Producătorii de cipuri mobile: elementele de bază

Deși puteți susține că piața procesoarelor desktop și notebook-urilor a devenit destul de limitată și previzibilă în ultima perioadă, piața procesoarelor de aplicații pentru telefoane mobile și tablete rămâne o piață extrem de vibrantă, cu mai mult de zeci de concurenți. Aceste procesoare se mișcă destul de repede, cu noua caracteristică de anul trecut - procesoare de aplicații quad-core - devenind obișnuită în acest an.

Am urmărit unde se îndreaptă procesoarele și cum ar trebui să evolueze în anul care vine. În următoarele câteva postări, voi scrie despre procesoarele specifice, dar să începem analizând componentele care intră în cipuri.

Blocurile de bază de construcție

Toate procesoarele mobile includ atât nuclee de procesor cât și nuclee grafice; cele mai multe conțin unele caracteristici de conectivitate și / sau hardware cu bandă de bază pentru conectarea la o rețea mobilă. (Chiar și atunci, de obicei, telefoanele necesită un cip RF separat pentru conexiuni, plus un cip separat de conectivitate pentru lucruri precum Wi-Fi și Bluetooth.)

Un motiv pentru care există atât de multă concurență în spațiul mobil este că marea majoritate a procesoarelor pentru telefoane și tablete sunt construite pe o anumită iterație a arhitecturii ARM, fie folosind nuclee pe care ARM Holdings le proiectează în sine, fie nuclee personalizate care au fost construite folosind un „licență de arhitectură”, incluzând în special Qualcomm (cu nucleul său „Krait”) și Apple în spațiul mobil.

Desigur, există arhitecturi concurente. Intel încearcă să împingă arhitectura x86 care a fost atât de populară pe computerele de pe desktop și pe notebook-uri, iar Imagination Technologies are și arhitectura MIPS dobândită recent (mai multe despre asta mai târziu). Cu toate acestea, ARM domină cu adevărat piața nucleelor ​​de procesoare mobile.

Grafica este ceva mai diversă. Cel mai cunoscut furnizor terț de grafică IP este Imagination Technologies. Familia sa Power VR este utilizată într-o mare varietate de procesoare, inclusiv în cele de la Intel și Apple. ARM a concurat cu familia sa de nuclee grafice din Mali și o serie de producători de cipuri și-au creat propria grafică, inclusiv Qualcomm cu graficele Adreno și Nvidia cu graficele GeForce.

Cores ARM pretutindeni

ARM creează de fapt o serie de nuclee diferite, de la micile nuclee utilizate în tot felul de dispozitive până la seria Cortex care este de obicei văzută în procesoarele mobile. Chiar și aici, există o varietate de opțiuni, de la Cortex-A9 (folosit în majoritatea telefoanelor actuale) până la noul mai puternic Cortex-A15 și micul Cortex-A7 eficient.

Cortex-A9 a fost inima celor mai multe nuclee de aplicații terțe în ultimii doi ani, deși în acest an mulți producători de procesoare de aplicații se îndreaptă către noi modele. Multe sunt bazate pe Cortex-A15, care a fost proiectat pentru performanțe mai mari și / sau Cortex-A7, care a fost proiectat pentru a utiliza mai puțină putere. A15 are un spațiu de adrese fizice pe 40 de biți, deși firele individuale pot accesa doar 32 biți și oferă o nouă arhitectură care ar trebui să fie mai puternică. Broadcom, Nvidia, Samsung, ST-Ericsson și Texas Instruments au toate planurile anunțate pentru procesoare care folosesc acest nucleu.

Cortex-A7 este interesant, deoarece a fost conceput pentru a utiliza o putere semnificativ mai mică și a fi considerabil mai mic decât Cortex-A9. După cum puteți vedea în graficul de mai sus, o implementare de 28 nm a Cortex-A7 poate fi minusculă - mai puțin de jumătate de milimetru pătrat - și utilizează doar aproximativ o treime din puterea unui Cortex-A9 de 40 nm. Deși poate varia un pic în funcție de implementare, în general, fiecare nucleu A7 este de așteptat să utilizeze mai puțin de 100 milliwatt de putere, comparativ cu un vârf de 200 până la 300 milliwatt pentru un A9 și până la 500 milliwatt pentru un A15.

Dar cea mai mare apăsare a ARM este ceea ce numește o arhitectură big.LITTLE, care împerechează A7 și A15. Într-un astfel de design, un cip ar putea avea mai multe nuclee în fiecare arhitectură, nucleele de putere mai mică rulând de cele mai multe ori și cipul trece la nucleele cu putere mai mare atunci când are nevoie de performanță suplimentară, poate în timp ce rulează un calcul complex în interior un joc, sau chiar JavaScript complicat într-o pagină web.

