Mobilni građevni blokovi 2014: mobilna jezgra

Svake godine nakon CES-a i Svjetskog mobilnog kongresa razmišljam o najavama emisija i što one znače za budućnost procesora mobilnih aplikacija. Sigurno smo vidjeli neke zanimljive događaje, uključujući skup 64-bitnih čip najava, od kojih su neka usmjerena više na telefone srednjeg opsega, ali novi 32-bitni čipovi činili su se najpopularnijom temom razgovora na kraju, Gotovo svaka tvrtka koja proizvodi čipove govori o boljoj grafici - s ogromnim povećanjem performansi - i svi govore o više jezgara, a 4- i čak 8-jezgreni čipovi postaju rutina. Ono što još nismo vidjeli nisu glavni aplikacijski procesori izgrađeni pomoću 20nm tehnologije (osim onih iz Intela koji kontrolira dizajn i proizvodnju svojih čipova), niti stvarno novi 64-bitni čipovi visokog ranga od većine igrača. Kao rezultat, promjene koje ćemo vjerojatno vidjeti u čipovima za telefone najvišeg klasa tijekom sljedećih nekoliko mjeseci možda neće biti ogromne, čak i ako se pojave telefoni srednjeg i nižeg razreda.

O detaljima glavnih čipova raspravljat ću kasnije ovog tjedna, ali želio bih započeti razgovorom o osnovnim građevnim blokovima koji idu u stvaranje aplikacijskih procesora. Za razliku od računala u svijetu, proizvođači takvih procesora općenito koriste pri stvaranju svojih proizvoda barem neko intelektualno vlasništvo (ili arhitektonske licence ili pune jezgre). Podsjetimo da tipični aplikacijski procesor danas uključuje CPU, grafičku jezgru, često bazni modem i niz drugih značajki; i mnogi proizvođači licenciraju CPU arhitekturu, grafiku ili potencijalno oboje. Tipični proizvođač procesora kombinirat će ove značajke, kako one koje sami kreiraju, tako i one koje licenciraju, kako bi dizajnirali određeni čip za ciljno tržište. U ovom postu govorit ću o arhitekturi CPU-a, a zatim sutra slijedim jedan o grafičkom dizajnu.

Mnogo okusa dizajna oružja

Velika većina procesora mobilnih aplikacija koje danas vidite pokreće neku varijantu ARM arhitekture. Zapravo, na svim tržištima ARM tvrdi da je prodano više od 50 milijardi procesora koji koriste njegovu tehnologiju, a više od 10 milijardi prodano je samo u 2013. godini. Tržišta telefona i tableta značajan su dio toga, a ARM tvrdi da 95 posto svjetskih pametnih telefona ima neku verziju svoje arhitekture, ali ARM-ovi procesori također su u dosta drugih proizvoda.

Ali važno je razumjeti da ARM ustvari ne prodaje procesore; umjesto toga prodaje IP - uključujući stvarne jezgrene dizajne i osnovnu arhitekturu koja nekoliko dobavljača čipova, uključujući Apple i Qualcomm, koriste za stvaranje jedinstvenih jezgara. Korištenje zajedničke arhitekture - učinkovito skupa s uputama - omogućava određen stupanj kompatibilnosti te na taj način olakšava pokretanje softvera na čipovima više kompanija.

Postoje dvije osnovne ARM arhitekture koje danas vidimo u mobilnim procesorima - 32-bitna ARMv7 i 64-bitna ARMv8 verzija.

ARMv7 je već godinama standard na tržištu telefona. Ovo je 32-bitni dizajn koji se koristi u raznim jezgrama (uključujući ARM-ove modele Cortex-A9, A7 i A15, kao i Qualcommovu "Krait" arhitekturu i jezgre korištene u Apple procesorima prije A7). Cortex-A9 je nevjerojatno popularan, ali dani izgledaju kao da su brojčani. Ove godine vidimo više dizajna koji uključuju ili manji, energetski učinkovitiji Cortex-A7; ili snažniji Cortex-A15, koji nudi veće performanse; ili kombinacija dva u onome što ARM naziva svojom "big.LITTLE" konfiguracijom.

