Аналіз розвитку мобільних ЦП та їх технічні характеристики

Вступ

Зовсім не кожен користувач мобільних телефонів відомих марок знає, що саме знаходиться усередині. Адже не завжди смартфон повністю придумала та компанія, чий логотип знаходиться на його корпусі. Тому сьогодні я вирішив звернеться до теми серця будь-якого комунікатора — до процесорів і мобільних платформ, найбільш поширених на сьогоднішній момент.

Серце абсолютно будь-якого комп’ютера процесор (CPU), у тому числі і смартфону, що відповідає за усі обчислення, вироблювані пристроєм і, одночасно, сама технічно складна частина комунікатора. Процесорів з різними характеристиками існує велика кількість і частенько, користувачеві буває дуже важко розібратися в цьому різноманітті. Але тим, кому це дійсно цікаво, допоможуть освоїтися моя курсова робота про мобільні процесори.

Спершу важливо відмітити, що процесори як такі, в мобільних гаджетах не використовуються. Річ у тому, що об'єднуючись разом з іншими компонентами, вони утворюють SoC — System on a chip або систему-на-кристалі. Це означає, що на одній мікросхемі знаходиться повноцінний комп’ютер, серед компонентів якого — процесор, графічний прискорювач і інші, більше специфічні частини. Що робить хорошу перспективу в найближчому майбутньому на розвиток цієї технології

1. Постановка завдання

Темою курсової роботи — «Аналіз розвитку мобільних ЦП та їх технічні характеристики»

Мета курсової роботи вивчити архітектуру і класифікацію мобільних процесорів. Основні технічні характеристики і порівняння, аналіз виробників мобільних процесорів, а також перспективу розвитку.

Для досягнення поставленої мети необхідно розглянути наступні питання:

— Історія розвитку мобільного процесора.

— Сучасні покоління процесорів.

— Виробники мобільних процесорів.

— Ринок мобільних процесорів і його аналіз.

— Архітектура мобільних процесорів і їх класифікація.

— Основні технічні характеристики і порівняння, аналіз виробників мобільних процесорів.

— Перспектива розвитку мобільних процесорів.

2. Основна частина

2.1 Історія розвитку мобільного процесора

Історія почалася в 1990;х роках — тоді ж була і заснована сама компанія ARM, і розроблена 32-бітова RISC-архітектура для мікропроцесорів, яка стала дуже популярна. Основною особливістю стали просунуті технології енергозбереження, і це відкрило широкі можливості в областях вбудованих систем — а це, у свою чергу, привело до домінування на ринку мобільних пристроїв різних видів. Сама компанія нічого не робить, окрім креслень, ідей і ліцензій на використання її розробок у виробництві. На даний момент по ліцензіях британців працюють багато компаній, а ось лише деякі з них — Atmel, Cirrus Logic, колись Intel (27 червня 2006 продали свої лінії по виробництву компанії Marvell), NXP, ST Microelectronics, Samsung, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia.

Але це зовсім не дивно — сімейство ARM за зразковими підрахунками зайняло близько 82% від усіх 32-бітових RISCпроцесорів у вбудовуваних системах. Тут треба віддати належне британцям — якби вони самі робили свої процесори, то не досягли б таких об'ємів. А якби і досягли, то їх, як і всім відому Microsoft, тягали б постійно по судах антимонопольні організації.

І не дивно — адже ARMпроцесори є і в КПК, і в стільникових телефонах, а також і в медіаплеєрах, калькуляторах, мережевому устаткуванні, комп’ютерній периферії і багато чому іншому, тут можна говорити про захоплення світового ринку. А краще подивимося, як же розвивається архітектура зараз — як ви, напевно, здогадалися, усі мобільні процесори якраз так і побудовані на ARM-архітектурі. Але говорячи про мобільні процесори не можна не згадати про компанію Intel.

Компанія Intel була заснована в 1968 році Гордоном Муром і Робертом Найсом, а пізніше приєднався Енді Гроув.

Рисунок 2.1.1 — Процесор х86

У 1971 році компанією був випущений чіп Intel 4004, який вважається першим комерційним мікропроцесором за всю історію існування комп’ютерів.

Рисунок 2.1.2 — Процесор Intel 8086

Наступною віхою в історії Intel, на якій ми зупинимося, став випуск в 1978 році процесора iAPX86, який пізніше дістав назву Intel 8086. Саме цей чіп першим отримав набір команд, який використовується досі і, фактично, став першим процесором на архітектурі x86. З того часу набір команд архітектури постійно розширювався, але зберігав сумісність з попередніми процесорами. Це означає, що програмне забезпечення, яке працювало на старих чіпах, могло без проблем запускатися і працювати на нових. Що цікаво, сама назва архітектури x86 утворена від останніх двох цифр в назві деяких ранніх процесорів Intel — 8086, 80 186, 80 286 і інших. Пізніше випускати x86- процесори стали і деякі інші виробники, а нині для архітектури існує ще одно назва, яку можна іноді зустріти, — IA — 32(Intel Architecture, тобто, 32-бітова архітектура Intel).

Все ще широко поширеною процесорною архітектурою є ARM9 і ARM11, які належать до сімейств ARMv5 і ARMv6 відповідно.

ARM9. Чіпи ARM9 можуть досягати тактової частоти 400 Мгц. Критично важливим для чіпів ARM9 є набір інструкцій Jazelle, який дозволяє комфортно працювати з Javaдодатками (Opera Mini, Jimm, Foliant та ін.).

