Mobilni gradniki 2014: mobilna jedra

Vsako leto po CES in svetovnem kongresu mobilnih telefonov razmislim o objavah oddaj in kaj pomenijo za prihodnost procesorjev mobilnih aplikacij. Vsekakor smo videli nekaj zanimivih dogodkov, vključno z naborom 64-bitnih objav čipov, od katerih so nekateri bolj usmerjeni v telefone srednjega cenovnega razreda, toda zdi se, da so novi 32-bitni čipi najbolj priljubljena tema pogovorov na koncu.

Skoraj vsako podjetje, ki izdeluje čipove, govori o boljši grafiki - z ogromno povečano zmogljivostjo - in vsi govorijo o več jedrih, pri čemer 4- in 8-jedrni čipi zdaj postanejo rutina. Še nismo zasledili nobenih večjih aplikacijskih procesorjev, zgrajenih s pomočjo 20nm tehnologije (razen tistih iz Intel, ki nadzoruje načrtovanje in izdelavo svojih čipov), niti resnično novih 64-bitnih čipov višjega razreda večine predvajalnikov. Kot rezultat, spremembe, ki jih bomo verjetno videli v čipih telefonov najvišjega cenovnega razreda v naslednjih nekaj mesecih, morda ne bodo velike, tudi ko se bodo telefoni srednjega in nizkega cenovnega razreda spoprijeli.

Podrobnosti o glavnih čipih bom razpravljal pozneje ta teden, vendar bi najprej želel govoriti o osnovnih gradnikih, ki segajo v ustvarjanje aplikacijskih procesorjev. Za razliko od sveta osebnih računalnikov proizvajalci takih procesorjev na splošno uporabljajo pri ustvarjanju svojih izdelkov vsaj nekaj intelektualne lastnine (bodisi arhitekturne licence bodisi polna jedra). Spomnimo se, da danes tipičen aplikacijski procesor vključuje CPU, grafično jedro, pogosto bazni modem in številne druge funkcije; in mnogi izdelovalci licencirajo arhitekturo, grafiko ali potencialno oboje CPU. Tipičen proizvajalec procesorjev bo te funkcije, tako tiste, ki jih sami ustvarijo, kot tudi tiste, ki jih licencirajo, združil za oblikovanje posebnega čipa za ciljni trg. V tej objavi bom govoril o CPU arhitekturi, nato pa sledite jutri z eno o grafičnem oblikovanju.

Veliko okusov modelov orožja

Velika večina procesorjev mobilnih aplikacij, ki jih vidite danes, izvaja nekaj različice arhitekture ARM. Na vseh trgih ARM trdi, da je bilo prodanih več kot 50 milijard procesorjev, ki uporabljajo njegovo tehnologijo, samo v letu 2013 pa več kot 10 milijard. Trg telefonov in tabličnih računalnikov je pomemben del tega, ARM pa trdi, da 95 odstotkov svetovnih pametnih telefonov izvaja neko različico svoje arhitekture, vendar so ARM procesorji tudi v številnih drugih izdelkih.

Pomembno je razumeti, da ARM dejansko ne prodaja procesorjev; namesto tega prodaja IP - vključno z dejanskimi načrti jedra in osnovno osnovno arhitekturo, ki jo več proizvajalcev čipov, vključno z Apple in Qualcomm, uporablja za ustvarjanje edinstvenih jeder. Uporaba skupne arhitekture - učinkovito nabora navodil - omogoča določeno stopnjo združljivosti in s tem olajša uporabo programske opreme za izvajanje čipov iz več podjetij.

Obstajata dve osnovni arhitekturi ARM, ki jih danes vidimo pri mobilnih procesorjih - 32-bitna ARMv7 in 64-bitna različica ARMv8.

ARMv7 je že leta standard na trgu telefonov. To je 32-bitna zasnova, ki se uporablja v različnih jedrih (vključno z ARM-jevimi modeli Cortex-A9, A7 in A15 ter arhitekturo "Krait" Qualcomm in jeder, ki so bila uporabljena v Apple procesorjih pred A7). Cortex-A9 je bil izjemno priljubljen, vendar se zdijo njegovi dnevi oštevilčeni. Letos opažamo več modelov, ki vključujejo manjši in bolj zmogljiv Cortex-A7; ali zmogljivejši Cortex-A15, ki ponuja večje zmogljivosti; ali kombinacijo obeh v tem, kar ARM imenuje njegova konfiguracija "big.LITTLE".

