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2025年Arm最新處理器架構介紹——全新C1系列

2025-10-17

2025年9月，Arm發布了其最新的處理器架構。今年，Arm拋棄了原有的X系列和A系列命名規則，采用了新的的命名規則，叫C1系列，包括了C1-Ultra、C1-Premium、C1-Pro、C1-Nano等產品。名稱上感覺更像手機的命名系列，并且微架構新全新升級到了Armv9.3-A。此外，今年的GPU的新架構叫做GPU Mali G1。除了微架構的名稱變化，Arm還為每個目標市場都創建了完整的品牌名稱：Neoverse 用于服務器Zena 用于汽車Lumex 用于移動設備Niva 用于個人電腦Orbis 用于物聯網值得一提是有一個新的PC品牌Niva，推測對Windows有更好的支持。除了Qualcomm's Snapdragon X 系列處理器，我們有望看到更多的Arm處理器運行Windows系統。今年用于手機處理器的C1系列和G1系列則屬于Lumex套件，全稱叫做Arm Lumex CSS Platform。那么Lumex里面都包含什么？根據Arm的資料，Lunux包含CPU、GPU、System等IP設計，還包含了3nm等工藝節點的物理實現，以及一些生態的支持，例如Pre-silicon的平臺指導、安卓16支持、SME2的應用等等，可以幫助芯片廠商更快的完成芯片設計。Arm期望通過CSS套件將這些IP以套裝打包起來售賣以提升產品競爭力，提升整體性價比，提升對客戶的吸引力，從而提升Arm的銷售額。打個比方，這就類似麥當勞更喜歡賣套餐，而不是單賣漢堡。我們用一個表格，直觀的展示這5年來Arm微架構演進迭代的情況。上面這張圖包含了今年新C1架構的核心參數指標參數的變化，后面我們會看具體的變化。首先看一下C-Ultra相比上一代X925的性能提升。C1-Ultra的IPC性能，從Arm給出的數據看，比上一代的X925要提升12左右，前期有預測過C1-Ultra可能會采用12路decoder設計，現在看來應該沒有用12路這么激進，不然性能應該能有20以上的提升。圖中下面2024年的安卓旗艦競品，應該是指用了X4核心的處理器8Gen3處理器。在前端設計上，C1-Ultra和上一代X925的核心參數decoder寬度，ALU數量，FPU數量等基本相同。C1-Ultra主要優化是提升分支預測性能，增加記錄預測歷史的空間，從而提升分支預測的準確性，對性能和功耗都有幫助。此外，一個明顯的變化是，L1指令緩存的帶寬提升了33，以實現更快的指令獲取速度。在后端設計上，C1-Ultra的L1數據緩存容量從64KB提升到128KB，這個大小要超出高通Oryon的96KB，可惜L1指令緩存還是大小還是64KB，不如Oryon的192KB。這也是多年來Arm第一次在旗艦核心上增加L1緩存的容量。性能和功耗指標上，C1-Ultra比X925，峰值性能提升了25，同性能下功耗則降低了28，在工藝沒有變化，都是3nm的情況下，性能的提升主要通過優化微架構和提升頻率。至于功耗，需要注意C1-Ultra的極限功耗是增加的，但是得益于微架構的優化和緩存的提升，原來X925極限性能的高能效區間在這一代同性能頻率可以跑的更低。在C1-Ultra的使用上，建議多使用這段高能效的區間，以達到最經濟的能效使用。下面用一個表格總結了Arm旗艦核心在過去六年里的發展變化：在這幾年中，變化最大的演進是2023年的Cortex-X4，其decoder寬度從6路提升到10路，ALU也從6個增加到8個，性能提升明顯，典型處理器代表是MTK的天璣9300和高通的驍龍8Gen3處理器。再來看一下C1-Premium，面積比C1-Ultra減少35，主要是減少了矢量單元和L2緩存，并優化了物理實現。如果說是減少了FPU，推測其性能和X4的差不多。今年的天璣9500信息提到了一顆Travis和三顆Alto，應該是一顆超大C1-Ultra加三顆C-Premium來實現。C1-Pro是高性能大核心，相比上一代游戲性能提升了16，正統A725的繼承者。A725的能效相當不錯，也期待C1-Pro在今年處理器的表現，天璣9500剩余的4顆Gales，應該是C1-Pro。 C1-Nano是功耗核心，A520的下一代，功耗降低26，性能稍弱，應該還是三路decoder的非亂序執行，在高端處理器中已經見不到身影，主要用于中低端處理器，可以做小芯片面積。C1-Pro在前端設計上重點優化了分支預測的吞吐率和準確性，L1指令的TLB容量提升了50，并且降低了分支預期的功耗。C1-Pro在后端上提升了數據L1緩存的帶寬，優化L2的TLB延遲，新增了間接預期器，提升預取的性能和減少L3到SLC和內存的數據擁塞。