Процесори ARM11 можуть похвалитися розширеним в порівнянні з ARM9 набором інструкцій і куди більш високою тактовою частотою (аж до 1 ГГц), хоча для сучасних завдань їх потужності теж не досить. Проте, завдяки невисокому енергоспоживанню і, що не менш важливо, собівартості, чіпи ARM11 досі застосовуються в смартфонах початкового рівня: Samsung Galaxy Pocket і Nokia 500. 4]

2.2 Сучасні покоління чіпів

Усі більш-менш нові чіпи архітектури ARM належать до сімейства ARMv7, флагманські представники якого вже досягли відмітки у вісім ядер і тактової частоти понад 2 ГГц. Розроблені безпосередньо ARM Limited процесорні ядра належать до лінійки Cortex і більшість виробників однокристальних систем використовують їх без істотних змін. Лише компанії Qualcomm і Apple створили власні модифікації на основі ARMv7 — перша назвала свої творіння Scorpion і Krait, а друга — Swift.

Рисунок 2.2.1 — Процесор SoC

Історично першим процесорним ядром сімейства ARMv7 було Cortex — A8, яке лягло в основу таких відомих SoC свого часу як Apple A4(iPhone 4 і iPad) і Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S і Galaxy Tab). Воно демонструє приблизно удвічі більш високу продуктивність в порівнянні з передуванням ARM11. До того ж, ядро Cortex — A8 отримало співпроцесор NEON для обробки відео високого розділення і підтримку плагіну Adobe Flash.

Правда, усе це негативно позначилося на енергоспоживанні Cortex — A8, яке значно вище чим у ARM11. Попри те, що чіпи ARM Cortex — A8 досі застосовуються у бюджетних планшетах (однокристальна система Allwiner Boxchip A10), їх дні перебування на ринку, очевидно, злічені.

Рисунок 2.2.2 — Процесор OMAP 3

ARM Cortex-A9. Услід за Cortex-A8 компанія ARM Limited представила нове покоління чіпів — Cortex-A9, яке зараз є найпоширенішим і займає середню цінову нішу. Продуктивність ядер Cortex-A9 виросла приблизно втричі в порівнянні з Cortex-A8, та ще і з’явилася можливість об'єднувати їх два або навіть чотири на одному чіпі.

Співпроцесор NEON став вже необов’язковим: компанія NVIDIA у своїй однокристальній системі Tegra 2 його скасувала, вирішивши звільнити більше місця для графічного прискорювача. Правда, нічого хорошого з цього не вийшло, адже більшість програм все одно орієнтувалися на перевірений часом NEON. 4]

Рисунок 2.2.3 — Процесор NVIDIA Tegra

Саме за часів «царювання» Cortex-A9 з’явилися перші реалізації запропонованої ARM Limited концепції big. LITTLE, згідно якої однокристальні системи повинні мати одночасно потужні і слабкі, але енергоефективні процесорні ядра. Першою реалізацією концепції big. LITTLE стала система-на-чипе NVIDIA Tegra 3 з чотирма ядрами Cortex-A9 (до 1,7 ГГц) і п’ятим енергоефективним ядром-компаньйоном (500 Мгц) для виконання простеньких фонових завдань.

ARM Cortex-A5 і Cortex-A7. При проектуванні процесорних ядер Cortex-A5 і Cortex-A7 компанія ARM Limited переслідувала одно і ту ж мету — добитися компромісу між мінімальним енергоспоживанням ARM11 і прийнятною швидкодією Cortex-A8. Не забули і про можливість об'єднання ядер по два-чотири — багатоядерні чіпи Cortex-A5 і Cortex-A7 мало-помалу з’являються у продажу (Qualcomm MSM8625 і MTK 6589).

Рисунок 2.2.4 — Структура CortexA5 MPCore

ARM Cortex-A15. Процесорні ядра Cortex-A15 стали логічним продовженням Cortex-A9 — як результат, чіпам архітектури ARM уперше в історії вдалося приблизно порівнятися по швидкодії з Intel Atom, а це вже великий успіх. Не даремно адже компанія Canonical в системних вимоги до версії ОС Ubuntu Touch з повноцінною багатозадачністю вказала двоядерний процесор ARM Cortex-A15 або аналогічний Intel Atom.

Рисунок 2.2.5 — Процесор Samsung Exynos (ARM)

Дуже скоро в продаж поступлять численні гаджети на базі NVIDIA Tegra 4 з чотирма ядрами ARM Cortex-A15 і п’ятим ядром-компаньйоном Cortex-A7. Услід за NVIDIA концепцію big. LITTLE підхопила компанія Samsung: «серцем» смартфону Galaxy S4 став чіп Exynos 5 Octa з чотирма ядрами Cortex-A15 і такою ж кількістю енергоефективних ядер Cortex-A7. 3]

Рисунок 2.2.6 — Структура Cortex-A7

2.3 Виробники мобільних процесорів

2.3.1 Компанія Marvell

Компанія Marvell займається виробництвом напівпровідникових чіпів для облаштувань комунікації, зберігання і побутової електроніки. На 2009 рік Marvell здійснила постачання на більш ніж 250 мільйонів чіпів в кожному звітному кварталі, причому більшість з них є процесорними на базі ARMархітектури.

Процесори компанії грунтовані на ядрі XScale, розроблені були Intel і продані цій самій Marvell. Взагалі, ядро має декілька застосувань, але нас цікавить лише сімейство чіпів з префіксом PXA, поліпшене самій Marvell, хоч і на базі дизайну Intel, а саме PXA 3-ої серії під кодовим ім'ям Monahans.

Почалося все в листопаді 2006 року — всього через 5 місяців укладення оборудки про купівлю лінії у Intel, хоча, насправді, лінія опинилася в повній владі Marvell якраз в цьому ж листопаді - сімейство Monahans було представлене широкій публіці у вигляді процесорів з індексами PXA320, PXA300 і PXA310. Якщо говорити трохи детальніше, то найпоширенішим на момент написання статті є PXA320, здатний працювати на тактовій частоті до 806 Мгц.

