ARM Cortex-A

ARM Cortex-A est une famille de processeurs RISC 32 bits et 64 bits d'architecture ARM, développée par ARM Ltd qui met en œuvre le jeu d'instructions ARMv7-A (le A est pour Cortex-A). Elle est destinée au marché des smartphones et tablettes tactiles et apparaît sur les premiers téléphones avec le modèle Cortex-A8 au cours du premier semestre 2009. Elle succède aux processeurs ARM11 (en) (jeu d'instructions ARMv6) et précède la famille Cortex-A50 (jeu d'instructions ARMv8).

Chip ARM Exynos sur Samsung Nexus S.

En parallèle, la société ARM a également développé la famille Cortex-R (ARMv7-R) dédiée au temps-réel et la famille Cortex-M (ARMv7-M) dédiée à l'embarqué.

Processeurs de la famille

La famille est composée de processeur basés sur l'architecture ARMv7-A, 32 bits.

1^re génération

Cette génération est uniquement composée du Cortex-A8, existant en 8 révisions, qui remplace l'ARM11 (en), et introduit :

• l'advanced SIMD (ou NEON), évolution du SIMD des ARMv6
• Le VFPv3 en version allégée, ayant une plus faible puissance de calcul, appelé VFPlite (environ dix fois plus lent que le VFPv3 de la deuxième génération), est utilisé.
• Une version plus évoluée de Thumb-2
• ThumbEE (également appelé Jazelle RTC).

2^e génération

La seconde génération ajoute la possibilité de coupler plusieurs cœurs, au sein d'un même SoC, d'où l'ajout du terme MPCore (abréviation en anglais de « Multi Processor Core », littéralement, processeur multi-cœur), dans l’appellation. Pour chacun des modèles, il est possible d'associer quatre cœurs. L'implémentation de l'unité de calcul vectoriel flottant VFP3 n'est plus en version allégée.

• Cortex-A5 MPCore, version très basse consommation.
• Cortex-A9 MPCore, évolution plus puissante du Cortex-A8.

3^e génération

La troisième génération ajoute :

• un adressage étendu sur 40 bits avec LPAE (permet de gérer jusqu'à 1 Tio)
• La virtualisation matérielle
• L'architecture big.LITTLE permettant de faire fonctionner un processeur de très faible consommation la majorité du temps et d'utiliser un ou plusieurs cœurs plus puissant, mais consommant plus, lorsque les applications le demandent.
• Le remplacement de l'unité de calcul flottant vectoriel VFPv3 par le VFPv4, compatible avec VFPv3.

Les trois processeurs de cette série, sont :

• Cortex-A7 MPCore, version très basse consommation, équivalent du Cortex-A5 dans cette génération premiers modèles sortis début 2013.
• Cortex-A15 MPCore, version plus puissante, équivalent du Cortex-A9 dans cette génération, le premier modèle est sorti fin 2012.
• Cortex-A12, version intermédiaire, initialement prévue pour la deuxième moitié de 2013, il verra des améliorations tellement importantes avant la sortie du premier modèle qu'il sera rebaptisé Cortex-A17.
• Cortex-A17, version améliorée du Cortex A12, plus efficace au niveau énergétique, et plus performant, présenté en février 2014 par ARM.

big.LITTLE

Le mode big.LITTLE permet de combiner un ou plusieurs Cortex-A7, de très faible consommation avec un ou plusieurs Cortex-A15 de consommation plus importante mais également plus puissant. Il est également possible de coupler les Cortex-A7 avec les Cortex-A17, de consommation et puissance intermédiaire. Un ou plusieurs des cœurs Cortex-A7 peuvent travailler lorsque la charge est faible, tandis-que les A15 ou A17 prendront le relais (mode IKS – In Kernel Switcher, signifiant en anglais « Commutation dans le noyau ») ou s'y ajouteront (mode GTS – Global Task Scheduling, signifiant « ordonnancement globale des tâches ») lorsque l'utilisation le nécessitera. Cela permet d'économiser de l'énergie dans la majorité des cas, tout en conservant de bonnes performances, lorsque cela est nécessaire.

Famille suivante

La 4^e génération, nommée Cortex-A50 utilise l'architecture ARMv8, supportant pleinement le 64 bit (support des registres 64 bits) avec le modèle AArch64, l'architecture big.LITTLE est améliorée, supportant jusqu'à 16 cœurs. Le FP et le SMID sont également améliorés avec, notamment, l'augmentation du jeu d'instructions. Les patchs pour le noyau linux ont été soumis dès le 6 juillet 2012. Linaro sort une première image système le 25 octobre 2012.