Licențiații anunțați în prezent pentru arhitectura combinată includ CSR, Fujitsu, MediaTek, Renesas Mobile și Samsung Electronics. Primul anunț în acest sens a fost Exynos 5 Octa de la Samsung, dar alți furnizori precum Renesas par să fie în urmă. În cadrul emisiunii, ARM a demonstrat cum combinația big.LITTLE poate economisi energie.

A15 și A7 vor fi urmate de Cortex-A57 și A53, cărora li se va alătura și o schemă mare.LITTLE, A53 cu putere redusă rulând de cele mai multe ori, dar A57 este disponibil atunci când este nevoie de mai multă putere. Deși sunt ambele procesoare pe 64 de biți, inițial vor rula cu sisteme de operare pe 32 de biți, care nu pot aborda mai mult de 4 GB, limita procesoarelor pe 32 de biți în majoritatea circumstanțelor. (Aceste nuclee își vor găsi, de asemenea, drum în procesoarele orientate către piața serverului, unde este necesară o memorie mai mare.)

Dar nu vedem doar o abordare. Se pare că fiecare vânzător de procesoare are o abordare diferită pentru procesoarele de înaltă calitate. Samsung și Renesas oferă patru A15-uri și patru A7-uri. Nvidia împinge patru A15-uri full-power plus un nucleu cu putere redusă. MediaTek și alții utilizează pur și simplu patru A7-uri. ST-Ericsson promovează nucleele A9, dar cu o viteză mai mare.

Și apoi sunt companiile care au „licențe de arhitectură”. Acestea permit, în esență, firmelor să creeze nuclee care au caracteristici unice, dar care sunt încă compatibile cu arhitectura ARM. Acea arhitectură - în mod eficient setul de instrucțiuni - a avut multiple variante în sine, A9, A7 și A15 folosind toate cele cunoscute sub numele de ARMv7. Următoarele A53 și A57 folosesc o variantă mai nouă care acceptă calcularea pe 64 de biți, cunoscută sub numele de ARMv8.

Multe companii au licențe de arhitectură. Poate cel mai cunoscut este Qualcomm, care își folosește nucleul „Krait” în majoritatea procesoarelor actuale (deși utilizează A7-uri la capătul mic). Krait este un nucleu compatibil cu ARMv7. Marvell își proiectează nucleele proprii în linia sa de procesoare Armada. Apple nu dezvăluie cele mai multe detalii ale procesoarelor sale, dar se crede că și-a proiectat propriile nuclee pentru procesoarele A6 și A6X pentru iPhone și iPad. Primele nuclee de procesor compatibile cu ARMv8 vor fi probabil în cipuri de server, precum AppliedMicro X-Gene, dar este probabil ca multe dintre celelalte companii care formează nuclee compatibile cu ARM să-i urmeze. De exemplu, Nvidia și-a anunțat planurile de a crea propriul nucleu numit „Project Denver” pentru un procesor mobil care va fi lansat în 2015.

Alternative x86 și MIPS

În timp ce arhitectura ARM domină telefoanele mobile și tabletele, există alternative. Intel a făcut cel mai mult zgomot în ultima perioadă cu o serie de produse și o foaie de parcurs pentru familia sa Atom, destinată dispozitivelor mobile. Compania a prezentat un nou procesor care vizează extremitatea joasă a pieței smartphone-urilor numit Z2420 (numit cod Lexington) la CES în ianuarie, iar la Mobile World Congress și-a dezvăluit platforma Clover Trail +, condusă de dual-core / four- fir Atom Z2580, care rulează până la 2GHz.

În timp ce compania arată telefoane bazate pe Atom de ceva timp, doar în ultimul an, astfel de telefoane au făcut-o cu adevărat pe piață. Intel spune că are acum 10 design-uri de telefoane mobile bazate pe cipul Atom în mai mult de 20 de țări și a oferit caracteristici precum suportul camerei HDR fără neclaritate. Procesoarele Atom actuale ale Intel sunt realizate pe tehnologie 32nm, dar compania are în plan să se mute la tehnologia FinFET de 22 nm pe care o folosește în procesoarele sale core până la sfârșitul anului. Desigur, Intel a dominat mult timp segmentul de notebook-uri și a făcut progrese și în ceea ce privește tabletele și convertibilele bazate pe Atom și Core și anul acesta. Voi discuta detaliile când voi ajunge la furnizorii individuali de procesare în următoarea postare.

