Мобільні будівельні блоки 2014: мобільні сердечники

Щороку після CES та Всесвітнього конгресу мобільних телефонів я розмірковую над оголошеннями шоу та що вони означають для майбутнього процесорів мобільних додатків. Ми, звичайно, бачили цікаві події, зокрема набір 64-бітових чіп-анонсів, деякі з яких орієнтовані більше на телефони середнього класу, але нові 32-бітні чіпи, здавалося, були найпопулярнішою темою розмови на найвищому рівні .

Практично кожна компанія, яка виробляє чіпи, говорить про кращу графіку - з величезними показниками підвищення продуктивності - і всі говорять про декілька ядер, а 4- і навіть 8-ядерні чіпи тепер стають звичайними. Ми ще не бачили жодних великих процесорів додатків, побудованих за допомогою 20-нм-технологій (окрім Intel, який контролює розробку та виготовлення своїх мікросхем), ні дійсно нові 64-бітні чіпи високого класу від більшості плеєрів. Як результат, зміни, які ми, швидше за все, побачимо в мікросхемах для найвищого класу телефонів протягом наступних кількох місяців, можуть не бути величезними, навіть коли телефони середнього і низького класу наздоганяють.

Подробиці основних мікросхем я обговорюю пізніше цього тижня, але для початку я б хотів розповісти про основні складові, які входять у створення процесорів додатків. На відміну від світу ПК, виробники таких процесорів, як правило, використовують при створенні своїх продуктів хоча б якусь інтелектуальну власність (архітектурні ліцензії або повні ядра). Нагадаємо, що типовий процесор додатків сьогодні включає в себе процесор, графічне ядро, часто модем базової смуги та ряд інших функцій; і багато виробників ліцензують архітектуру, графіку або потенційно обидві процесори. Типовий виробник процесорів поєднує ці функції, як ті, які вони створюють самі, так і ті, які вони ліцензують, для створення конкретного чіпа для цільового ринку. У цій публікації я розповім про архітектуру процесора, а потім перейдіть завтра до одного з графічного дизайну.

Багато ароматів конструкцій ARM

Переважна більшість процесорів мобільних додатків, які ви бачите сьогодні, виконують певний варіант архітектури ARM. Дійсно, на всіх ринках ARM стверджує, що продано понад 50 мільярдів процесорів, що використовують його технології, лише в 2013 році продано понад 10 мільярдів. Ринки телефонів та планшетів є вагомою частиною цього, ARM стверджує, що 95 відсотків світових смартфонів мають деяку версію своєї архітектури, однак ARM-процесори також є у багатьох інших продуктах.

Але важливо розуміти, що ARM насправді не продає процесори; натомість він продає IP - включаючи фактичні основні конструкції та основну базову архітектуру, яку кілька постачальників чіпів, включаючи Apple і Qualcomm, використовують для створення унікальних ядер. Використання загальної архітектури - ефективно набору інструкцій - дозволяє досягти певної сумісності і, таким чином, полегшує запуск програмного забезпечення на мікросхемах багатьох компаній.

Є дві основні архітектури ARM, які ми бачимо сьогодні в мобільних процесорах - 32-бітна ARMv7 та 64-розрядна версія ARMv8.

ARMv7 вже багато років є стандартом на ринку телефонів. Це 32-розрядна конструкція, яка використовується в різних ядрах (включаючи конструкції Cortex-A9, A7 і A15 ARM, а також архітектуру "Krait" Qualcomm та сердечники, що використовуються в процесорах Apple до A7). Cortex-A9 був надзвичайно популярним, але його дні здаються переліченими. Цього року ми бачимо більше конструкцій, які включають або менший, більш енергоефективний Cortex-A7; або більш потужний Cortex-A15, який пропонує більш високу продуктивність; або поєднання двох в тому, що ARM називає його "big.LITTLE" конфігурацією.

Cortex-A7 насправді дуже маленький - менше половини квадратного міліметра для 28nm процесу - і був розроблений для використання набагато менше енергії; менше 100 міліват, порівняно з піком від 200 до 300 міліват для A9, і до 500 міліват для A15. Cortex-A15 додає підтримку 40-бітного фізичного адресного простору, хоча окремі програми можуть отримати доступ лише до 32 біт. Минулого літа ARM представив A12, який мав бути заміною A9, кажучи, що він на 40 відсотків швидший, ніж A9, і він впишеться в простір між A7 та A15. На початку цього року компанія оголосила оновлену версію під назвою Cortex-A17, яка, за її словами, повинна забезпечити кращу ефективність та 60 відсотків більше продуктивності, ніж Cortex-A9. (Поки лише MediaTek оголосив телефонний процесор, а Realtek - телевізійний процесор, що використовує A17.) ARM вважає, що A17 є останньою з його 32-розрядних конструкцій і має на увазі тривалий термін служби в таких додатках, як телевізори та споживчі товари, тоді як з часом основна частина мобільного ринку переходить на 64-бітні конструкції.

Ряд компаній об'єднав A7s і A15s (або останнім часом A7s і A17s) у цю комбінацію big.LITTLE, яка дозволяє чіпу мати більш низькі потужності, що працюють більшу частину часу, і чіп переходить на більш потужні ядра, коли вона потребує додаткової продуктивності, можливо, під час виконання складного обчислення в грі або навіть складного JavaScript на веб-сторінці. У деяких з цих конструкцій блок ядер A7 або один з ядер A15 можуть бути активними одночасно; в інших всі ядра можуть працювати відразу.