• Cortex-A53 (ARMv8, 64/32 bits), version très basse consommation, prévus pour 2014. Il a la même puissance de calcul que le Cortex-A9, avec une consommation électrique très inférieure. Les premiers modèles de produits finis sont prévus pour 2014.
• Cortex-A57 (ARMv8, 64/32 bits), version plus puissante, prévus pour 2014

Historique

Le Cortex-A8 est le premier processeur de la série et est le successeur des processeurs ARM11 (en). Par rapport à son prédécesseur, il apporte notamment le jeu d'instructions ARMv7-A (à la place de l'ARMv6) et une amélioration des caches. Il est utilisé sur des téléphones comme l'iPhone 3GS ou le Palm Pre à partir du premier semestre 2009.

Le Cortex-A9 est le remplaçant du Cortex-A8. Il apporte notamment l'exécution out-of-order des instructions et le support des architectures multi-cœur. Il est utilisé sur des téléphones comme le Galaxy S II ou des tablettes tactiles comme l'iPad 2 ou l'Asus Eee Pad Transformer à partir du premier semestre 2011.

Le Cortex-A5 est un processeur basse consommation à bas coût destiné aux smartphones d'entrée de gamme. Il doit permettre de remplacer les processeurs ARM11 encore utilisés pour l'entrée de gamme par les fabricants et ainsi faire disparaître le jeu d'instructions ARMv6 au seul profit de l'ARMv7. Qualcomm l'utilise depuis fin 2011 pour ses puces d'entrée de gamme (intégrées dans des téléphones comme l'HTC Explorer (en)).

Les processeurs Cortex-A7 et Cortex-A15 ont été développés en parallèle pour remplacer le Cortex-A9. Le Cortex-A15 est le plus puissant des deux. Ils possèdent la même micro-architecture et sont donc 100 % compatibles. Ils peuvent gérer jusqu'à 1 To de RAM (Adresses physiques sur 40 bits) et supportent la virtualisation assistée par le matériel. Le Cortex-A7 est présenté par ARM comme consommant 5 fois moins d’énergie, étant 5 fois plus petit et 50 % plus puissant qu'un Cortex-A8. Le Cortex-A15 est lui présenté comme étant 40 % plus puissant qu'un Cortex-A9 à fréquence équivalente. Lorsque les deux processeurs sont intégrés sur une même puce, le processeur Cortex-A7 peut être utilisé pour les tâches nécessitant peu de ressources et ainsi réduire la consommation. Cette technique est appelée Big.LITTLE par ARM et est comparable à la solution du cœur compagnon intégré dans les puces Tegra 3. Le premier appareil à utiliser un processeur Cortex-A15 (Exynos 5 double-cœur) est le Chromebook Samsung XE303C12 sorti en octobre 2012. Le premier périphérique utilisant la technologie big.LITTLE est le Samsung Galaxy S4, dans sa version internationale, utilisant le processeur Exynos 5 Octa, composé de 4 Cortex-A7 et 4 Cortex-A15.

Le 3 juin 2013, ARM a annoncé le processeur Cortex-A12. Il est destiné au marché des smartphones milieu de gamme et est annoncé comme étant 40 % plus puissant que le Cortex-A9 pour une consommation équivalente. Ils sont finalement abandonnés au profit du processeur ARM Cortex-A17 qui offre plus de puissance tout en consommant moins d'énergie. Le premier processeur à l'utiliser le Rockchip RK3288, annoncé le 10 janvier 2014 au CES, avec des commerciaux débordés, les visiteurs pensant qu'il s'agissait d'un Cortex-A12, déjà annoncé par ARM, contrairement au Cortex-A17, qui ne fut annoncé que quelques semaines après, et dont les premiers appareils sortent équipés sortent durant l'été 2014. Ce SoC se trouve dès sa sortie dans le peloton de tête des plus véloces des SoC à base de processeurs ARM, avec des scores supérieur à certains octo-cores A15 + A7. Il est suivi par le Mediatek MT6595 utilisant la technologie big.LITTLE en couplant pour la première fois, 4 cœurs Cortex-A17 et 4 cœurs Cortex-A7 annoncé en février 2014.

La famille des processeurs ARM Cortex-A est suivie par la famille ARM Cortex-A50. Les deux premiers processeurs de cette famille, le Cortex-A53 et le Cortex-A57 prennent respectivement la succession du Cortex-A7 et du Cortex-A15. Ces processeurs sont 64 bits et utilisent le jeu d'instructions ARMv8.

Implémentations

La société ARM ne conçoit pas de SoC. Elle vend des licences de son jeu d'instructions et du design de ses processeurs.

L'émulateur QEMU permet d’émuler les processeurs cortex-A8, cortex-A9 et cortex-A15.

Les principaux concepteurs de puces intégrant un ou plusieurs cœurs ARM Cortex-A sont AllWinner Technology, AMLogic, Apple, Freescale, Nvidia, Samsung, HiSilicon, Rockchip, ST-Ericsson et Texas Instruments. Ils ont chacun développé leur propre famille de puce ARM :

Note : L'Apple A6 n'est pas dans la table, car il utilise un processeur hybride, utilisant la base du processeur Cortex-A9, avec quelques fonctionnalités du Cortex-A15.

