Мобильные строительные блоки 2014: мобильные ядра

Каждый год после CES и Mobile World Congress я обдумываю анонсы шоу и их значение для будущего процессоров мобильных приложений. Мы, конечно, видели некоторые интересные разработки, в том числе ряд объявлений о 64-битных чипах, некоторые из которых нацелены больше на телефоны среднего класса, но новые 32-битные чипы, казалось, были самой популярной темой для разговоров на высоком уровне., Почти каждая компания, производящая чипы, говорит о лучшей графике - с огромным приростом производительности - и все говорят о многоядерных процессорах, а 4- и даже 8-ядерные чипы стали обычным явлением. Чего мы еще не видели, так это каких-либо крупных процессоров для приложений, созданных с использованием 20-нм технологии (кроме Intel, которая контролирует разработку и производство своих чипов), а также действительно новых высокопроизводительных 64-битных чипов от большинства игроков. В результате, изменения, которые мы, вероятно, увидим в чипах для телефонов высшего класса в течение следующих нескольких месяцев, могут быть невелики, даже если телефоны среднего и низкого уровня наверстывают упущенное.

Я расскажу о деталях основных чипов позже на этой неделе, но я бы хотел начать с обсуждения основных строительных блоков, которые используются при создании процессоров приложений. В отличие от мира ПК, производители таких процессоров, как правило, используют при создании своих продуктов хотя бы некоторую интеллектуальную собственность (IP), либо архитектурные лицензии, либо полные ядра. Напомним, что сегодня типичный процессор приложений включает в себя процессор, графическое ядро, часто модем основной полосы частот и множество других функций; и многие производители лицензируют архитектуру процессора, графику или потенциально оба. Типичный производитель процессоров будет сочетать эти функции, как те, которые они создают сами, так и те, на которые у них есть лицензия, для разработки конкретного чипа для целевого рынка. В этом посте я расскажу об архитектуре процессора, а затем последую завтра с графическим дизайном.

Многие ароматы ARM Designs

Подавляющее большинство процессоров мобильных приложений, которые вы видите сегодня, используют какой-либо вариант архитектуры ARM. Действительно, на всех рынках ARM утверждает, что было продано более 50 миллиардов процессоров, использующих эту технологию, и только в 2013 году было продано более 10 миллиардов. Рынки телефонов и планшетов являются существенной частью этого: ARM утверждает, что 95 процентов смартфонов мира используют некоторые версии своей архитектуры, но процессоры ARM присутствуют и во многих других продуктах.

Но важно понимать, что ARM на самом деле не продает процессоры; вместо этого он продает IP - включая фактические конструкции ядер и базовую базовую архитектуру, которую используют несколько производителей микросхем, включая Apple и Qualcomm, для создания уникальных ядер. Использование общей архитектуры - фактически набора инструкций - обеспечивает определенную степень совместимости и, следовательно, облегчает запуск программного обеспечения на чипах от нескольких компаний.

Сегодня в мобильных процессорах есть две основные архитектуры ARM - 32-разрядная версия ARMv7 и 64-разрядная версия ARMv8.

ARMv7 был стандартом на рынке телефонов в течение многих лет. Это 32-разрядная конструкция, которая используется в различных ядрах (включая модели ARM Cortex-A9, A7 и A15, а также архитектуру Qualcomm «Krait» и ядра, используемые в процессорах Apple до A7). Cortex-A9 был невероятно популярен, но дни его сочтены. В этом году мы видим больше проектов, которые включают в себя либо меньший, более энергоэффективный Cortex-A7; или более мощный Cortex-A15, который предлагает более высокую производительность; или комбинация двух в том, что ARM называет своей конфигурацией «big.LITTLE».

Cortex-A7 на самом деле очень маленький - менее половины квадратного миллиметра при 28-нм процессе - и был разработан, чтобы использовать намного меньше энергии; менее 100 милливатт по сравнению с пиковым значением от 200 до 300 милливатт для A9 и до 500 милливатт для A15. Cortex-A15 добавляет поддержку 40-битного физического адресного пространства, хотя отдельные приложения могут получить доступ только к 32-битным. Прошлым летом ARM представила A12, предназначенную для замены A9, заявив, что она на 40 процентов быстрее, чем A9, и будет вписываться в пространство между A7 и A15. Ранее в этом году компания анонсировала обновленную версию Cortex-A17, которая, по ее словам, должна обеспечивать более высокую эффективность и производительность на 60 процентов больше, чем Cortex-A9. (До сих пор только MediaTek анонсировал телефонный процессор и Realtek - телевизионный процессор, использующий A17.) ARM считает, что A17 является последним из его 32-разрядных конструкций и рассчитан на длительный срок эксплуатации в таких приложениях, как телевизоры и потребительские товары, в то время как основная часть рынка мобильных устройств переключается на 64-битные модели.

Ряд компаний объединили A7 и A15 (или, в последнее время, A7 и A17) в эту комбинацию big.LITTLE, которая позволяет чипу работать с ядрами с низким энергопотреблением большую часть времени, а чип переключаться на более мощное. ядра, когда требуется дополнительная производительность, возможно, при выполнении сложных вычислений внутри игры или даже сложного JavaScript на веб-странице. В некоторых из этих конструкций блок ядер A7 или один из ядер A15 могут быть активными одновременно; в других все ядра могут работать одновременно.