Що стосується PXA300/310, то у них досягнення скромніші - максимум до 624 Мгц по частоті, але при цьому повна сумісність з програмами від PXA320. Проте не варто недооцінювати старенький Marvell PXA310/312, адже на його базі працюють такі апарати, як BlackBerry 9700 Bold, General Mobile DSTL1 також відомий як Yuhua X2 або RoverPC Twin, серія телефонів від HKC — Prado, Mopad 8/E, G920 і G908.

Навіть уся сьома серія RoverPC (RoverPC pro G7, RoverPC X7 і RoverPC evo V7) і купа моделей від Samsung (Samsung i780, Samsung i900 Omnia, i907 Epix, i908 Omnia, i910 Omnia, SCH — M490/M495, SPH — M4800) — усі вони мають усередині це процесорне ядро.

Видатною моделлю зараз є платформа Marvell Armada моделі 500/600: тактова частота ядра може досягати 1.2 ГГц у ARMпроцесора «Sheeva», спареного з GC-прискорювачем графіки Vivante.

Що ж до майбутнього, то компанія планує розвивати своє чотирьох ядерне сімейство, що входить в серію Marvell ARMADA, спроектовану в 2009 році на базі все тій же ARM-архітектури. 1]

2.3.2 Компанія Qualcomm

Спочатку діяльність компанії Qualcomm сконцентрувалася на комунікаціях, а саме на безпровідному зв’язку. За час свого існування компанія не раз продавала свої виробництва, стараючись, зосередиться саме на процесі розробки, щоб потім передавати ліцензії стороннім виробникам.

Власне, процесори Qualcomm почала випускати у складі платформи Convergence Platform. Переважна більшість з них — що складається з двоядерної моделі з обчислювальним ядром на базі ARM11 і контроллером на базі ARM9. Моделі Qualcomm MSM7200, MSM7500 і MSM7600 були анонсовані в середині 2004 року. Відрізнялися чіпи лише типами підтримки безпровідних мереж (WCDMA/UMTS/HSDPA, CDMA2000 і обидва варіанти в третьому чіпі відповідно).

Як приклад — в 2008 році вийшов HTC Touch Diamond, а усередині нього стояв процесор Qualcomm MSM7201A з тактовою частотою 528 Мгц, і що являється, як не складно здогадатися, модифікацією вищезгаданого MSM7200.

Взагалі, нічого примітного, звичайні процесори, але у кінці 2008 року Qualcomm представила свою новітню розробку (зрозуміло, не з нуля, читач адже пам’ятає, що усю архітектуру спочатку розробляє компанія ARM) під назвою Snapdragon.

За цим кодовим позначенням таїться сімейство чіпсетів, або «платформ» за заявою компанії, створене спеціально для смартфонів комунікаторів. На даний момент Qualcomm Snapdragon складається з двоядерного ARMпроцесора Scorpionс можливістю роботи на частоті до 1,5 ГГц, сполученого з графічним чіпом серії Imageon (раніше AMD Imageon, але в 2008 році підрозділ викупила Qualcomm).

Історія ядра Scorpion, розробленого на базі ядра ARM, почалася, в принципі, ще з 2005 року — ліцензувавши у компанії ARM ядро Cortex A8, інженери Qualcomm розробили на його основі власне сам Scorpion, який працював з набором інструкцій ARMv7.

Але він став більше просунутий відносно енергоефективності - тактова частота від 1 ГГц (для А8 це стеля) і удвічі менше споживання електроенергії. Крім того, поліпшений техпроцесс — виробництво йде на базі 65 нм.

А до кінця 2009 вийшли чіпи серії QSD8x50A — техпроцесс 45 нм, тактова частота 1,3 ГГц і ще на 30%% менше споживання. Як Ви бачите, платформа дуже потужна і перспективна. Сама ж Qualcomm заявляє, що архітектура платформи в змозі спокійно витримати 30-сантиметровий дисплей з дозволом до 1440×900, тобто, стандарт WSXGA. На початок 2010 року цю платформу використовують:

— Toshiba;

— Acer;

— HTC;

— Google;

— Sony Ericsson.

Але Qualcomm не зупиняється на досягнутому і в 2010 році виходить нова версія платформи Snapdragon — після 8X50A (1.3 ГГц по техпроцессу 45 нм) вийшов чіпсет 8X72 з максимальною чистотою на той час 1,5 ГГц на ядро. При цьому чіпсет QSD8672 апарат, але підтримує HSPA+, GPS, Bluetooth, відтворення і декодування HD-відео 1080р, Wi-Fi і стандарти мобільного ТБ MediaFLO, DVB-H і ISDB-T. 5]

2.3.3 Компанія Texas Instruments

Компанія по об'ємах випускай мої продукції, поступається тільки трьом компаніям: Intel, Samsung і Toshiba. А вже по мобільних чіпах займає взагалі перше місце.

І все тому що OMAP (Open Multimedia Application Platform або Відкрита Платформа для Мультимедійних Застосувань) по суті є цілою лінійкою власних розробок Texas Instruments на базі ліцензій ARM для різноманітних мобільних пристроїв, а по ревізіях платформи можна мало не простежити увесь шлях еволюції ARM-процесорів.

Хоч це і не афішується фірмами-виробниками, але цілі покоління стільникових телефонів і смартфонів працювали тільки на процесорних розробках Texas Instruments. Тому, щоб не бути голослівним, приведемо найцікавіші ревізії і подивимося, які телефони на ній виходили:

— Texas Instruments OMAP 2420 — представник другого покоління, на його базі працювали Motorola MOTO Q 9h, Q music 9m, Q PRO, MOTORIZR Z8/Z10; Nokia E90, N82, N93, N93i, N95; Sony Ericsson SO902i/SO902iWP+. Оснащений був процесором ARM1136 з тактовою частотою 330 Мгц.