	AllWinner	Altera	AMLogic	Apple	Freescale	HiSilicon	LG	MediaTek	Nvidia	Qualcomm	Rockchip	Samsung	ST-Ericsson	Texas Instruments	VIA
Cortex-A5			S805							MSM7625A, MSM7627A, MSM7225A, MSM7225AB, MSM7227A, MSM8225, MSM8225Q, MSM8625, MSM8625Q
Cortex-A7	A2X et A3X				i.MX7x, LS1020, LS1021 (QorIQ)			MT6517, MT6572, MT6589, MT6592		8026, 8210, 8212, 8226, 8228 8610, 8612, 8626, 8628, 8926, 8928					WM8860
Cortex-A8	A10 et A13			A4	i.MX5x						RK2918	Exynos 3		OMAP3
Cortex-A9		Arria V, Arria 10, Cyclone V	AML7366-M et AML8726-(M, M3L, M6, MX), S802, S812	A5	i.MX6x	K3V2		MT6575, MT6577	Tegra 2, Tegra 3 et Tegra 4i		RK3066, RK3188, RK3168, PX2	Exynos 4	Nova U8500	OMAP4	WM8880, WM8950, WM8980
Cortex-A15									Tegra 4, Tegra K1			Exynos 5 Dual, Quad	Nova A9600	OMAP5
Cortex-A17											RK3288
big.LITTLE A7 + A15	A6X, A80					K3V3	LG Nuclun (LG7111)	MT8135				Exynos 5 Octa
big.LITTLE A7 + A17								MT6595
Cortex-A53	H64, 9X		S905		i.MX8x			MT6732, MT6752, MT6795			MayBach
Cortex-A57	9X				i.MX8x

Les fonderies fabriquant les puces ARM développées par ces entreprises sont GlobalFoundries, Samsung, TSMC et UMC.

Processeurs dérivés

Plusieurs entreprises ont développé leurs propres processeurs utilisant le jeu d'instructions ARMv7 : Apple, Marvell et Qualcomm.

Qualcomm est l'un des principaux concepteurs de puces ARM pour smartphone avec sa gamme Snapdragon. Les premières puces étaient basées sur le processeur ARM11. Pour son entrée de gamme, la société commercialise, depuis le dernier trimestre 2011, des puces à base de Cortex-A5. Mais pour son milieu et son haut de gamme, elle ne licencie pas le design réalisé par ARM, contrairement aux autres fabricants. Elle met en œuvre par elle-même le jeu d'instructions ARMv7-A avec les cœurs Snapdragon Scorpion et Krait. Au niveau des performances, le cœur Scorpion se situe entre le Cortex-A8 et le cortex-A9 et le cœur Krait entre le Cortex-A9 et le Cortex-A15. Le 7 janvier 2013, Qualcomm a présenté deux versions améliorées de son architecture Krait : le Krait 300 et le Krait 400.

Marvell a développé plusieurs cœurs utilisant le jeu d’instructions ARMv7 : Le cœur « Sheeva PJ4 » présent dans les processeurs des séries Armada 500 et 600 et le cœur « Sheeva PJ4b » présent dans le processeur Armada 1500.

Note : Marvell est revenu aux cœurs ARM Cortex sous licence pour ses nouveaux chips.

En septembre 2012, Apple a présenté l'iPhone 5 basé sur la puce A6. C'est le premier SoC d'Apple à utiliser un processeur nommé « Swift », développé par P.A. Semi et Intrinsity (en) et fabriqué par Samsung. Il utilise le jeu d'instructions ARMv7S et offre des performances proches du cœur « Krait » de Qualcomm.

Tableau de comparaison

Note : Les processeurs ARM11, Scorpion et Krait sont présents dans la liste à titre de comparaison.

	ARM11	ARM Cortex-A5	ARM Cortex-A7	ARM Cortex-A8	Qualcomm Scorpion	ARM Cortex-A9	ARM Cortex-A12	Qualcomm Krait	ARM Cortex-A15
Instructions par cycle	1	1	2	2	2	2	2	3	3
Profondeur du pipeline	8	8	8	13	10	8	11	11	15
exécution out-of-order	Non	Non	Non	Non	Partiel	Oui	Oui	Oui	Oui
Finesse de gravure	90/45 nm	45/40 nm	40/28 nm	65/45 nm	65/45 nm	45/32 nm	28 nm	28 nm	32/28 nm
Nombre de cœurs	1-4	1-4	1-4 par cluster	1	1-2	1-4	1-4 par cluster	2-4	1-4 par cluster
Fréquence	350–1 000 MHz	300–800 MHz	800–1 500 MHz	600–1 000 MHz	800–1 700 MHz	600–2 000 MHz	1 000–2 500 MHz	1 000–1 700 MHz	1 000–2 500 MHz
DMIPS/MHz/Cœur	1.25	1.57	1.9	2.0	2.1	2.5		3.3	3.5

Liens externes

• (en) Cortex-A Series sur le site d'ARM.