Mobilné stavebné bloky 2014: mobilné jadrá

Každý rok po CES a mobilnom svetovom kongrese premýšľam o oznámeniach o show a o tom, čo znamenajú pre budúcnosť procesorov mobilných aplikácií. Určite sme videli niekoľko zaujímavých udalostí vrátane súboru 64-bitových oznámení o čipoch, z ktorých niektoré sú zamerané skôr na telefóny strednej triedy, ale nové 32-bitové čipy sa zdajú byť najobľúbenejšou témou konverzácie na špičkovej úrovni, Takmer každá spoločnosť, ktorá vyrába čipy, hovorí o lepšej grafike - s obrovským zvýšením výkonu - a všetci hovoria o viacerých jadrách, pričom čipy so 4 a 8 jadrami sa teraz stávajú rutinou. To, čo sme doteraz nevideli, nie sú žiadne významné procesory aplikácií postavené pomocou technológie 20nm (okrem procesorov Intel, ktoré riadia návrh a výrobu svojich čipov), ani skutočne nové špičkové 64-bitové čipy od väčšiny hráčov. V dôsledku toho zmeny, ktoré pravdepodobne nastanú na čipoch pre telefóny vyššej kategórie v najbližších mesiacoch, nemusia byť obrovské, a to ani v prípade, že sa jedná o telefóny strednej a dolnej úrovne.

O podrobnostiach hlavných čipov sa budem diskutovať neskôr tento týždeň, ale rád by som začal hovoriť o základných stavebných blokoch, ktoré sa týkajú vytvárania aplikačných procesorov. Na rozdiel od sveta počítačov vo všeobecnosti majú tvorcovia takýchto spracovateľov pri vytváraní svojich produktov tendenciu využívať aspoň niektoré duševné vlastníctvo (IP), či už architektonické licencie alebo plné jadrá. Pripomeňme, že typický aplikačný procesor dnes zahŕňa procesor, grafické jadro, často modem v základnom pásme a množstvo ďalších funkcií; a mnoho výrobcov licencuje architektúru CPU, grafiku alebo prípadne obidve. Typický spracovateľ kombinuje tieto vlastnosti, a to ako tie, ktoré sami vytvoria, aj tie, ktoré im poskytujú licenciu, aby navrhol konkrétny čip pre cieľový trh. V tomto príspevku budem hovoriť o architektúre procesorov a potom zajtra nasledujem text o grafickom dizajne.

Mnoho príchutí dizajnov ARM

Drvivá väčšina mobilných aplikačných procesorov, ktoré dnes vidíte, používa nejakú variantu architektúry ARM. Na všetkých trhoch ARM skutočne tvrdí, že sa predalo viac ako 50 miliárd spracovateľov využívajúcich túto technológiu, pričom viac ako 10 miliárd sa predalo iba v roku 2013. Trhy s telefónom a tabletom sú významnou súčasťou, pričom ARM tvrdí, že 95 percent svetových smartfónov prevádzkuje určitú verziu svojej architektúry, ale procesory ARM sú tiež v mnohých ďalších produktoch.

Je však dôležité pochopiť, že ARM v skutočnosti nepredáva procesory; namiesto toho predáva IP - vrátane skutočných základných návrhov a základnej základnej architektúry, ktorú niekoľko predajcov čipov vrátane spoločností Apple a Qualcomm používa na vytváranie jedinečných jadier. Použitie spoločnej architektúry - efektívne sada inštrukcií - umožňuje určitý stupeň kompatibility, a tak uľahčuje spustenie softvéru na čipy od viacerých spoločností.

V mobilných procesoroch dnes vidíme dve základné architektúry ARM - 32-bitovú verziu ARMv7 a 64-bitovú verziu ARMv8.

ARMv7 je už roky štandardom na trhu s telefónmi. Jedná sa o 32-bitový dizajn, ktorý sa používa v rôznych jadrách (vrátane návrhov Cortex-A9, A7 a A15 od ARM, ako aj architektúry „Krait“ spoločnosti Qualcomm a jadier používaných v procesoroch Apple pred A7). Cortex-A9 bol neuveriteľne populárny, ale jeho dni sa zdajú byť očíslované. V tomto roku vidíme viac návrhov, ktoré zahŕňajú buď menší, energeticky účinnejší Cortex-A7; alebo výkonnejší Cortex-A15, ktorý ponúka vyšší výkon; alebo kombináciou oboch v tom, čo ARM nazýva konfiguráciou „big.LITTLE“.