— Texas Instruments OMAP2430 — практично не відрізняється, той же ARM1136, але з’явилася підтримка 3G-сетей. На цій ревізії працюють Samsung SGH-G810, Samsung SGH-i550, SGH-i560, Samsung i8510, GTi7110, а також Sony Ericsson SO704i/ SO903i.

— Texas Instruments OMAP3430 — а ось третє покоління вже працює на графічному прискорювачі SGX530(14 Мполигонов/з, тактова частота 200 Мгц) і процесорі Cortex-A8. З відомих моделей відмітимо Nokia N900, N87; Samsung i8910, i8320; Sony Ericsson Satio;Motorola Droid / Milestone, MOTOROI, Motorola XT800. Також «засвітилася» і HTC — її комунікатор Qilin/Dopod T8388 також використав цей чіпсет. Що не негоже, адже OpenGL ES 2.0 і OpenVG, новий процесор, виконаний на 65нм техпроцессе і в 3 рази швидше ARM11, підтримка матриць цифрових камер до 12 Мрх і інша технічна «смакота» — ці функції спокусять будь-якого виробника брендових смартфонів. мобільний процесор чіп транзистор

— Texas Instruments OMAP3630 — використовується все та ж пара SGX530 і Cortex-A8, але тепер на техпроцессе 45нм. Відмітимо лише апарати Sony Ericsson U5i Vivaz і Sony Ericsson U8i Vivaz pro.

Проте прогрес не стоїть на місці, і зараз активно просувається наступна платформа, вже четвертого покоління: Texas Instruments OMAP4. Серце її - двоядерний ARM-процесор Cortex-A9, працюючий на тактовій частоті 1 ГГц на ядро. Що стосується графіки, то використовується прискорювач PowerVR SGX 540, який практично удвічі швидше SGX530 (саме він використовувався в третьому поколінні платформи). 5]

2.3.4 Компанія Samsung

Отже, представивши нам платформу Samsung S5L8900 — розроблену на базі ARM1176, тактова частота котрої від 800 Мгц до 1 ГГц, техпроцесс 65нм. Цілком звичайний чіпсет, але подивимося пристрої з його застосуванням: Apple iPhone, iPhone 3G, iPod Touch, iPod Touch 2G, iPod Nano 4G і iPod Nano 5G.

Далі Apple також використовує чіпи від Samsung — платформа на базі SGX535+VXD, і на ній було випущено наступне покоління Apple iPhone 3G і третє покоління iPod Touch (версії на 32/64 Гбайта). В принципі, правильний вибір — PowerVR SGXсвободно працює з OpenGL 2.0 і DirectX 10.1(версія шейдеров 4.1). А сама ревізія SGX535 видає 28 Мполугонів/, і це при частоті 200 Мгц і пропускній спроможності пам’яті 4.2 Гбайта/с. Якщо характеристики Вам нічого не говорять, що скаже іншу назву — Intel GMA500.

Проте анонс 27 січня 2010 новою SoC під назвою Apple A4 показує, що компанія все ж здатна до власних розробок. Сама нова система грунтована на ARM архітектурі і використовується доки лише в планшетах iPad. Перша ревізія працює на частоті 1 ГГц і в парі до процесора йде прискорювач з сімейства PowerVR SGX. Характеристики на рівні, а при доопрацюванні компанія Apple може почати використати її і в іншій своїй продукції.

А тим часом Samsung представила восени 2009 новий чіпсет S5PV210. Як і у інших компаній, згаданих в нашому огляді, він грунтований на ARM — процесорі Cortex-A8 з тактовою частотою 1 ГГц і графічним прискорювачем PowerVR SGX 540. 3]

2.4 Ринок мобільних процесорів і його аналіз

Причина, по якій ARM домінує на ринку мобільних процесорів, очевидна: Intel досі не змогла представити енергоефективний MSoC. У нашому світі ще не досить забезпечити вражаючу продуктивність на ват: власникові смартфону необхідно цілий день залишатися на зв’язку, тому в режимі очікування процесор для такого пристрою зобов’язаний показувати вражаючий результат. Анонсувавши платформу Atom третього покоління, що носить кодову назву Medfield, компанія Intel довела, що має технічні напрацювання, що дозволяють наблизитися до ARM з точки зору енергоефективності.

Рисунок 2.4.1 — Процесор Intel

Ми багато що знаємо про плюси і мінуси архітектури ARM і x86, і це правда, що Qualcomm і ARM змогли досягти великого успіху в забезпеченні низького енергоспоживання. До появи Medfield ніхто не сумнівався, що ці компанії перевершують Intel на ринку смартфонів. Проте, зараз ми бачимо, що звична картина починає мінятися: через 4 роки після появи процесорів Atom першого покоління, Intel, нарешті, змогла створити процесор, який здатний скласти конкуренцію ARM.

Неважко здогадатися, що станеться в найближчі три роки. Враховуючи, що Medfield порівнянний з ARM нинішнього покоління, нам необхідно поглянути на наступне покоління. Раніше ми вже відмічали, що ARM і Qualcomm зіткнуться з необхідністю значного збільшення продуктивності, тоді як основна мета для Intel — зниження рівня споживання енергії.

Рисунок 2.4.2 — Різниця в будові транзисторів Ми можемо бути, найбільш об'єктивними при погляді на технології виробництва. Intel має кращий завод в галузі, що дозволило їй бути поза конкуренцією AMD в епохи K6 і K7, і зберегти свої позиції, коли AMD представила епоху успішних процесорів K8. Medfield нині базується на 32-нм технології і вже може конкурувати з ARMрішеннями.

Наступний крок Intel — перехід на техпроцесс 22 нм з використанням транзисторів з вертикально розташованим затвором (3D FinFET — Fin Field Effect Transistor, також відомі як 3D-транзисторы і «транзистори з тривимірною структурою затвора»). Такий перехід є відразу двома кроком вперед і результат ми вже оцінили, коли відмічали чотирикратний приріст продуктивності мультимедіа в процесорах Ivy Bridge для настільних ПК.