Знову ж таки, мабуть, більшість майбутніх мобільних мікросхем, розроблених з ядрами ARM, перейдуть до 64-розрядної архітектури, хоча, здається, ми знаходилися в перші дні цієї міграції. Набір інструкцій ARMv8, здається, використовується в процесорі A7 Apple, який знаходиться в iPhone 5s та iPad Air, і, як очікується, буде також у ряді інших фірмових конструкцій. І звичайно, ARM має два ядра, які він оголосив за допомогою цієї архітектури: менший Cortex-A53 і більш потужний Cortex-A57, знову ж таки, з можливістю комбінування їх у конфігурації big.LITTLE. 64-бітна версія назад сумісна, але включає в себе більші регістри загального призначення та інструкції щодо засобів масової інформації (що може прискорити її в деяких операціях), підтримку пам’яті понад 4 Гб (особливо важливо в серверних додатках); і нові інструкції із шифрування та криптографії.

Ядро Cortex-A53 трохи далі, і такі компанії, як MediaTek, Qualcomm і Marvell, оголошують мікросхеми з декількома ядрами A53. ARM заявляє, що очікує, що перші подібні чіпи з'являться цього літа. A57 повинен бути помітно потужнішим, і ARM очікує, що мобільні чіпи з цим ядром будуть випущені пізніше року. (AMD анонсувала серверний чіп, що використовує архітектуру A57, через повне виробництво до кінця року.)

ARM також пропонує ряд значно менших сердечників, що використовуються в мікроконтролерах та інших пристроях своєї серії M; вони не запускають процесори додатків самостійно, але можуть використовуватись у кількох інших мікросхемах мобільної екосистеми і все частіше використовуються для того, щоб зробити мобільні SoC розумнішими. Наприклад, Apple A7 SoC має копроцесор руху M7 на базі ARM Cortex-M3 і виробляється NXP, а Motorola X8 SoC в Moto X поєднує двоядерний процесор Snapdragon S4 Pro з двома копроцесорами низької потужності на базі DSP-програми Texas Instruments для обробки природних мов та обчислення контексту.

Як вже згадувалося раніше, у багатьох компаній є те, що відомо як "архітектурна ліцензія", що дозволяє їм створювати власні ядра, використовуючи набір інструкцій, який, на їхню думку, дозволяє їм робити чіпи, які виділяються на ринку за рахунок кращої продуктивності, управління живленням, або те й інше. До них належать такі компанії, як Qualcomm, Marvell, Nvidia та Apple. З іншого боку, пропонування стандартних ядер дозволяє компаніям створювати конструкції швидше та простіше; багато компаній, які мають архітектурну ліцензію, використовують стандартні ядра ARM в деяких продуктах. Зокрема, Qualcomm тепер має деякі версії своєї лінійки процесорів Snapdragon, які використовують його ядра Krait, а інші використовують стандартні ядра ARM.

Intel та MIPS пропонують альтернативи

У той час як ARM продовжує домінувати на ринку мобільних процесорів, Intel також робить великий поштовх, хоча більшість його успіхів припадає на планшети під керуванням Windows та декілька під керуванням Android. Поточна пропозиція Intel здається більш націленою на планшети, ніж на телефони, хоча в компанії є два нових процесори, які, здається, краще підходять для телефонів, які вийдуть пізніше цього року (про які я обговорюю, коли потрапляю до процесорів від конкретних компаній у наступному дописі). На мобільній арені Intel висуває свою лінійку процесорів Atom, хоча є деякі планшети Windows, які використовують більшу сім'ю Core, яка також використовується у ноутбуках та настільних комп'ютерах.

Крім того, в сім'ї x86 AMD демонструє деякі планшети, що працюють з процесорами на базі x86 з меншою потужністю. Знову я детально обговорю деталі пізніше, коли розповім про конкретних виробників. В обох випадках, звичайно, процесори запускають повну версію Microsoft Windows, хоча обидві компанії зараз також звертаються до Android. Зокрема, Intel зробила великий поштовх, щоб змусити Android працювати на своїх чіпах, в той час як AMD більше зосереджується на емуляторі BlueStacks для своїх продуктів x86, оскільки також готується до запуску сумісних з ARM мікросхем наприкінці цього року.

Іншим варіантом можуть стати процесори MIPS, сімейство процесорів на базі RISC, яке було придбано Imagination Technologies трохи більше року тому. MIPS пропонував 64-бітну архітектуру в рамках своєї лінійки ядер Aptiv. На початку цього року компанія оголосила про генерацію процесорів серії "Warrior" серії 5, яка включає три класи процесорів MIPS - серію M для вбудованих ринків, I-клас, призначений для високої ефективності та дуже інтегрованих пристроїв; і P-клас, розроблений для підвищення продуктивності, включаючи процесори додатків. Нові функції включають інтегровану підтримку графіки OpenCL та покращену безпеку. Уява зазначає, що ці чіпи використовують на 40 відсотків менше площі, ніж їх конкуренти, з кращою багатопотоковою роботою для багатоядерного використання.

MIPS-процесори були досить успішними на багатьох ринках, включаючи мережеві процесори та інші додатки в реальному часі та приставки, але на сьогоднішній день ми їх не бачили у багатьох традиційних планшетах чи смартфонах. Китайська компанія під назвою Ingenic має лінійку процесорів, що управляють архітектурою Xburst на основі більш раннього ядра MIPS, і це було використано в деяких планшетах Android. Нещодавно я спробував це, але компанія, яка зробила це зараз, здається, зосередилась на планшетах на основі АРМ. Тим не менш, можливо, що MIPS може бути конкурентом у майбутньому, особливо з новою лінією ядер.