性能功耗上，C1-Pro相比A725，峰值功耗差異不大的情況下，性能提升了11，相同性能下功耗則降低了26。A725已經是一顆能效優秀的大核心處理器，從這個數據看非常期待C1-Pro的市場表現。下面我們來看一下C1-Nano核心，這也是一顆Armv9.3-A架構的處理器。Arm宣稱C1-Nano相比A520提升了26的效能，并有效減少L3到內存的擁塞。性能上，在不到2的核心面積增加下（小核心很在意核心面積），性能可以提升5.5。還通過解耦預測和取指流水線，提升了指令預取的性能。DSU是連接多個處理器核心的關鍵模塊，這一代的新DSU命名為C1-DSU。這一代的C1-DSU，Arm宣稱功耗可以節省11，Quick Nap內存（L3支持的功能）功耗可以降低7。新一代的C1-DSU相比DS120，調整了CPU連接的拓撲結構，提供優秀的AI能力支持，支持新的SME2擴展指令集，并且在不影響性能的情況下降低了功耗和面積。C1-DSU還更新了L3的Quick Nap支持。Quick Nap是系統在進入低功耗狀態前，L3緩存會標記高頻率訪問的數據（如進程上下文），在喚醒時通過硬件級數據預取功能（如SME2），直接從L3恢復關鍵數據，降低系統延遲。C1-DSU通過把L3緩存進行切片，只需喚醒需要數據所在的區片，進一步降低了系統延遲和功耗。下面是一個L3 Quick Nap和傳統深度休眠的數據對比：和上一代一樣，C1-DSU最多可以支持14個處理器核心的組合，并且可以實現不同C1處理器的組合，除了最初級的2核心配置，其余都可以支持SME2。2025年新Arm架構的一個特征就是采用了新的Armv9.3-A指令集，并且支持SME2擴展指令集，我們來看一下SME2的特點。SME（Scalable Matrix Extension，可擴展矩陣擴展）是Armv9架構引入的指令集，雖然SME指令集在2021年就提出了，但是Arm的Cortex-X系列處理器從X925才開始支持第一代的SME指令集，蘋果公司的M4處理器和今年的A19處理器也支持第一代的SME指令集，最新的高通的8 Elite 2處理器也可以支持SME指令集。今年的Arm C1系列則全面升級到了SME2指令集。SME2是第二代SME指令集，Arm宣稱其專為加速AI/ML工作負載設計，通過矩陣運算優化提升能效比。相比SME，SME2引入了多矢量指令和動態去量化等技術，可以顯著提升矩陣運算效率。SME2采用可變長度寄存器架構（128-2048位），支持流式SVE模式和高吞吐量矩陣數據處理。在性能表現上，Arm宣稱SME2對性能上有顯著幫助，例如在AI任務中，SME2可使CPU集群的AI性能提升5倍，同時實現了3倍的能效提升。由于AI類計算需要調用非常多的矩陣計算，因此SME2在AI類應用中尤為有效。在開發上，SME2對開發者也會非常友好，Arm宣稱，很多應用程序開發都集成了Arm的開發套件KleidAI來輔助執行AI處理，在這種情況下，用戶只要講KleidiAI更新到支持SME2的版本即可。另外。多數情況，用戶只需要修改少量代碼，即可實現兼容，同時也支持C語言用內聯函數intrinsics預言開發。在應用場景上，SME2可以廣泛應用在端側AI，大模型推理，智能助手，計算機視覺等場景。總結如果不想看前面的文章，可以快速跳轉到這一部分。這次的總結部分用簡潔整理，讓大家可以快速了解今年Arm的處理器升級點。 2025年Arm處理器采用新的架構命名體系，CPU新架構叫做C1系列，GPU新架構叫做G1，手機處理器平臺套件叫做Lumex。CPU家族包含C1-Ultra、C1-Premium、C1-Pro、C1-Nano四款產品。C1-Ultra對標原來的Cortex-X系列，峰值性能提升25，IPC性能提升12，同性能下功耗降低28。C1-Premium是新出的次旗艦核心，面積比C1-Ultra小35，性能參考Cortex-X4。C1-Pro是A725的升級，峰值功耗差異不大的情況下，性能提升了11，相同性能下功耗則降低了26。C1-Nano是A520的升級，相比A520提升了26的效能。C1-DSU是DSU120的升級，功耗可以節省11，提供優秀的AI能力支持，支持新的SME2擴展指令集。C1家族全新支持SME2擴展指令集，全面面向AI矩陣運算優化性能和功耗，在AI任務中，SME2可使CPU集群的AI性能提升5倍，同時實現了3倍的能效提升。雖然2025年Arm的發布會姍姍來遲，但是一口氣發布的這么多款產品也是可圈可點的，整體也有比較明顯的提升，讓我們期待今年搭載最新Arm C1家族處理器的旗艦芯片的體驗！本文轉自OPPO內核工匠公眾號

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