Якщо Intel продовжить йти цим же шляхом надалі, то вона як і раніше приблизно на 18 місяців випереджатиме конкурентів з точки зору технології виробництва. Як тільки конкуренти почнуть поставляти 28-нм чіпи, Intel вже перейде на техпроцесс 22 нм і ще більше часу пройде, перш ніж вони зможуть розпочати виробництво чіпів з дизайну FinFET. Це дасть Intel додаткові 20−30%% знижень споживання енергії над її нинішньою технологією при удвічі більшій щільності транзисторів.

У найближчі три роки ARM і Qualcomm потрібно буде вкласти значні кошти для збільшення продуктивності CPU. Інженери цих двох компаній зайшли на невідому територію, намагаючись розвивати технологію тим же самим шляхом, який процесори архітектури x86 пройшли кілька років тому.

З точки зору «чистої» продуктивності - тобто залишивши за рамками питання енергоспоживання — Intel, AMD і Apple (за рахунок своїх придбань компаній Intrinsity і PA Semi) мають в розпорядженні найбільший людський капітал у високопродуктивних мобільних обчисленнях. Багато в чому це пояснюється уважним відношенням до платформи в цілому, включаючи архітектуру шини пам’яті і роботу з пам’яттю. nVidia тут являється, свого роду, джокером: поки що ми бачимо багатий набір технологій, потенціал якого не розкритий із-за недостатньо продуманого «обв'язування» процесора.

Але, звичайно, якщо враховувати енергоефективність, то «системи на кристалі» є унікальною технологією, і в цьому відношенні Intel Atom залишається далеко позаду.

Зараз на ринку відсутні смартфони на платформі Intel. Qualcomm 2011 року витягнув величезний прибуток. Але все зміниться впродовж найближчих трьох років точно так, як і це колись сталося з компанією Kodak.

Зараз Qualcomm — компанія, яка зіткнулася з технологічними проблемами виробництва чіпів (вимушена відмова від технології high-k при переході на тонший техпроцесс), а також втратила кадровий ресурс підрозділу графічних процесорів, що раніше був однією з ключових переваг Qualcomm на ринку.

З іншого боку, є компанія Intel, яка є лідером ринку з точки зору технології виробництва чіпів, представила процесор Atom, створений на основі 32-нм техпроцесса (на який конкуренти ще не перейшли), а також може вибирати будь-яку графічну технологію: PowerVR, те, що запропонує Siru, або, можливо, оригінальний GPU для мобільних пристроїв, який створять власні інженери Intel. Саме тому ми стверджуємо з абсолютною упевненістю, що в найближчі три роки Intel випередить Qualcomm на ринку MSoC. 2]

2.5 Архітектура мобільних процесорів і їх класифікація

Почати треба з того що в процесорній архітектурі x86, яку зараз використовують компанії Intel і AMD, застосовується набір команд CISC (Complex Instruction Set Computer), хоч і не в чистому вигляді. Так, велика кількість складних по своїй структурі команд, що довгий час було відмінною рисою CISC, спочатку декодується в прості, і тільки тоді обробляється. На увесь цей ланцюжок дій йде немало енергії.

Енергоефективною альтернативою виступають чіпи архітектури ARM з набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Його перевага в спочатку невеликому наборі простих команд, які обробляються з мінімальними витратами. Як результат, зараз на ринку споживчої електроніки мирно (насправді, не дуже мирно) уживаються дві процесорних архітектури — х86 і ARM, кожна з яких має свої переваги і недоліки.

Архітектура х86 позиціонується як більше універсальна з точки зору посильних їй завдань, включаючи навіть такі ресурсоємні, як редагування фотографій, музики і відео, а також шифрування і стискування даних. У свою чергу архітектура ARM «виїжджає» за рахунок украй низького енергоспоживання і в цілому-то достатньої продуктивності для найважливіших на сьогодні цілей: промальовування веб-сторінок і відтворення медіа контенту.

Рисунок 2.5.1 — Різниця між набором команд Нові процесори уміло розподіляють завдання між спеціалізованими ядрами і відключають незадіяні області процесора.

Нині в області мобільних процесорів конкурують дві архітектури, які використовують один і той же набір команд (ARM v7): Krait від Qualcomm і Cortex від ARM. Krait здатна регулювати напругу окремих ядер у складі багатоядерного процесора, що, по заявах Qualcomm, порівняно з багатоядерними процесорами Cortex забезпечує від 25 до 40%% економії енергії. Проте в той же час чіпи Qualcomm програють при обміні даними між ядрами, працюючими на різних частотах, оскільки в окремих випадках їм доводиться простоювати в очікуванні один одного.

Додатково заощадити енергію дозволяє відносно короткий обчислювальний конвеєр Krait. Він має 11 рівнів. Флагманська модель від ARM Cortex-A15 виконує команди упродовж 15−24 рівнів. Процесори використовують конвеєри, щоб ділити команди на декілька невеликих частин, виконуваних на різних рівнях, які вони завантажують один за одним і обробляють паралельно. При довгих конвеєрах процесор іноді вибирає неправильне галуження циклу виконання команд, і зрештою йому доводиться видаляти усі дані з конвеєра і розпочинати все з початку. На це витрачається енергія. До того ж для позачергового виконання команд в процесорі мають бути присутніми додаткові логічні схеми, які також споживають енергію.

Рисунок 2.5.2 — Різниця між асинхронною і синхронною напругою

У процесорах Qualcomm (1) для кожного ядра і кеш-пам'яті другого рівня встановлюється різна напруга, залежна від навантаження. Це забезпечує економію енергії на рівні 25−40%%. У процесорах таких виробників, як Samsung і NVIDIA (2), напруга подається на усі ядра однаково.

