Мобилни строителни блокове 2014: мобилни ядра

Всяка година след CES и Mobile World Congress размишлявам върху съобщенията на предаванията и какво означават те за бъдещето на процесорите за мобилни приложения. Със сигурност сме виждали някои интересни разработки, включително набор от 64-битови съобщения за чипове, някои от които са насочени повече към телефоните от среден клас, но новите 32-битови чипове изглеждаха най-популярната тема за разговори в най-високия край, Почти всяка компания, която прави чипове, говори за по-добра графика - с огромни печалби в производителността - и всички говорят за множество ядра, като 4- и дори 8-ядрените чипове вече стават рутинни. Това, което все още не сме виждали, са основни процесори за приложения, изградени по 20nm технология (с изключение на тези от Intel, която контролира проектирането и производството на своите чипове), нито наистина нови 64-битови чипове от висок клас от повечето играчи. В резултат промените, които вероятно ще видим в чиповете за най-високия клас телефони през следващите няколко месеца, може да не са огромни, дори когато телефоните от средния и ниския клас настигнат.

Ще обсъдя подробностите за основните чипове по-късно тази седмица, но бих искал да започна като поговоря за основните градивни елементи, които влизат в създаването на приложни процесори. За разлика от света на PC, като цяло производителите на такива процесори са склонни да използват най-малко някаква интелектуална собственост (IP), или архитектурни лицензи, или пълни ядра, при създаването на своите продукти. Спомнете си, че днес един типичен процесор за приложения включва процесор, графично ядро, често модем за базова лента и редица други функции; и много производители лицензират CPU архитектура, графика или потенциално и двете. Типичният производител на процесори ще комбинира тези функции, както тези, които сами създават, така и тези, които лицензират, за да проектират специфичен чип за целевия пазар. В тази публикация ще говоря за процесорна архитектура, а след това следвайте утре с такава за графичен дизайн.

Много аромати на проектите на ARM

По-голямата част от процесорите за мобилни приложения, които виждате днес, изпълняват някакъв вариант на ARM архитектурата. Всъщност на всички пазари ARM твърди, че са продадени повече от 50 милиарда процесори, използващи неговата технология, като само за 2013 г. са продадени над 10 милиарда. Пазарите на телефони и таблети са съществена част от това, като ARM твърди, че 95 процента от смартфоните в света управляват някаква версия на своята архитектура, но ARM процесорите също са в много други продукти.

Но е важно да се разбере, че ARM всъщност не продава процесори; Вместо това той продава IP - включително действителни основни дизайни и основната основна архитектура, които няколко производители на чипове, включително Apple и Qualcomm, използват за създаване на уникални ядра. Използването на обща архитектура - ефективно набора от инструкции - позволява степен на съвместимост и по този начин улеснява получаването на софтуер за работа с чипове от множество компании.

Има две основни ARM архитектури, които виждаме в мобилните процесори днес - 32-битната ARMv7 и 64-битовата версия ARMv8.

ARMv7 е стандарт на пазара на телефони от години. Това е 32-битов дизайн, който се използва в различни ядра (включително дизайни Cortex-A9, A7 и A15 на ARM, както и архитектурата на "Крайт" на Qualcomm и ядрата, използвани в процесорите на Apple преди A7). Cortex-A9 беше невероятно популярен, но дните му изглеждат преброени. Тази година виждаме повече дизайни, които включват или по-малък, по-енергиен Cortex-A7; или по-мощен Cortex-A15, който предлага по-висока производителност; или комбинация от двете в това, което ARM нарича своята "big.LITTLE" конфигурация.

Cortex-A7 всъщност е много малък - по-малко от половин квадратен милиметър при 28nm процес - и е проектиран да използва много по-малко енергия; по-малко от 100 миливата в сравнение с пик от 200 до 300 миливата за A9 и до 500 миливата за A15. Cortex-A15 добавя поддръжка за 40-битово физическо адресно пространство, въпреки че отделните приложения имат достъп само до 32 бита. Миналото лято ARM представи A12, който трябваше да бъде заместител на A9, като каза, че той е до 40 процента по-бърз от A9 и ще се впише в пространството между A7 и A15. По-рано тази година компанията обяви обновена версия, наречена Cortex-A17, която според нея трябва да предлага по-добра ефективност и 60 процента по-висока производителност от Cortex-A9. (Засега само MediaTek обяви телефонен процесор, а Realtek телевизионен процесор, използващ A17.) ARM вярва, че A17 е последният от своите 32-битови дизайни и е предназначен да има дълъг живот в приложения като телевизори и потребителски продукти, докато в крайна сметка по-голямата част от мобилния пазар преминава към 64-битови дизайни.

Редица компании са комбинирали A7s и A15s (или наскоро A7s и A17s) в тази комбинация big.LITTLE, която позволява на чипа да има ядра с по-ниска мощност, работещи през повечето време, а чипът да преминава към по-голяма мощност ядра, когато се нуждае от допълнителна производителност, може би при извършване на сложно изчисление в играта или дори сложен JavaScript в уеб страница. В някои от тези конструкции, или блокът от A7 ядра, или този от A15 ядра може да бъде активен наведнъж; в други всички ядра могат да работят наведнъж.

