Blocuri mobile 2014: nuclee mobile

În fiecare an după CES și Mobile World Congress, iau în considerare anunțurile show-urilor și ce înseamnă acestea pentru viitorul procesoarelor de aplicații mobile. Cu siguranță am văzut câteva evoluții interesante, inclusiv un set de anunțuri pe 64 de biți, dintre care unele sunt orientate mai mult către telefoanele mid-range, dar noile cip-uri pe 32 de biți păreau să fie subiectul cel mai popular al conversației la nivel înalt..

Aproape fiecare companie care produce cipuri vorbește despre o grafică mai bună - cu câștiguri uriașe în ceea ce privește performanța - și toate vorbesc despre mai multe nuclee, cipurile cu 4 și chiar 8 nuclee devenind acum de rutină. Ceea ce nu am văzut încă sunt procesoarele de aplicații majore construite folosind tehnologia 20nm (cu excepția celor de la Intel, care controlează designul și fabricația pentru cipurile sale), nici cipuri de înaltă calitate, de 64 de biți, de la majoritatea jucătorilor. În consecință, este posibil ca schimbările pe care le vedem în cipurile pentru telefoanele de cea mai înaltă gamă în următoarele câteva luni să nu fie uriașe, chiar dacă telefoanele de gamă medie și joasă.

Voi discuta despre detaliile cipurilor principale mai târziu săptămâna aceasta, dar aș dori să încep prin a vorbi despre blocurile de bază care intră în crearea procesoarelor de aplicații. Spre deosebire de lumea PC-urilor, în general, producătorii de astfel de procesoare tind să folosească cel puțin o proprietate intelectuală (IP), fie licențe de arhitectură, fie nuclee complete, pentru a-și crea produsele. Reamintim că un procesor tipic de aplicații include astăzi un procesor, core core, adesea un modem în bandă de bază și o serie de alte funcții; și mulți producători licențează arhitectura CPU, grafică sau potențial ambele. Un producător tipic de procesoare va combina aceste caracteristici, atât pe cele pe care le creează singure, cât și pe cele pe care le licențează, pentru a proiecta un cip specific pentru o piață țintă. În această postare, voi vorbi despre arhitectura procesorului, apoi urmează mâine cu una despre design grafic.

Multe arome ale design-urilor ARM

Marea majoritate a procesoarelor de aplicații mobile pe care le vedeți astăzi rulează o variantă a arhitecturii ARM. Într-adevăr, pe toate piețele, ARM susține că au fost vândute peste 50 de miliarde de procesoare care folosesc tehnologia sa, cu peste 10 miliarde vândute doar în 2013. Piețele de telefoane și tablete sunt o parte semnificativă din aceasta, ARM susținând că 95 la sută dintre telefoanele inteligente din lume au o versiune a arhitecturii sale, dar procesoarele ARM sunt și în multe alte produse.

Dar este important să înțelegem că ARM nu vinde de fapt procesoare; în schimb, vinde IP - inclusiv design-uri de bază efective și arhitectura de bază de bază, pe care mai mulți vânzători de cipuri, inclusiv Apple și Qualcomm, folosesc pentru a crea nuclee unice. Utilizarea unei arhitecturi comune - în mod eficient setul de instrucțiuni - permite un grad de compatibilitate și, astfel, ușurează obținerea software-ului pentru a rula cipuri de la mai multe companii.

Există două arhitecturi de bază ARM pe care le vedem astăzi în procesoarele mobile - ARMv7 pe 32 de biți și versiunea ARMv8 pe 64 de biți.

ARMv7 este standardul pe piața telefoanelor de ani buni. Acesta este un design pe 32 de biți care este utilizat într-o varietate de nuclee (inclusiv design-urile ARM Cortex-A9, A7 și A15, precum și arhitectura Qualcomm „Krait” și nucleele utilizate în procesoarele Apple înainte de A7). Cortex-A9 a fost incredibil de popular, dar zilele sale par numerotate. În acest an, vedem mai multe modele care includ fie un Cortex-A7 mai mic, mai eficient din punct de vedere al puterii; sau un Cortex-A15 mai puternic, care oferă performanțe superioare; sau o combinație a celor două în ceea ce ARM numește configurația sa „big.LITTLE”.