Зважаючи на те що ціною за високу продуктивність Cortex-A15 являється значне енергоспоживання, ARM пропонує виробникам процесорів комбінувати його з Cortex-A7, який працює на нижчій частоті. ARM назвала цю архітектуру big.LITTLE. Cortex-A7 має лише восьмирівневий конвеєр і обробляє команди строго в певному порядку. Він займає лише п’яту частину площі А15 і має в два рази меншу продуктивність, та зате в три рази більш високою енергоефективністю. Першими процесорами big. LITTLE являються Exynos 5 Octa від Samsung і NVIDIA Tegra 4. У обох процесорах використовуються чотири ядра Cortex-A15 і чотири ядра Cortex-A7.

Рисунок 2.5.3 — Комбінації з чотирьох ядер Спочатку усі операції виконує ядро Cortex-A7. Досягши межі своїх можливостей воно передає потік ядру Cortex-A15. невживані ядра процесор відключає за допомогою Powergating, щоб економити електроенергію. Як тільки процесорний «тандем» переходить в неактивний стан, чіп відключає ту, що також відповідає кеш пам’ять другого рівня. На чергування процесорів також потрібно енергію, тому воно повинне виконуватися тільки у разі потреби. Тому в майбутньому ARM має намір перейти на ефективнішу архітектуру, звану big. LITTLE MP. В даному випадку усі ядра процесора у будь-якій комбінації можуть виконувати одночасно будь-які завдання (наприклад, два ядра A15 і чотири ядра А7). Це забезпечує можливість знаходження вдалішого компромісу між продуктивністю і споживаною потужністю. Крім того, диспетчер завдань буде в змозі заздалегідь розподіляти завдання серед найбільш відповідних ядер. Проте система управління потоками і ядрами для big. LITTLE MP настільки складна, що ARM доведеться вносити в операційну систему серйозні зміни.

Рисунок 2.5.4 — Частотний графік ядер: Cortex-A15 і Cortex-A7

Системи big. LITTLE — наприклад, Exynos 5 Octa — розподіляють завдання між спеціалізованими ядрами: якщо Cortex-A7 досягає межі своїх можливостей, він передає потік потужнішому Cortex-A15.

Intel також має намір затвердитися на ринку мобільних телефонів і планшетів. Доступний на сьогодні процесор Atom Saltwell, який використовується в RAZR I від Motorola і Fonepad від ASUS, вже встиг принести цій компанії успіх. В ході тестування пристрою на його основі продемонстрували не лише відмінну продуктивність, але і тривалий час роботи без заряджання. Причиною успіху є енергозбережні режими S0i1 і S0i3, які використовують агресивний Powergating (технологія відключення неактивних компонентів). На відміну від повного відключення, процесор при застосуванні Powergating позбавляє живлення незадіяні логічні схеми, тоді як інші компоненти чіпа зберігають активність. Завдяки цьому він споживає менше енергії і миттєво «прокидається» з режиму «активний Standby». У режим S0i1 пристрій переходить у тому випадку, якщо користувач, наприклад, поклав телефон на стіл, а дисплей відключився. У стан глибокого сну S0i3 гаджет переходить тільки після тривалого простою. На відміну від класичного енергозбережного режиму S3, використовуваного в Linux і Андроид, додатки можуть зберігати свою активність, щоб синхронізувати дані. 4]

2.5.1 Архітектура big.LITTLE

Основний принцип big. LITTLE полягає в тому, що процесори мають ідентичну архітектуру ARM v7A, у тому числі ідентичні блоки візуалізації і підтримки довгих фізичних адрес. Відповідно, усі інструкції виконуються однаково з точки зору архітектури, але з різною швидкодією. Обидва процесори мають від одного до чотирьох ядер і кеш-пам'ять 2 рівні. Крім того, передбачений когерентний інтерфейс AMBA 4 для підключення до когерентних між з'єднанням, таким як CCI-400.

Процесори розрізняються на рівні мікроархітектури. З рисунка 2.5.5 видно, що Cortex-А7 — впорядкований несиметричний подвійний процесор з глибиною конвеєра 8−10 рівнів. У Cortex-A15 (див. рисунок 2.5.5) застосовується позачергове виконання інструкцій, а глибина конвеєра складає 15−24 рівні.

Рисунок 2.5.5 — Мікроархітектура Cortex — A7

Споживання енергії при виконанні інструкції частково залежить від кількості задіяних східців конвеєра, звідси виникає різниця між споживанням Cortex — A15 і а7. Процесори мають різні пріоритети при оптимізації - в Cortex a15 досягається максимальна продуктивність за рахунок споживання, а в а7 навпаки на перше місце ставиться енергоефективність. Саме з цієї причини кожен процесор має власний кеш другого рівня, а не один об'єднаний, як це можна було зробити з міркувань оптимізації площі кристала. 2]

Рисунок 2.5.6 — Мікроархітектура Cortex — A15

2.5.2 Однокристальна система

З технічної точки зору називати чіпи архітектури ARM процесорами не зовсім вірно, адже окрім одного або декількох обчислювальних ядер вони включають цілий ряд супутніх компонентів. Доречніши в даному випадку є термін однокристальна система і система-на-чипі(від англ. system on a chip).

Так, новітні однокристальні системи для смартфонів і планшетних комп’ютерів включають контроллер оперативної пам’яті, графічний прискорювач, відеодекодер, аудіоокодек і опциональні модулі безпровідного зв’язку. Вузькоспеціалізовані чіпи можуть включати додаткові контроллери для взаємодії з периферійними пристроями, наприклад датчиками.