Cortex-A7 je u stvari vrlo mali - manje od pola kvadratnog milimetra u 28nm procesu - i dizajniran je za upotrebu puno manje energije; manje od 100 milivata u usporedbi s pikom od 200 do 300 miliitata za A9, a do 500 milivata za A15. Cortex-A15 dodaje podršku za 40-bitni fizički adresni prostor, mada pojedinačne aplikacije mogu pristupiti samo 32 bita. Prošlog ljeta ARM je predstavio A12, koji je trebao zamijeniti A9, rekavši da je do 40 posto brži od A9 i da će se uklopiti u prostor između A7 i A15. Početkom ove godine kompanija je najavila nadograđenu verziju nazvanu Cortex-A17, za koju kaže da bi trebala ponuditi bolju učinkovitost i 60 posto više performansi od Cortex-A9. (Do sada je samo MediaTek najavio procesor telefona, a Realtek TV procesor koji koristi A17.) ARM vjeruje da je A17 posljednji od svojih 32-bitnih dizajna, a trebao bi imati dug život u aplikacijama kao što su televizori i televizori. potrošačke proizvode, dok na kraju većina mobilnog tržišta prelazi na 64-bitne dizajne.

Mnoge tvrtke su kombinirale A7s i A15s (ili u novije vrijeme A7s i A17s) u onu kombinaciju big.LITTLE, koja omogućuje čipu da jezgre slabije snage pokreću većinu vremena, a čip prebacuje na veće snage jezgre kad su joj potrebne dodatne performanse, možda dok izvodi složeni izračun unutar igre ili čak komplicirani JavaScript na web stranici. U nekim od ovih dizajna ili blok A7 jezgara ili onaj od A15 jezgara može biti odjednom aktivan; u drugima sve jezgre mogu raditi odjednom.

Opet, čini se da će se većina budućih mobilnih čipova dizajniranih s ARM jezgrama preseliti u 64-bitnu arhitekturu, iako se čini da smo u ranim danima te migracije. Čini se da se ARMv8 set uputa koristi u Appleovom A7 procesoru koji se nalazi u iPhoneu 5s i iPad Airu, a očekuje se da će biti dostupan i u brojnim drugim vlasničkim izvedbama. I naravno, ARM ima dvije jezgre koje je najavio koristeći ovu arhitekturu: manji Cortex-A53 i moćniji Cortex-A57, opet s mogućnošću kombiniranja u velikoj konfiguraciji.LITTLE. 64-bitna verzija je kompatibilna s unatrag, ali uključuje veće registre za opću namjenu i upute za medije (što bi moglo ubrzati u nekim operacijama), podršku za memoriju veće od 4 GB (posebno važno u poslužiteljskim aplikacijama); i nove upute za šifriranje i kriptografiju.

Jezgra Cortex-A53 malo je naprednija, a tvrtke poput MediaTek, Qualcomm i Marvell najavljuju čipove s više A53 jezgara. ARM kaže kako očekuje da će se prvi takvi čipovi pojaviti ovog ljeta. A57 bi trebao biti znatno snažniji, a ARM očekuje da će mobilni čipovi s tom jezgrom biti u prodaji kasnije tokom godine. (AMD je najavio poslužiteljski čip koji koristi A57 arhitekturu, s obzirom da će krajem godine ući u punu proizvodnju.)

ARM također nudi niz mnogo manjih jezgara koje se koriste u mikrokontrolerima i drugim uređajima u svojoj M seriji; ovi ne bi sami pokrenuli aplikacijske procesore, ali mogu se koristiti u više drugih čipova u mobilnom ekosustavu i sve se češće koriste kako bi mobilni SoC postali pametniji. Na primjer, Appleov A7 SoC ima koprocesor pokreta M7 koji se navodno temelji na ARM Cortex-M3 i proizvodi NXP, a Motorola X8 SoC u Moto X kombinira dvojezgarni procesor Snapdragon S4 Pro s dva koprocesora male snage na temelju. DSP-ovi tvrtke Texas Instruments za obradu na prirodnom jeziku i kontekstualno računanje.