Rivalul tradițional al Intel în procesoarele x86, AMD, a fost și la Mobile World Congress, arătând Temash, procesorul său care urmărește tabletele și hibrizii Windows. Aceasta va fi disponibilă atât în ​​versiunea dual-core, cât și în cea quad-core, iar AMD arăta demonstrații despre modul în care a depășit platforma Clover Trail existentă. Aceasta este prevăzută să fie publicată în prima jumătate a anului 2013. AMD nu are încă o platformă telefonică.

Cealaltă arhitectură a procesorului pe care am văzut-o pe dispozitivele mobile provine de la MIPS, care a fost achiziționată recent de Imagination Technologies. MIPS oferă trei niveluri cu familia sa Aptiv de nuclee de procesoare, inclusiv linia Pro-Aptiv destinată procesoarelor de aplicații. Oficialii din imaginație notează că MIPS a vândut nuclee pe 64 de biți de 20 de ani și spun că compania are un obiectiv de a livra 25% din toate nucleele procesorului în următorii patru-cinci ani. Deocamdată, cea mai mare parte a procesoarelor MIPS intră pe piețe precum rețelele, infrastructura și set-top box-urile, dar Ingenic face un procesor pentru dispozitive mobile și compania se așteaptă să vadă mai mult accentul în acea zonă. MIPS a anunțat recent o nouă versiune a arhitecturii, numită V5, și se așteaptă să vadă cipurile inițiale la sfârșitul acestui an.

Grafică: Concurență surprinzătoare

Dacă ARM domină în nucleele de aplicații mobile, Imagination Technologies a dominat în nucleele grafice mobile, deși se confruntă cu o concurență din ce în ce mai mare.

Astăzi, imaginația este reprezentată în cea mai mare parte prin seria sa PowerVR 5, inclusiv extensia 5XT care adaugă unele funcții care permit funcțiile OpenGL ES 3.0. Astăzi, SGX 544MP4 - „4” indică numărul de nuclee grafice. Multe companii acceptă grafică de imaginație, inclusiv Apple, Intel, MediaTek, ST-Ericsson, Ingenic, Allwinner și Texas Instruments. Deși Apple în general nu o confirmă, procesorul A6X al iPad-ului actual are grafică quad-core PowerVR SGX 554MP4. (Imaginația a arătat acest lucru în standul de la Mobile World Congress.) Compania a confirmat ulterior că Samsung Exynos 5410 Octa folosește și aceste grafice.

Continuând, compania promovează seria PowerVR 6, care va suporta în mod nativ DirectX 10 și Open GL ES 3.0. Acest lucru va fi oferit cu între unu și șase grupuri de grafică, de la G6100 până la capătul superior 6630. Imaginația spune că are 10 licențiați pentru grafica VR6.

Imaginația împinge, de asemenea, o capacitate grafică separată sub forma nucleelor ​​sale video PowerVR, care include decodarea și codificarea video. Compania spune că licențiatii săi au livrat peste 500 de milioane din aceste nuclee.

Printre graficele autorizate, cel mai mare concurent al Imagination este ARM, care oferă nucleele sale GPU Mali (unități de procesare grafică). ARM spune că acum are 75 de licențiat pentru acest lucru și se așteaptă ca 240 de milioane de procesatori să fie livrate cu această tehnologie în 2013. În special, compania a trâmbițat modul în care combinația poate fi folosită pentru lucruri precum computerul GPU, demonstrarea fotografiei computerizate, detectarea feței, și jocuri în timp real.

În cadrul familiei Mali, există mai multe gradații, inclusiv familiile Mali-400 și -450, destinate mai ales smartphone-urilor de pe piața de masă și familia Mali-T600, care vizează mai mult finalul.

Printre companiile care folosesc nucleele Mali se numără Samsung Electronics, Leadcore, MediaTek, Spreadtrum, ST-Ericsson, AllWinner și Rockchip. Dacă observați o anumită suprapunere cu lista imaginației, asta se datorează faptului că unele companii folosesc grafică diferită în procesoare diferite.

Dar, probabil, cei mai mari concurenți ai nucleelor ​​grafice autorizate sunt graficele unice pe care mulți dintre producătorii de procesoare de aplicații le încorporează. Qualcomm a fost probabil cel mai de succes, folosind graficele sale Adreno în familia de procesoare Snapdragon. De asemenea, aceasta are diferite arome, în funcție de piața pentru care este destinat cip. Nvidia s-a ocupat probabil cel mai mult în utilizarea graficii ca diferențiator, vorbind despre graficele GeForce și despre modul în care și-a luat patrimoniul de jocuri pe PC și a aplicat acest lucru procesoarelor mobile. Broadcom are, de asemenea, propria sa tehnologie multimedia, cunoscută sub numele de VideoCore.

Voi acoperi mai mulți furnizori de cipuri mai multe în următoarea mea postare.