Cortex-A7 je skutočne veľmi malý - menej ako pol štvorcový milimeter pri 28nm procese - a bol navrhnutý tak, aby používal oveľa menej energie; menej ako 100 miliwattov v porovnaní so špičkou 200 až 300 miliwattov pre A9 a až 500 miliwattov pre A15. Cortex-A15 pridáva podporu pre 40-bitový fyzický adresový priestor, aj keď jednotlivé aplikácie majú prístup iba k 32 bitom. Minulé leto spoločnosť ARM predstavila A12, ktorý mal byť náhradou za A9, pričom uviedol, že bol až o 40 percent rýchlejší ako A9 a zapadol do priestoru medzi A7 a A15. Začiatkom tohto roka spoločnosť oznámila aktualizovanú verziu s názvom Cortex-A17, ktorá by podľa jej názoru mala ponúkať vyššiu účinnosť a 60% vyššiu výkonnosť ako Cortex-A9. (Doteraz iba spoločnosť MediaTek oznámila telefónny procesor a Realtek televízny procesor pomocou A17.) ARM verí, že A17 je posledným zo svojich 32-bitových dizajnov a má mať dlhú životnosť v aplikáciách, ako sú televízory a spotrebiteľských výrobkov, zatiaľ čo väčšina mobilného trhu prechádza na 64-bitové dizajny.

Niekoľko spoločností spojilo A7s a A15s (alebo novšie A7s a A17s) do tejto veľkej kombinácie.LITTLE, ktorá umožňuje, aby čip mal väčšinu času bežiace jadrá s nižšou spotrebou a čip prešiel na vyšší výkon. jadrá, keď to vyžaduje ďalší výkon, napríklad pri zložitom výpočte vnútri hry alebo dokonca komplikovanom skripte JavaScript na webovej stránke. V niektorých z týchto návrhov môže byť aktívny súčasne blok jadier A7 alebo blok A15; v iných môžu všetky jadrá pracovať naraz.

Opäť sa zdá pravdepodobné, že väčšina budúcich mobilných čipov navrhnutých s jadrom ARM sa presunie do 64-bitovej architektúry, hoci sa zdá, že sme v prvých dňoch tejto migrácie. Inštrukčná sada ARMv8 sa zdá byť použitá v procesore Apple A7, ktorý sa nachádza v zariadeniach iPhone 5s a iPad Air, a očakáva sa, že bude v mnohých ďalších patentovaných dizajnoch. ARM má samozrejme dve jadrá, ktoré oznámila pomocou tejto architektúry: menší Cortex-A53 a výkonnejší Cortex-A57, opäť s možnosťou ich kombinovania do veľkej konfigurácie LITTLE. 64-bitová verzia je spätne kompatibilná, ale obsahuje väčšie registre na všeobecné účely a pokyny pre médiá (čo by mohlo v niektorých operáciách urýchliť), podporu pamäte nad 4 GB (obzvlášť dôležité v serverových aplikáciách); a nové pokyny týkajúce sa šifrovania a kryptografie.

Jadro Cortex-A53 je o niečo ďalej a spoločnosti ako MediaTek, Qualcomm a Marvell oznamujú čipy s viacerými jadrami A53. ARM tvrdí, že očakáva, že prvé takéto čipy budú v lete. A57 by mal byť výrazne výkonnejší a ARM očakáva, že mobilné čipy s týmto jadrom budú vyradené koncom roka. (AMD oznámila serverový čip využívajúci architektúru A57, ktorý sa má do konca roka uviesť do plnej produkcie.)

ARM tiež ponúka množstvo oveľa menších jadier používaných v mikrokontroléroch a ďalších zariadeniach zo svojej série M; tieto by nespúšťali procesory aplikácií samy o sebe, ale mohli by si byť zvyknutí na viac ďalších čipov v mobilnom ekosystéme a čoraz častejšie sa používajú na to, aby boli mobilné SoC inteligentnejšie. Napríklad Apple A7 SoC má koprocesor pohybu M7 údajne založený na ARM Cortex-M3 a vyrábaný spoločnosťou NXP a Motorola X8 SoC v Moto X kombinuje dvojjadrový procesor Snapdragon S4 Pro s dvoma nízko-výkonovými koprocesormi založenými na Texas Instruments DSP pre spracovanie v prirodzenom jazyku a kontextové výpočty.