Kao što je spomenuto ranije, brojne tvrtke imaju ono što je poznato kao "arhitektonska licenca", što im omogućuje stvaranje vlastitih jezgara pomoću skupa instrukcija, za koje smatraju da im omogućuje izradu čipova koji se izdvajaju na tržištu kroz bolje performanse, upravljanje napajanjem ili oboje. Tu se ubrajaju tvrtke poput Qualcomm, Marvell, Nvidia i Apple. S druge strane, nudeći standardne jezgre omogućava tvrtkama brže i lakše stvaranje dizajna; mnoge tvrtke koje imaju arhitektonsku dozvolu koriste standardne ARM jezgre u nekim proizvodima. Značajno je da Qualcomm sada ima neke verzije Snapdragon linije procesora koji koriste njegove Krait jezgre, dok drugi koriste standardne ARM jezgre.

Intel i MIPS nude alternative

Iako ARM i dalje dominira na tržištu mobilnih procesora, Intel je također intenzivno gurao, iako s većinom svojih uspjeha dolazi na tabletima sa sustavom Windows i nekoliko Android-a. Intelova trenutna ponuda čini se više usmjerena na tablete nego telefone, iako tvrtka ima dva nova procesora koji izgledaju bolje prilagođeni telefonima koji izlaze kasnije ove godine (o kojima ću razgovarati kada uđem u procesore određenih kompanija u sljedećem postu). Intel u mobilnoj areni gura svoju liniju procesora Atom, iako postoje neki Windows tableti koji koriste veću Core obitelj koja se također koristi u prijenosnim i stolnim računalima.

AMD je, također, unutar x86 obitelji, pokazao neke tablete koji imaju svoje CPU sa smanjenom potrošnjom x86. Opet ću kasnije govoriti o pojedinostima kada govorim o određenim proizvođačima. U oba slučaja, naravno, procesori rade punu verziju sustava Microsoft Windows, iako se obje tvrtke sada obraćaju i Androidu. Intel je posebno napravio veliki pritisak kako bi Android pokrenuo izvorno svoje čipove, dok se AMD više fokusirao na emulator BlueStacks za svoje x86 proizvode, jer se također priprema za lansiranje ARM-a kompatibilnih čipova kasnije ove godine.

Druga mogućnost bi bili MIPS procesori, obitelj procesora utemeljena na RISC-u, koju je kompanija Imagination Technologies nabavila prije nešto više od godinu dana. MIPS već neko vrijeme nudi 64-bitnu arhitekturu, kao dio svoje Aptiv linije jezgara. Početkom ove godine kompanija je najavila svoju seriju 5 "Warrior" CPU generacija koja uključuje tri klase MIPS procesora - M seriju za ugrađena tržišta, I klasu dizajniranu za visoku učinkovitost i vrlo integrirane uređaje; i klasa P dizajnirana za veće performanse, uključujući aplikacijske procesore. Nove značajke uključuju integriranu podršku za OpenCL grafiku i poboljšanu sigurnost. Mašta kaže da ti čipovi koriste do 40 posto manje površine od svojih konkurenata, s boljim multi-navojem za više jezgre.

MIPS procesori bili su prilično uspješni na mnogim tržištima, uključujući mrežne procesore i druge aplikacije u stvarnom vremenu i set-top box uređaje, ali do danas ih nismo vidjeli na mnogim tradicionalnim tabletima ili pametnim telefonima. Kineska tvrtka pod nazivom Ingenic ima liniju procesora koji pokreću Xburst arhitekturu na temelju ranije MIPS jezgre, a ovaj se koristio na nekim Android tabletima. Povratak sam isprobao, no čini se da se tvrtka koja je to učinila fokusirala na tablete koji se bave ARM-om. Ipak, moguće je da bi MIPS mogao biti konkurent u budućnosti, posebno svojom novom linijom jezgara.