Отново изглежда вероятно повечето от бъдещите мобилни чипове, проектирани с ARM ядра, да се преместят в 64-битовата архитектура, въпреки че изглежда сме в първите дни на тази миграция. Наборът от инструкции ARMv8 изглежда се използва в процесора A7 на Apple, който се намира в iPhone 5s и iPad Air и се очаква да бъде включен и в редица други собствени дизайни. И разбира се, ARM има две ядра, които обяви, използвайки тази архитектура: по-малък Cortex-A53 и по-мощен Cortex-A57, отново с възможност за комбиниране в конфигурация big.LITTLE. 64-битовата версия е обратно съвместима, но включва по-големи регистри с общо предназначение и инструкции за медиите (които биха могли да я ускорят при някои операции), поддръжка за памет над 4 GB (особено важно в сървърните приложения); и нови инструкции за криптиране и криптография.

Ядрото на Cortex-A53 е малко по-нататък, като компании като MediaTek, Qualcomm и Marvell обявяват чипове с множество A53 ядра. ARM заявява, че очаква първите подобни чипове да излязат това лято. A57 трябва да бъде забележително по-мощен и ARM очаква мобилните чипове с това ядро ​​да излязат по-късно през годината. (AMD обяви сървърен чип, използващ архитектурата A57, която трябва да влезе в пълно производство към края на годината.)

ARM също предлага редица много по-малки ядра, използвани в микроконтролери и други устройства от своята серия M; те не биха работили самостоятелно процесори за приложения, но могат да се използват в множество други чипове в мобилната екосистема и все по-често се използват за по-интелигентни мобилни SoCs. Например, A7 SoC на Apple има копроцесор за движение M7 на базата на ARM Cortex-M3 и произведен от NXP, а Motorola X8 SoC в Moto X комбинира двуядрен процесор Snapdragon S4 Pro с два копроцесора с ниска мощност на базата на DSP на Texas Instruments за обработка на естествен език и изчисляване на контекста.

Както споменахме по-рано, редица компании имат това, което е известно като "архитектурен лиценз", което им дава възможност да създават свои собствени ядра, използвайки набора от инструкции, които според тях им позволяват да правят чипове, които се открояват за пазара чрез по-добри резултати, управление на мощността или и двете. Те включват компании като Qualcomm, Marvell, Nvidia и Apple. От друга страна, предлагането на стандартни ядра позволява на компаниите да създават дизайн по-бързо и по-лесно; много от компаниите, които имат архитектурен лиценз, използват стандартни ядра ARM в някои продукти. По-специално, Qualcomm вече има някои версии на своята Snapdragon линия процесори, които използват своите ядра Krait, докато други използват стандартни ядра ARM.

Intel и MIPS предлагат алтернативи

Докато ARM продължава да доминира на пазара на мобилни процесори, Intel също прави голям тласък, въпреки че с по-голямата част от своите успехи идва в таблети с Windows и няколко работещи под Android. Настоящото предлагане на Intel изглежда по-насочено към таблетите, отколкото към телефоните, въпреки че компанията има два нови процесора, които изглеждат по-подходящи за телефони, излизащи по-късно тази година (за които ще обсъдя, когато попадна на процесори от конкретни компании в следващия пост). На мобилната арена Intel прокарва своята линия Atom процесори, въпреки че има някои таблети на Windows, които използват по-голямото семейство Core, използвано и в лаптопи и настолни компютри.

Освен това в семейството на x86, AMD показва някои таблети, работещи със своите CPU базирани на по-ниска мощност x86. Отново ще обсъдя подробности по-късно, когато говоря за конкретните производители. И в двата случая, разбира се, процесорите изпълняват пълната версия на Microsoft Windows, въпреки че и двете компании сега се обръщат към Android. По-специално Intel направи голям тласък, за да накара Android да работи първоначално на своите чипове, докато AMD се фокусира повече върху емулатора BlueStacks за своите x86 продукти, тъй като също се подготвя да пусне съвместими с ARM чипове по-късно тази година.

Друг вариант биха били MIPS процесорите, семейство процесори, базирани на RISC, което беше придобито от Imagination Technologies преди малко повече от година. MIPS предлага 64-битова архитектура за известно време, като част от своята линия на ядра Aptiv. По-рано тази година компанията обяви своята генерация на процесори от серия 5 „Warrior“, която включва три класа MIPS процесори - серията M за вградени пазари, I-класът, проектиран за висока ефективност и много интегрирани устройства; и P-класът, проектиран за по-висока производителност, включително процесори за приложения. Новите функции включват интегрирана поддръжка за OpenCL графика и подобрена сигурност. Въображението казва, че тези чипове използват до 40 процента по-малко площ от своите конкуренти, с по-добра мулти-резба за многоядрена употреба.

MIPS процесорите са доста успешни на редица пазари, включително мрежови процесори и други приложения в реално време и приставки, но към днешна дата не сме ги виждали в много традиционни таблети или смартфони. Китайска компания, наречена Ingenic, има линия процесори, управляващи архитектурата Xburst, базирана на по-ранното ядро ​​на MIPS, и това се използва в някои Android таблети. Известно време изпробвах, но изглежда, че компанията, която го направи сега, се фокусира върху таблетки, базирани на ARM. Все пак е възможно MIPS да бъде конкурент в бъдеще, особено с новата си линия ядра.