Hot Chips: Unter der Haube des Samsung Exynos 9810

Samsungs hauseigener Exynos 9810 ist einer der derzeit schnellsten ARM-Prozessoren für Smartphones. Er treibt unter anderem die Geschwistergeräte Galaxy S9 und S9+ sowie das kürzlich enthüllte Galaxy Note 9 an. Wie Samsungs Senior Principal Engineer Jeff Rupley erläuterte, sollte der intern M3 genannte CPU-Teil ursprünglich nur ein optimierter M2 (Exynos 8895) mit einem Performance-Plus von 10 bis 15 Prozent werden. Die Entwicklung begann Anfang 2015, Ende 2015 wurde ein Fork von der parallel stattfindenden, weiter fortgeschrittenen M2-Entwicklung vorgenommen.

Weil der M2 im Laufe seiner Entwicklung aber mehr als der ursprünglich geplante Die-Shrink wurde, musste man für den M3 größere Umbauarbeiten an den Innereien vornehmen. Diese begannen Anfang 2016, also arg spät – denn die Deadline stand: Der M3 musste Anfang 2018 fertig sein, weil in diesem Zeitraum Samsung S9 und S9+ erscheinen sollten.

Interna des M3

Hatten M1 und M2 noch einen gemeinsamen L2-Cache von 512 KByte, so bekam jeder der vier M3-Kerne einen eigenen L2-Cache mit jeweils 512 KByte spendiert. Hinzugekommen ist zudem ein exklusiver gemeinsamer L3-Cache von einem Megabyte. Die größeren Caches waren nötig, um die verbesserten Rechenwerke zu befüllen.

So kann jeder Kern nun sechs statt vormals vier Befehle gleichzeitig ausführen. Der Re-Order Buffer des Schedulers umfasst nun 228 statt vormals 100 Einträge. Die FPU bekam einen dritten Dispatch- und einen zweiten Load-Port. Zudem gibt es nun drei kombinierte FMAC/FADD-Einheiten statt je einen dedizierten. Beide Befehle benötigen zudem jeweils einen Zyklus weniger zur Ausführung. FDIV ist nun als radix64 realisiert, was sechs statt vormals zwei Bits ermöglicht. Gegenüber dem M2 musste die Sprungvorhersage angepasst werden: Mit den ursprünglichen Gewichtungen kam es zu Pipeline-Verstopfungen, worunter die IPC litt.

Die Bemühungen haben sich gelohnt: In allen Geekbench-Subtests schneidet der M3 mindestens 50 Prozent besser ab als der M2. Auch ARMs Referenzimplementierung des A75 wird deutlich übertroffen. Auf Konkurrenzprodukte wie Qualcomms Snapdragon 835 oder Apples A11 ging Samsung nicht ein. Das Performance-Plus gab es allerdings nicht umsonst: Durch die Überarbeitungen der Kerne hat sich deren Fläche mehr als verdoppelt – in der Fertigung ist der Chip also teurer geworden.

Um die Effizienz hoch zu halten, wurden unter anderem getrennte Spannungsschienen für die eigentlichen Rechenwerke und den zugehörigen Cache eingebaut. Der neuere Fertigungsprozess LPP – der M2 lief noch in LPE vom Band – half aber auch ein bisschen: Ein Plus von rund fünf Prozent gehen auf seine Rechnung.

Künftige Exynos-SOCs

Über künftige Exynos-SoCs beziehungsweise deren CPUs wollte Rupley noch nichts verraten. Er stellte jedoch in Aussicht, dass an dem von den Smartphones diktierten Jahreszyklus auch künftig kein Weg vorbeiführt und man deshalb im selben Rhythmus auch weiterhin neue Prozessoren erwarten könne. (mue)