获得如此好的整数性能改进着实惊人，当然真实情况如何还不太好说。不管怎样，配合2.3GHz的最高频率，Tegra 4i CPU性能会比Tegra 3好不少。

根据数据，Tegra 5里每个CPU核心的面积为2.7平方毫米，稍大于高通Krait 800，Tegra 4i则仅为1.15平方毫米。单论最大性能，Tegra 4在三者之中最为突出(高通肯定不服)，而在性能频率比、性能面积比上，Tegra 4、Tegra 4i分别是最好的。