Мобильные производители чипов: основные строительные блоки

Хотя можно утверждать, что рынок процессоров для настольных ПК и ноутбуков в последнее время стал довольно ограниченным и предсказуемым, рынок процессоров для приложений для мобильных телефонов и планшетов остается чрезвычайно динамичным рынком с более чем дюжиной конкурентов. Эти процессоры движутся довольно быстро, и в этом году стала широко распространенной новая функция прошлого года - четырехъядерные процессоры приложений.

Я следил за тем, куда движутся процессоры и как они должны развиваться в наступающем году. В следующих нескольких постах я напишу о конкретных процессорах, но давайте начнем с рассмотрения компонентов, которые входят в состав микросхем.

Основные строительные блоки

Все мобильные процессоры включают как процессорные ядра, так и графические ядра; большинство из них содержат некоторые функции подключения и / или аппаратное обеспечение основной полосы частот для подключения к мобильной сети. (Даже тогда, как правило, телефонам требуется отдельная радиочастотная микросхема для соединений, плюс отдельная микросхема связи для таких вещей, как Wi-Fi и Bluetooth.)

Одна из причин столь высокой конкуренции в мобильном пространстве заключается в том, что подавляющее большинство процессоров для телефонов и планшетов основано на некоторой итерации архитектуры ARM, либо с использованием ядер, которые сам ARM Holdings разрабатывает, либо с помощью пользовательских ядер, которые были построены с использованием «архитектурная лицензия», в том числе Qualcomm (с его ядром «Krait») и Apple в мобильном пространстве.

Конечно, есть конкурирующие архитектуры. Intel пытается продвинуть архитектуру x86, которая была настолько популярна в настольных компьютерах и ноутбуках, а Imagination Technologies также недавно приобрела архитектуру MIPS (подробнее об этом позже). Тем не менее, ARM действительно доминирует на рынке мобильных процессорных ядер.

Графика несколько разнообразнее. Наиболее известным сторонним поставщиком графического IP является Imagination Technologies. Его семейство Power VR используется в самых разных процессорах, в том числе от Intel и Apple. ARM конкурирует со своим графическим ядром семейства Mali, и ряд производителей микросхем создают собственную графику, включая Qualcomm с графикой Adreno и Nvidia с графикой GeForce.

ARM Ядра Везде

ARM на самом деле создает множество различных ядер, начиная от крошечных маленьких ядер, используемых во всех видах устройств, и заканчивая серией Cortex, которая обычно наблюдается в мобильных процессорах. Даже здесь есть множество вариантов, начиная от Cortex-A9 (используется в большинстве современных телефонов) до нового более мощного Cortex-A15 и крошечного энергоэффективного Cortex-A7.

Последние несколько лет Cortex-A9 был сердцем большинства сторонних ядер приложений, хотя в этом году многие производители процессоров приложений переходят на новые разработки. Многие основаны на Cortex-A15, который был разработан для более высокой производительности, и / или Cortex-A7, который был разработан, чтобы использовать меньше энергии. A15 имеет 40-битное физическое адресное пространство, хотя отдельные потоки могут получить доступ только к 32-битным, и он предлагает новую архитектуру, которая должна быть более мощной. Broadcom, Nvidia, Samsung, ST-Ericsson и Texas Instruments объявили о планах для процессоров, использующих это ядро.

Cortex-A7 интересен, так как он был разработан, чтобы использовать значительно меньше энергии и быть значительно меньше, чем Cortex-A9. Как вы можете видеть на приведенной выше диаграмме, реализация Cortex-A7 длиной 28 нм может быть крошечной - менее половины квадратного миллиметра - и использовать только примерно треть мощности 40-нм Cortex-A9. Несмотря на то, что он может немного варьироваться в зависимости от реализации, в целом каждое ядро ​​A7, как ожидается, будет потреблять менее 100 милливатт энергии по сравнению с пиковым значением 200–300 милливатт для A9 и до 500 милливатт для A15.

Но самый большой толчок ARM - это то, что он называет архитектурой big.LITTLE, которая соединяет A7 и A15. В такой конструкции чип может иметь несколько ядер в каждой архитектуре, причем ядра с более низким энергопотреблением работают большую часть времени, а чип переключается на ядра с более высоким энергопотреблением, когда ему требуется дополнительная производительность, возможно, при выполнении сложных вычислений внутри игра или даже сложный JavaScript на веб-странице.