Cortex-A7 este de fapt foarte mic - mai puțin de jumătate de milimetru pătrat pe un proces de 28 nm - și a fost proiectat pentru a utiliza mult mai puțină putere; mai puțin de 100 milliwatt în comparație cu un vârf de 200 - 300-milliwatt pentru un A9 și până la 500 milliwatt pentru un A15. Cortex-A15 adaugă suport pentru un spațiu de adrese fizice de 40 de biți, deși aplicațiile individuale pot accesa doar 32 biți. Vara trecută, ARM a introdus A12, menit să fie un înlocuitor pentru A9, spunând că este cu până la 40 la sută mai rapid decât un A9 și că se va încadra în spațiul dintre A7 și A15. La începutul acestui an, compania a anunțat o versiune actualizată numită Cortex-A17, despre care spune că ar trebui să ofere o eficiență mai bună și o performanță cu 60% mai mare decât Cortex-A9. (Până în prezent, doar MediaTek a anunțat un procesor de telefon și Realtek un procesor TV folosind A17.) ARM consideră că A17 este ultimul dintre designurile sale pe 32 de biți și este menit să aibă o viață lungă, în aplicații precum televizoare și produse de larg consum, în timp ce cea mai mare parte a pieței mobile trece la designuri pe 64 de biți.

O serie de companii au combinat A7s și A15 (sau mai recent A7s și A17s) în acea combinație mare.LITTLE, care permite unui cip să aibă nucleele de putere inferioară care rulează de cele mai multe ori și cipul trece la puterea mai mare core atunci când are nevoie de performanță suplimentară, probabil în timp ce executați un calcul complex în interiorul unui joc, sau chiar JavaScript complicat într-o pagină web. În unele dintre aceste proiecte, fie blocul de nuclee A7, fie cel de nuclee A15 pot fi active simultan; în altele, toate nucleele pot funcționa simultan.

Din nou, pare probabil că majoritatea viitoarelor cipuri mobile concepute cu nuclee ARM vor trece la arhitectura pe 64 de biți, deși par să fim în primele zile ale acelei migrații. Setul de instrucțiuni ARMv8 pare să fie utilizat în procesorul A7 de la Apple, care se găsește în iPhone 5s și iPad Air și este de așteptat să fie și într-o serie de alte modele proprii. Și, desigur, ARM are două nuclee pe care le-a anunțat folosind această arhitectură: un Cortex-A53 mai mic și un Cortex-A57 mai puternic, din nou cu opțiunea de a le combina într-o configurație mare.LITTLE. Versiunea pe 64 de biți este compatibilă înapoi, dar include registre mai mari pentru scopuri generale și instrucțiuni media (care ar putea face mai rapid în unele operațiuni), suport pentru memorie de peste 4 GB (important în special în aplicațiile server); și noi instrucțiuni de criptare și criptografie.

Nucleul Cortex-A53 este un pic mai departe, companiile precum MediaTek, Qualcomm și Marvell anunță jetoane cu mai multe nuclee A53. ARM spune că se așteaptă ca primele astfel de cipuri să fie lansate în această vară. A57 ar trebui să fie în special mai puternic, iar ARM se așteaptă ca jetoanele mobile cu acest nucleu să fie scoase la sfârșitul anului. (AMD a anunțat un cip server folosind arhitectura A57, urmând să intre în producție completă până la sfârșitul anului.)

ARM oferă, de asemenea, o serie de nuclee mult mai mici utilizate în microcontrolere și alte dispozitive din seria sa M; acestea nu ar rula singure procesoarele de aplicații, dar s-ar putea obișnui în mai multe alte cipuri din ecosistemul mobil și sunt din ce în ce mai utilizate pentru a face SoC-urile mobile mai inteligente. De exemplu, A7 SoC de la Apple are un coprocesor M7 în mișcare bazat pe ARM Cortex-M3 și fabricat de NXP, iar Motorola X8 SoC din Moto X combină un procesor dual-core Snapdragon S4 Pro cu două coprocesoare cu putere redusă bazate pe DSP-uri Texas Instruments pentru procesare în limbaj natural și calcul contextual.