Окремі компоненти однокристальної системи можуть бути розроблені як безпосередньо ARM Limited, так і сторонніми компаніями. Яскравим тому прикладом є графічні прискорювачі, розробкою яких окрім ARM Limited (графіка Mali) займаються Qualcomm (графіка Adreno) і NVIDIA (графіка GeForce ULP).

Не варто забувати і про компанію Imagination Technologies, яка нічим іншим, окрім проектування графічних прискорювачів PowerVR, взагалі не займається. Адже саме їй належить мало не половина глобального ринку мобільної графіки: гаджети Apple і Amazon, планшети Samsung Galaxy Tab 2, а також недорогі смартфони на базі процесорів MTK. 6]

2.5.3 Зменшення струму витоку

В процесі безперервного і неминучого зменшення розмірів напівпровідникових елементів встають великі проблеми.

Найбільш ефективним способом удосконалення процесорів є зменшення розмірів транзисторів. Річ у тому, що при менших розмірах щільність розміщення транзисторів на кристалі підвищується. Крім того, невеликі розміри дозволяють транзисторам працювати від меншої напруги. З огляду на те, що споживана потужність знаходиться від напруги в квадратичній, а не лінійній залежності, зниження напруги забезпечує найбільший ефект. Зменшення техпроцесса з 30 до 20 нм привело до того, що виробники практично «уперлися» в межі законів фізики, зіткнувшись з таким явищем, як струм витоку. Це явище відповідальне за половину усієї споживаної енергії.

Струм витоку виникає тоді, коли носії заряду проникають через шар ізоляції, який має бути для них непереборною перешкодою. У квантовій механіці це явище відоме, як тунельний ефект. Чим менше бар'єрів, тим більше вірогідності виникнення тунельного ефекту і вище струм витоку. Частки проникають передусім із затвора через шар ізоляції в кремнієву підкладку. Щоб це запобігти, Intel і Samsung більше не використовують діоксид кремнію як ізоляцію для затвора, а застосовують двоокис гафнію, більш високу проникність електричних полів транзисторів (High-k, високопроникні), які можуть мати більшу товщину, що забезпечує, не втрачаючи при цьому швидкість перемикання. Qualcomm використовує транзистори High — k у своїх процесорах Snapdragon 800, NVIDIA — в Tegra 4. 4]

2.5.4 Нові технології знижують струм витоку

Носії заряду переходять не лише через ізоляцію між затвором і підкладкою, але і через шар підкладки між витоком і стоком. Тому в десктопных процесорах, починаючи з Core i третього покоління (Ivy Bridge), так само як і в мобільному чіпі Silvermont, компанія Intel використовує транзистори FinFET (Tri-Gate). Вони мають не плоский (планарный) вигляд, а тривимірний. На поверхні підкладки височіє канал, схожий на риб’ячий плавник. В результаті проблема струму витоку тут виключена. За даними Intel, транзистори FinFET здатні понизити споживану потужність в ідеальному випадку на 50%.

Альтернативою FinFET є транзистори FDSOI, які компанія STMicroelectronics має намір використати в мобільних процесорах починаючи з кінця 2013 року. Попри те, що транзистори FDSOI є планарными, шар каналу в них зменшений і відокремлений від кремнієвого шару. Транзистори FinFET і FDSOI порівняно з традиційними рішеннями мають значні переваги і створюють технічні передумови для подальшої мініатюризації. 3]

Рисунок 2.5.7 — Енергозберігаючий режим Intel в процесорі Ato

2.5.5 Енергозбереження за допомогою ПЗ

Окрім процесора великими споживачами енергії в мобільних пристроях є дисплей і модуль безпровідного зв’язку. Використовуючи механізм «WakeLock», що перешкоджає переходу системи в сплячий режим, додатки, які працюють у фоновому режимі, можуть займати частину системних ресурсів. Завдяки цьому пристрій не переходить повністю в стан «глибокого сну», зберігаючи певну функціональність — наприклад, телефон здатний відтворювати музику або завантажувати дані. Зважаючи на те що функція «WakeLock» має лише декілька рівнів енергозбереження, багато розробників додатків використовують додаткові «лазівки» для економії електроенергії. Так, Qualcomm аналізує за допомогою Андроид-приложения BatteryGuru дії користувача і потім визначає час, коли програми можуть працювати і синхронізувати дані. У решту часу система відключає модуль мобільного зв’язку і Wi-Fi. Додаток Juice Defender працює схожим чином. У режимі «Standby» воно завжди відключає модуль мобільного зв’язку, приймаючи усі запити різних утиліт і відправляючи їх через певні проміжки часу в Мережу, що значно економить енергію.

Аналогічно вбудованим в процесори функціям енергозбереження деякі спеціальні застосування для Андроид відключають «ненажерливі» системні компоненти — наприклад, модуль безпровідного або мобільного зв’язку — з метою збільшення часу автономної роботи. 1]

2.6 Основні технічні характеристики і порівняння, аналіз виробників мобільних процесорів

Основна проблема NVIDIA полягає в тому, що просуваючи свій новий чіп Tegra 4, вона все ще дозволяє Qualcomm і Samsung займати значну частку ринку процесорів для Android пристроїв. Принаймні, до тих пір, поки Intel не отримає істотну точку опори, а це станеться не раніше початку наступного року.

Рисунок 2.6.1 — Процесор NVIDIA Tegra 4

З чуток, Google збирається продовжити співпрацю з Asustek для розробки нового Nexus 7. Деяке джерела затверджують, що пристрій буде оснащений 1080p дисплеєм, і ми навіть не здивуємося, якщо планшет працюватиме на процесорі Tegra 4. Адже у NVIDIA вже показувала свою зацікавленість в цій моделі. Очікується, що анонс Nexus 7 наступного покоління станеться на конференції Google I/O в травні. Тому NVIDIA можна сподіватися тільки на успішні продажі в другій половині 2013 року, тому як Qualcomm і Samsung вже забронювали «кращі місця» в першій половині року.