В настоящее время в число заявленных лицензиатов объединенной архитектуры входят CSR, Fujitsu, MediaTek, Renesas Mobile и Samsung Electronics. Первым объявлением об этом была Samsung Exynos 5 Octa, но другие производители, такие как Renesas, похоже, отстали. На выставке ARM продемонстрировала, как комбинация big.LITTLE может экономить энергию.

За A15 и A7 последуют Cortex-A57 и A53, которые также будут объединены в схему big.LITTLE, в которой большую часть времени работает A53 с низким энергопотреблением, но A57 доступен, когда требуется больше энергии. Несмотря на то, что оба они поддерживают 64-разрядные процессоры, первоначально они будут работать с 32-разрядными операционными системами, которые не могут обрабатывать более 4 ГБ, что является пределом 32-разрядных процессоров в большинстве случаев. (Эти ядра также попадут в процессоры, предназначенные для рынка серверов, где требуется больший объем памяти.)

Но мы видим не только один подход. Кажется, что у каждого производителя процессоров свой подход к процессорам высокого класса. Samsung и Renesas предлагают четыре A15 и четыре A7. Nvidia продвигает четыре полнофункциональных A15 и ядро ​​с низким энергопотреблением. MediaTek и другие используют просто четыре A7. ST-Ericsson продвигает ядра A9, но с большей скоростью.

И затем есть компании, которые имеют «архитектурные лицензии». По сути, они позволяют фирмам создавать ядра, которые имеют уникальные функции, но по-прежнему совместимы с архитектурой ARM. Эта архитектура - фактически набор инструкций - сама имеет несколько вариантов, причем A9, A7 и A15 используют так называемый ARMv7. Предстоящие A53 и A57 используют более новый вариант, который поддерживает 64-разрядные вычисления, известный как ARMv8.

Многие компании имеют архитектурные лицензии. Возможно, самым известным является Qualcomm, который использует свое ядро ​​"Krait" в большинстве своих современных процессоров (хотя использует A7s на младшем уровне). Krait - это ARMv7-совместимое ядро. Marvell разрабатывает собственные ядра в линейке процессоров Armada. Apple не раскрывает большинство деталей своих процессоров, но, как полагают, разработала собственные ядра для своих процессоров A6 и A6X для iPhone и iPad. Первые процессорные ядра, совместимые с ARMv8, скорее всего, будут в серверных чипах, таких как AppliedMicro X-Gene, но, вероятно, многие другие компании, выпускающие ARM-совместимые ядра, последуют их примеру. Например, Nvidia объявила о планах создать собственное ядро ​​под названием «Project Denver» для мобильного процессора, которое должно выйти в 2015 году.

Альтернативы x86 и MIPS

В то время как архитектура ARM доминирует над мобильными телефонами и планшетами, есть альтернативы. В последнее время Intel больше всего шумит, создав серию продуктов и план для своего семейства Atom, ориентированных на мобильные устройства. В январе компания CES продемонстрировала на CES новый процессор, предназначенный для нижнего уровня рынка смартфонов под названием Z2420 (с кодовым названием Lexington), а на Всемирном конгрессе мобильных устройств представила свою платформу Clover Trail + во главе с двухъядерным процессором и Поток Atom Z2580, работающий на частоте до 2 ГГц.

Хотя компания уже некоторое время демонстрирует телефоны на базе Atom, только в прошлом году такие телефоны действительно появились на рынке. Intel заявляет, что в настоящее время она имеет 10 дизайнов мобильных телефонов на базе своего чипа Atom в более чем 20 странах и демонстрирует такие функции, как поддержка HDR-камер без размытия в движении. Нынешние процессоры Intel Atom сделаны по 32-нм технологии, но компания планирует перейти к 22-нм технологии FinFET, которую она использует в своих процессорах Core примерно в конце года. Конечно, Intel долгое время доминировала в сегменте ноутбуков и в этом году добилась определенных успехов с планшетами на базе Atom и Core, а также с кабриолетами. Я расскажу подробности, когда попаду к отдельным поставщикам процессоров в следующем посте.