După cum am menționat anterior, o serie de companii au ceea ce este cunoscut sub numele de „licență de arhitectură”, care le permite să-și creeze propriile nuclee folosind setul de instrucțiuni, ceea ce cred că le permite să facă cipuri care ies în evidență pentru piață printr-o performanță mai bună, gestionarea puterii sau ambele. Acestea includ companii precum Qualcomm, Marvell, Nvidia și Apple. Pe de altă parte, oferirea de nuclee standard permite companiilor să creeze modele mai rapid și mai ușor; multe dintre companiile care au o licență arhitecturală folosesc nuclee ARM standard în unele produse. În special, Qualcomm are acum câteva versiuni ale liniei sale de procesoare Snapdragon care folosesc nucleele Krait, în timp ce altele folosesc nuclee ARM standard.

Alternative și oferte alternative MIPS

În timp ce ARM continuă să domine piața procesoarelor de telefonie mobilă, Intel a făcut o presiune importantă, deși majoritatea succeselor sale apar în tablete care rulează Windows și câteva Android care rulează. Oferta actuală a companiei Intel pare mai degrabă orientată spre tablete decât telefoane, deși compania are două noi procesoare care par mai potrivite pentru telefoanele care vor ieși la sfârșitul acestui an (despre care voi discuta când voi intra în procesoare de la anumite companii în următoarea postare). În arena mobilă, Intel își împinge linia de procesoare Atom, deși există unele tablete Windows care folosesc familia Core mai mare folosită și în laptopuri și desktop.

De asemenea, în cadrul familiei x86, AMD a prezentat unele tablete care utilizează procesoarele sale bazate pe x86 cu putere mai mică. Din nou, voi discuta detaliile mai târziu, atunci când vorbesc despre factorii de decizie. În ambele cazuri, desigur, procesoarele rulează versiunea completă a Microsoft Windows, deși ambele companii se adresează și Android. Intel, în special, a făcut o presiune importantă pentru ca Android să funcționeze nativ pe cipurile sale, în timp ce AMD s-a concentrat mai mult pe emulatorul BlueStacks pentru produsele sale x86, deoarece se pregătește să lanseze cipuri compatibile ARM la sfârșitul acestui an.

O altă opțiune ar fi procesoarele MIPS, o familie de procesoare bazată pe RISC, care a fost achiziționată de Imagination Technologies în urmă cu puțin peste un an. MIPS a oferit o arhitectură pe 64 de biți de ceva timp, ca parte a liniei sale nucleare Aptiv. La începutul acestui an, compania și-a anunțat generația de CPU Seria 5 „Warrior”, care include trei clase de procesoare MIPS - seria M pentru piețele încorporate, clasa I proiectată pentru dispozitive de înaltă eficiență și foarte integrate; și clasa P proiectată pentru mai multe performanțe, inclusiv procesoare de aplicații. Noile funcții includ suportul integrat pentru graficele OpenCL și securitatea îmbunătățită. Imaginația spune că aceste jetoane folosesc cu 40% mai puțină suprafață decât concurenții lor, cu mai multe filetări mai bune pentru utilizare multi-core.

Procesoarele MIPS au avut un succes destul de mare pe o serie de piețe, inclusiv procesoare de rețea și alte aplicații în timp real și set-top box-uri, dar până în prezent nu le-am văzut în multe tablete sau smartphone-uri tradiționale. O companie chineză numită Ingenic are o linie de procesoare care rulează arhitectura Xburst bazată pe nucleul MIPS anterior, iar aceasta a fost folosită în unele tablete Android. Cu ceva timp în urmă, am încercat unul, dar compania care a făcut-o acum pare să se concentreze pe tablete bazate pe ARM. Cu toate acestea, este posibil ca MIPS să fie un concurent în viitor, în special cu noua sa linie de nuclee.