Cortex-A7 je pravzaprav zelo majhen - manj kot pol kvadratnega milimetra pri 28 nm postopku - in zasnovan je tako, da porabi veliko manj energije; manj kot 100 milivatov v primerjavi z največjim od 200 do 300 milivatov za A9 in do 500 milivatov za A15. Cortex-A15 doda podporo za 40-bitni fizični naslov, čeprav lahko posamezne aplikacije dostopajo le do 32 bitov. Lani poleti je ARM predstavil A12, ki naj bi bil nadomestek za A9, rekel je, da je do 40 odstotkov hitrejši od A9 in da se bo prilegal v prostor med A7 in A15. V začetku tega leta je podjetje objavilo nadgrajeno različico Cortex-A17, za katero pravi, da bi morala nuditi boljšo učinkovitost in 60 odstotkov večjo zmogljivost kot Cortex-A9. (Zaenkrat sta samo MediaTek napovedala procesor telefona, Realtek pa TV-procesor z uporabo A17.) ARM verjame, da je A17 zadnji od svojih 32-bitnih zasnov in naj bi imel dolgo življenjsko dobo v aplikacijah, kot so televizorji in potrošniških izdelkov, medtem ko na koncu večina mobilnega trga preide na 64-bitne modele.

Številna podjetja so združila A7s in A15s (ali v zadnjem času A7s in A17s) v tisto kombinacijo big.LITTLE, ki omogoča čipu, da imajo večino časa jedra z nižjo močjo, čip pa preklopi na večje moči jedra, kadar potrebuje dodatno zmogljivost, morda med izvajanjem zapletenega izračuna znotraj igre ali celo zapletenega JavaScript-ja na spletni strani. V nekaterih od teh modelov je lahko hkrati blok jeder A7 ali jedro A15 jeder; pri drugih lahko vsa jedra delujejo naenkrat.

Ponovno se zdi, da se bo večina prihodnjih mobilnih čipov, oblikovanih iz ARM jeder, premaknila v 64-bitno arhitekturo, čeprav se zdi, da smo že v prvih dneh te selitve. Zdi se, da je nabor navodil ARMv8 uporabljen v Applovem procesorju A7, ki ga najdemo v iPhone 5s in iPad Air, predvidoma pa bo tudi v številnih drugih lastniških modelih. In seveda ima ARM dve jedri, ki jih je naznanil s to arhitekturo: manjši Cortex-A53 in zmogljivejši Cortex-A57, spet z možnostjo združevanja v konfiguraciji big.LITTLE. 64-bitna različica je združljiva za nazaj, vendar vključuje večje registre za splošne namene in navodila za medije (kar bi lahko pri nekaterih operacijah hitreje), podporo za pomnilnik nad 4 GB (še posebej pomembno v strežniških aplikacijah); in nova navodila za šifriranje in kriptografijo.

Jedro Cortex-A53 je nekoliko naprej, podjetja, kot so MediaTek, Qualcomm in Marvell, pa vse napovedujejo čipe z več A53 jedri. ARM pravi, da pričakuje, da bodo prvi tovrstni čipi izšli to poletje. A57 bi moral biti bistveno zmogljivejši, ARM pa pričakuje, da bodo mobilni čipi s tem jedrom izšli pozneje v letu. (AMD je napovedal strežniški čip, ki uporablja arhitekturo A57, ker bo proti koncu leta začel polno proizvodnjo.)

ARM ponuja tudi vrsto veliko manjših jeder, ki se uporabljajo v mikrokontrolerjih in drugih napravah v svoji seriji M; ti ne bi zagnali procesorjev aplikacij sami, vendar se lahko navadijo na več drugih čipov v mobilnem ekosistemu in se vse pogosteje uporabljajo za pametnejše mobilne SoC-je. Na primer, Applov A7 SoC ima gibljivi koprocesor M7, ki naj bi bil zasnovan na ARM Cortex-M3 in ga je izdeloval NXP, Motorola X8 SoC pa v Moto X združuje dvojedrni procesor Snapdragon S4 Pro z dvema koprocesorjema z majhno močjo, ki temeljita na DSP-ji Texas Instruments za obdelavo v naravnem jeziku in računalništvo v kontekstu.