Ako už bolo spomenuté, mnoho spoločností má takzvanú „architektonickú licenciu“, ktorá im umožňuje vytvárať si vlastné jadrá pomocou sady inštrukcií, čo im podľa ich názoru umožňuje vyrábať čipy, ktoré vynikajú trhom vďaka lepšiemu výkonu, správa napájania alebo oboje. Patria sem spoločnosti ako Qualcomm, Marvell, Nvidia a Apple. Na druhej strane ponúkať štandardné jadrá spoločnostiam rýchlejšie a ľahšie vytváranie vzorov; mnoho spoločností, ktoré majú architektonickú licenciu, používa v niektorých produktoch štandardné jadrá ARM. Je pozoruhodné, že Qualcomm má teraz niektoré verzie svojej rady procesorov Snapdragon, ktoré používajú jeho jadrá Krait, zatiaľ čo iné používajú štandardné jadrá ARM.

Intel a MIPS ponúkajú alternatívy

Aj keď ARM naďalej dominuje na trhu s mobilnými procesormi, spoločnosť Intel zaznamenala veľký tlak, aj keď s väčšinou svojich úspechov prichádzajú v tabletoch so systémom Windows a pár so systémom Android. Súčasná ponuka spoločnosti Intel sa zdá viac zameraná na tablety ako telefóny, hoci spoločnosť má dva nové procesory, ktoré sa zdajú byť vhodnejšie pre telefóny, ktoré vyjdú koncom tohto roka (o ktorých budem diskutovať, keď sa v nasledujúcom príspevku dostanem k procesorom od konkrétnych spoločností). V mobilnej aréne tlačí spoločnosť Intel svoju radu procesorov Atom, aj keď existujú niektoré tablety so systémom Windows, ktoré používajú väčšiu rodinu jadier, ktorá sa používa aj v prenosných počítačoch a stolných počítačoch.

Aj v rámci rodiny x86 AMD ukazovala niektoré tablety so svojimi procesormi x86 s nižšou spotrebou energie. Podrobnosti budem opäť diskutovať neskôr, keď hovorím o konkrétnych tvorcoch. V obidvoch prípadoch samozrejme procesory spustia plnú verziu systému Microsoft Windows, hoci obe spoločnosti sa teraz zaoberajú aj systémom Android. Najmä spoločnosť Intel urobila veľký tlak na natívne fungovanie systému Android na svojich čipoch, zatiaľ čo AMD sa viac zamerala na emulátor BlueStacks pre svoje produkty x86, keďže sa chystá pripraviť aj na tento rok čipy kompatibilné s ARM.

Ďalšou možnosťou by boli procesory MIPS, skupina procesorov založená na RISC, ktorú získala spoločnosť Imagination Technologies pred viac ako rokom. MIPS už nejakú dobu ponúka 64-bitovú architektúru ako súčasť svojich jadier Aptiv. Začiatkom tohto roka spoločnosť oznámila svoju sériu CPU „Warrior“ série 5, ktorá zahŕňa tri triedy procesorov MIPS - sériu M pre zabudované trhy, triedu I navrhnutú pre vysoko efektívne a veľmi integrované zariadenia; a trieda P navrhnutá na zvýšenie výkonu vrátane procesorov aplikácií. Medzi nové funkcie patrí integrovaná podpora grafiky OpenCL a vylepšená bezpečnosť. Predstavivosť hovorí, že tieto čipy využívajú až o 40 percent menej plochy ako ich konkurenti, s lepším viacvláknovým spracovaním pre viacjadrové použitie.

Procesory MIPS boli na mnohých trhoch celkom úspešné, vrátane sieťových procesorov a iných aplikácií v reálnom čase a set-top boxov, doteraz sme ich však nevideli v mnohých tradičných tabletoch alebo smartfónoch. Čínska spoločnosť s názvom Ingenic má rad procesorov prevádzkujúcich architektúru Xburst založenú na staršom jadre MIPS, čo sa používalo v niektorých tabletoch Android. Pred chvíľou som to vyskúšal, ale zdá sa, že spoločnosť, ktorá ho vyrobila, sa teraz zameriava na tablety na báze ARM. Napriek tomu je možné, že MIPS by mohol byť v budúcnosti konkurentom, najmä so svojou novou radom jadier.