Опять же, похоже, что большинство будущих мобильных чипов, разработанных с использованием ядер ARM, перейдут на 64-битную архитектуру, хотя мы, похоже, находимся на заре этой миграции. Набор инструкций ARMv8, по-видимому, используется в процессоре Apple A7, который встречается в iPhone 5s и iPad Air, и, как ожидается, будет в ряде других фирменных конструкций. И, конечно же, ARM имеет два ядра, которые было объявлено с использованием этой архитектуры: меньший Cortex-A53 и более мощный Cortex-A57, опять же с возможностью объединения их в конфигурации big.LITTLE. 64-разрядная версия имеет обратную совместимость, но включает в себя большие регистры общего назначения и инструкции по работе с носителями (что может ускорить выполнение некоторых операций), поддержку памяти за пределами 4 ГБ (особенно важно в серверных приложениях); и новые инструкции по шифрованию и криптографии.

Ядро Cortex-A53 находится чуть дальше, и такие компании, как MediaTek, Qualcomm и Marvell, все анонсируют чипы с несколькими ядрами A53. ARM ожидает, что первые такие чипы будут выпущены этим летом. A57 должен быть заметно более мощным, и ARM ожидает, что мобильные чипы с этим ядром появятся позже в этом году. (AMD объявила о выпуске серверного чипа с архитектурой A57, который должен выйти на полную мощность к концу года.)

ARM также предлагает ряд гораздо меньших ядер, используемых в микроконтроллерах и других устройствах серии M; они не будут запускать процессоры приложений сами по себе, но могут использоваться во многих других чипах в мобильной экосистеме и все чаще используются для повышения эффективности мобильных SoC. Например, Apple A7 SoC имеет сопроцессор движения M7, по сообщениям основанный на ARM Cortex-M3 и производимый NXP, а Motorola X8 SoC в Moto X сочетает двухъядерный процессор Snapdragon S4 Pro с двумя маломощными сопроцессорами на основе DSP Texas Instruments для обработки естественного языка и контекстных вычислений.

Как упоминалось ранее, ряд компаний имеют так называемую «архитектурную лицензию», которая позволяет им создавать свои собственные ядра с использованием набора инструкций, который, по их мнению, позволяет им создавать микросхемы, которые выделяются на рынке благодаря более высокой производительности, управление питанием или оба. К ним относятся такие компании, как Qualcomm, Marvell, Nvidia и Apple. С другой стороны, предложение стандартных ядер позволяет компаниям создавать проекты быстрее и проще; многие компании, имеющие лицензию на архитектуру, используют стандартные ядра ARM в некоторых продуктах. Примечательно, что теперь у Qualcomm есть несколько версий линейки процессоров Snapdragon, в которых используются ядра Krait, в то время как другие используют стандартные ядра ARM.

Intel и MIPS предлагают альтернативы

В то время как ARM продолжает доминировать на рынке мобильных процессоров, Intel также делает большой шаг вперед, хотя большинство ее успехов приходится на планшеты под управлением Windows и некоторые под управлением Android. Нынешнее предложение Intel больше ориентировано на планшеты, чем на телефоны, хотя у компании есть два новых процессора, которые лучше подходят для телефонов, которые появятся в конце этого года (о которых я расскажу, когда перейду к процессорам от конкретных компаний в следующем посте). На мобильной арене Intel продвигает свою линейку процессоров Atom, хотя есть некоторые планшеты с Windows, которые используют большее семейство Core, также используемое в ноутбуках и настольных ПК.

Также в семействе x86 AMD демонстрирует некоторые планшеты с более экономичными процессорами на базе x86. Опять же, я буду обсуждать детали позже, когда буду говорить о конкретных производителях. В обоих случаях, конечно, процессоры работают под полной версией Microsoft Windows, хотя обе компании сейчас тоже обращаются к Android. В частности, Intel сделала большой шаг к тому, чтобы Android работала на своих чипах, а AMD больше сосредоточилась на эмуляторе BlueStacks для своих продуктов x86, а также готовит к выпуску ARM-совместимые чипы в конце этого года.

Другой вариант - это процессоры MIPS, семейство процессоров на основе RISC, которое было приобретено компанией Imagination Technologies чуть более года назад. В течение некоторого времени MIPS предлагал 64-битную архитектуру как часть своей линейки ядер Aptiv. Ранее в этом году компания объявила о своем поколении процессоров Series 5 «Warrior», которое включает в себя три класса процессоров MIPS - серию M для встраиваемых рынков, I-класс, разработанный для высокопроизводительных и очень интегрированных устройств; и P-класс, разработанный для большей производительности, включая процессоры приложений. Новые функции включают интегрированную поддержку графики OpenCL и улучшенную безопасность. Воображение говорит, что эти чипы занимают на 40 процентов меньше площади, чем их конкуренты, с лучшей многопоточностью для многоядерного использования.

Процессоры MIPS были довольно успешными на многих рынках, включая сетевые процессоры и другие приложения реального времени и телевизионные приставки, но на сегодняшний день мы не видели их во многих традиционных планшетах или смартфонах. У китайской компании Ingenic есть линейка процессоров с архитектурой Xburst, основанной на более раннем ядре MIPS, и она использовалась в некоторых планшетах Android. Некоторое время назад я попробовал один, но компания, которая сделала это сейчас, похоже, фокусируется на планшетах на базе ARM. Тем не менее, вполне возможно, что MIPS может стать конкурентом в будущем, особенно с его новой линейкой ядер.