Kot smo že omenili, številna podjetja imajo tisto, kar je znano kot "arhitekturna licenca", kar jim omogoča, da ustvarijo svoja jedra s pomočjo nabora navodil, za kar menijo, da jim omogočajo, da z boljšimi zmogljivostmi ustvarijo čipe, ki izstopajo na trgu, upravljanje moči ali oboje. Sem spadajo podjetja, kot so Qualcomm, Marvell, Nvidia in Apple. Po drugi strani ponudba standardnih jeder podjetjem omogoča hitrejše in lažje oblikovanje modelov; mnoga podjetja, ki imajo arhitekturno licenco, uporabljajo standardna jedra ARM v nekaterih izdelkih. Qualcomm ima zdaj nekaj različic svoje Snapdragon linije procesorjev, ki uporabljajo jedra Krait, drugi pa standardna ARM jedra.

Intel in MIPS ponujata alternative

Medtem ko ARM še naprej prevladuje na trgu mobilnih procesorjev, je Intel močno napredoval, čeprav večina uspehov prihaja v tabličnih računalnikih z operacijskim sistemom Windows in nekaj Android. Intelova trenutna ponudba se zdi bolj usmerjena v tablične računalnike kot na telefone, čeprav ima podjetje dva nova procesorja, ki se zdita bolj primerna za telefone, ki bodo izšli pozneje letos (o katerih bom razpravljala, ko bom v naslednji objavi naletela na procesorje določenih podjetij). Intel v mobilni areni potiska svojo linijo procesorjev Atom, čeprav obstaja nekaj tabličnih računalnikov z Windows, ki uporabljajo večjo družino Core, ki se uporablja tudi v prenosnikih in namiznih računalnikih.

Tudi v družini x86 je AMD pokazal nekaj tabličnih računalnikov, ki imajo svoje CPU z nižjo močjo x86. Ponovno bom podrobneje razpravljala kasneje, ko bom govorila o določenih proizvajalcih. Seveda v obeh primerih procesorji poganjajo celotno različico sistema Microsoft Windows, čeprav obe podjetji zdaj nagovarjata tudi na Android. Intel se je še posebej potrudil, da bo Android na svojih čipih zaviralno deloval, medtem ko se je AMD bolj osredotočil na emulator BlueStacks za svoje izdelke x86, saj se tudi letos pripravlja na predstavitev čipov, združljivih z ARM.

Druga možnost bi bili MIPS procesorji, družina procesorjev na osnovi RISC, ki jih je pred nekaj več kot enim letom pridobila družba Imagination Technologies. MIPS je že nekaj časa ponudil 64-bitno arhitekturo kot del svoje linije jeder Aptiv. V začetku tega leta je podjetje napovedalo serijo CPU serije "Warrior" serije 5, ki vključuje tri razrede MIPS procesorjev - serijo M za vgrajene trge, I razred, ki je zasnovan za visoko učinkovitost in zelo integrirane naprave; in razred P, ki je zasnovan za večjo učinkovitost, vključno z aplikacijskimi procesorji. Nove funkcije vključujejo integrirano podporo za grafiko OpenCL in izboljšano varnost. Domišljija pravi, da ti čipi porabijo do 40 odstotkov manj površine kot njihovi konkurenti, z boljšo večnareznostjo za večjedrno uporabo.

Procesorji MIPS so bili na številnih trgih precej uspešni, vključno z omrežnimi procesorji in drugimi aplikacijami v realnem času ter s sprejemniki, vendar jih doslej še nismo videli v mnogih tradicionalnih tabličnih računalnikih ali pametnih telefonih. Kitajsko podjetje z imenom Ingenic ima linijo procesorjev, ki vodijo arhitekturo Xburst, ki temelji na prejšnjem jedru MIPS, in to so uporabili v nekaterih tabličnih računalnikih Android. Nekaj ​​časa nazaj sem poskusil, vendar se zdi, da se je podjetje, ki je to postalo, osredotočilo na tablete, ki temeljijo na ARM. Kljub temu je mogoče, da bi bil MIPS v prihodnosti konkurenčen, zlasti s svojo novo linijo jeder.