Традиционный конкурент Intel в процессорах x86, AMD, также присутствовал на Mobile World Congress, демонстрируя Temash, свой новый процессор, предназначенный для планшетов и гибридов Windows. Это будет доступно как в двухъядерной, так и в четырехъядерной версиях, и AMD продемонстрировала демонстрацию того, как она превзошла существующую платформу Clover Trail. Это планируется выпустить в первой половине 2013 года. У AMD пока нет телефонной платформы.

Другая архитектура процессора, которую мы видели в мобильных устройствах, основана на MIPS, который недавно был приобретен компанией Imagination Technologies. MIPS предлагает три уровня с семейством процессорных ядер Aptiv, включая линию Pro-Aptiv, предназначенную для процессоров приложений. Представители Imagination отмечают, что MIPS продает 64-разрядные ядра в течение 20 лет, и говорят, что цель компании - отгрузить 25 процентов всех процессорных ядер в течение следующих четырех-пяти лет. На данный момент основная масса процессоров MIPS выходит на рынки, такие как сети, инфраструктура и телевизионные приставки, но Ingenic действительно производит процессоры для мобильных устройств, и компания ожидает увидеть больший упор в этой области. MIPS недавно анонсировала новую версию архитектуры под названием V5 и планирует увидеть первые чипы в конце этого года.

Графика: Удивительный Конкурс

Если ARM доминирует в ядрах мобильных приложений, Imagination Technologies доминирует в мобильных графических ядрах, хотя и сталкивается с растущей конкуренцией.

Сегодняшнее воображение в основном представлено серией PowerVR 5, включая расширение 5XT, которое добавляет некоторые возможности, обеспечивающие возможности OpenGL ES 3.0. Высококачественным сегодня является SGX 544MP4 - «4» указывает количество графических ядер. Многие компании поддерживают графику Imagination, включая Apple, Intel, MediaTek, ST-Ericsson, Ingenic, Allwinner и Texas Instruments. Хотя Apple, как правило, не подтверждает это, текущий процессор iPad A6X имеет четырехъядерную графику PowerVR SGX 554MP4. (Воображение продемонстрировало это на своем стенде на выставке Mobile World Congress.) Позже компания подтвердила, что Samsung Exynos 5410 Octa также использует эту графику.

Двигаясь вперед, компания продвигает PowerVR серии 6, которая будет изначально поддерживать DirectX 10 и Open GL ES 3.0. Это будет предлагаться с одним-шестью кластерами графики, начиная от G6100 до топового 6630. Воображение говорит, что у него есть 10 лицензиатов для графики VR6.

Воображение также продвигает отдельную графическую возможность в виде своих видео ядер PowerVR, которая включает в себя декодирование и кодирование видео. Компания заявляет, что ее лицензиаты поставили более 500 миллионов этих ядер.

Среди лицензируемой графики крупнейшим конкурентом Imagination является ARM, предлагающий ядра для графических процессоров Mali. ARM заявляет, что теперь у нее есть 75 лицензиатов для этого, и ожидает, что 240 миллионов процессоров будут поставляться с этой технологией в 2013 году. В частности, компания заявила, как можно использовать комбинацию для таких вещей, как вычисления на GPU, демонстрация вычислительной фотографии, распознавание лиц, и игры в реальном времени.

В семействе Mali есть несколько градаций, в том числе семейства Mali-400 и -450, ориентированные в основном на смартфоны массового рынка, и семейство Mali-T600, нацеленные больше на высококлассные модели.

Среди компаний, использующих ядра Mali, Samsung Electronics, Leadcore, MediaTek, Spreadtrum, ST-Ericsson, AllWinner и Rockchip. Если вы заметили некоторое совпадение со списком Imagination, то это потому, что некоторые компании используют разную графику на разных процессорах.

Но, пожалуй, главными конкурентами лицензируемых графических ядер являются уникальные графические решения, которые включают в себя многие производители процессоров приложений. Qualcomm, вероятно, был самым успешным, широко используя свою графику Adreno в своем семействе процессоров Snapdragon. Это также входит в различные вкусы, в зависимости от рынка, для которого предназначен чип. Nvidia, вероятно, больше всего использовала графику в качестве дифференциатора, рассказывая о своей графике GeForce и о том, как она взяла свое игровое наследие на ПК и применила его к мобильным процессорам. Broadcom также имеет собственную мультимедийную технологию, известную как VideoCore.

Я подробнее расскажу о конкретных производителях чипов в моем следующем посте.