Складається враження, що зараз кожен топовий Android смартфон, не зроблений Samsung, працює на чіпі Snapdragon S4 Pro. У прошломгоду 2-ядерний процесор S4 наробив багато шуму. Моделі Galaxy S III і HTC One X з цим чіпом мали більший успіх, ніж перші 4-ядерні версії(Exynos 4412 і Tegra 3). Декількома місяцями пізніше почали з’являтися смартфони з оновленим S4, а саме APQ8064 S4 Pro. Цей процесор отримали Xiaomi Mi — Two, Optimus G і Nexus 4 від LG, Padfone 2 від Asustek, J Butterfly і Droid DNA від HTC і Find 5 від Oppo. Цього року до них приєдналися Xperia Z і ZL від Sony, а також HTC M7.

Snapdragon S4 Pro домінуватиме на ринку на початку 2013 року, а потім йому на зміну прийдут Snapdragon 600 і 800. Процесор Snapdragon 600 (APQ8064T) схожий на S4 Pro (APQ8064), але його частота на 200 Мгц вища (1.9 Ггц проти 1.7 Ггц в S4 Pro), а також він підтримує тип пам’яті LPDDR3. Snapdragon 800(MSM8974) матиме частоту 2.3 Ггц і графічний процесор Adreno 330, що підтримує дозвіл 2160p.

Рисунок 2.6.2 — Процесор Snapdragon

Разом з чіпами Qualcomm з архітектурою Krait йде серія Exynos 5 від Samsung, грунтована на ARM-15, як і NVIDIA Tegra 4. Хоча на відміну від Tegra4, процесори Exynos 5 цього року продаватимуться по всьому світу з облаштуваннями серії Galaxy S і Galaxy Note. До речі, 2-ядерний Exynos 5250 вже підтримує дозвіл 1600p (завдяки Mali T-604) в Nexus 10, кращим Android планшетом, що являється, на даний момент.

Рисунок 2.6.3 — Процесор Samsung Exynos 5

Але, щоб бути об'єктивнішими, нам спочатку слід дочекатися 4-ядерного процесора 5450, який очікується в Galaxy S IV. Можливо, він стане частиною серії Octa. Процесор Exynos 5 Octa має 8 обчислювальних ядер, але назвати його 8-ядерним не можна, тому як одночасно він може задіяти тільки 4 з них. Чіпсет Exynos 5450 працює при інтенсивних навантаженнях (наприклад, ігри і відео), а старіші ядра ARM-9 використовуються при слабких навантаженнях для економії заряду акумулятора.

Новачком цього року стане Intel, яка вже зарекомендувала себе, випустивши планшети на Windows 8. Дійсно, минулого року компанія успішно оснастила своїми продуктами деякі Android пристрою, ніби RAZR i, але доки значного впливу на ринок вона не зробила. Проте все може помінятися вже в другій половині цього року. Нові процесори Medfield і Clover Trail від Intel показали свою конкурентоздатність в тестах з кращими ARM і Krait чіпами 2012 року. Хоча компанії належить пройти ще довгий шлях, перш ніж вона зможе досягти продуктивності графічних процесорів Adreno і Mali. 5]

Рисунок 2.6.4 — Процесор Intel

Рисунок 2.6.5 — Рейтинг мобільних процесорів

2.7 Перспектива розвитку мобільних процесорів

З одного боку, залежність практично усіх прогресивних розробок в області мобільних RISCпроцесорів від ліцензій однієї компанії не дуже добре — за всю історію людства немає жодного вдалого прикладу складання усіх яєць в один кошик. Але, з іншого боку, постійні великі інвестиції(за рахунок ліцензійних відрахувань) дають постійну фінансову незалежність технології від окремих виробників, а накопичення багаторічного досліди дозволяє швидко удосконалювати принципи функціонування процесорів.

Залишилася за кадром платформа ST-Ericsson DB8500 2008 року випуску. Як і інші розглянуті нами сьогодні платформи, вона працює на базі двоядерного процесора ARM Cortex-A9/А8, а ось графічним прискорювачем є чіп Mali-400 — теж розробка на баєві ARM-архітектура. В цілому відмітимо, що усі ARM-пристрою схожі між собою і, частенько, відрізняються периферією та технічною реалізацією — розмірами, частотою, енергоспоживанням.

Сучасною тенденцією можна вважати рубіж в 1 ГГц — усі великі виробники вже мають у своєму активі версії платформ, які легко його долають. Скажімо, приміром, що чипсети Qualcomm Snapdragon QSD8672 очікується масово в пристроях про другу половину 2010 року. Інші комунікатори з процесорами від 1 ГГц явно з’являться впродовж 2010 року в широкому продажі, а до 2012 уся техніка такого роду, швидше за все, здолає 2 ГГц і підтримуватиме DirectX 11 і HD-відео з можливістю виведення на великі дисплеї.

Теоретично ніщо не заважає NVIDIA змінити конструктивно свою платформу і починати пропонувати її виробникам комунікаторів. Так що в 2010;2011 ми цілком можемо побачити смартфон на базі Tegra 2. Якщо таке станеться, то, швидше за все, услід за NVIDIA, і інші виробники почнуть інтегрувати потужні прискорювачі у свої платформи. І, в результаті, замість медіа плеєра через декілька років ми підключатимемо до ЖК-телевізора комунікатора. Мобільні гаджети на базі чіпів Cortex-A15 ще не з’явилися у продажу, а основні тенденції подальшого розвитку архітектури ARM вже відомі. Компанія ARM Limited вже офіційно представила наступне сімейство процесорів ARMv8, представники якого в обов’язковому порядку будуть 64-розрядними. Відкривають нову епоху RISCпроцесорів ядра Cortex-A53 і Cortex-A57: перше енергоефективне, а друге високопродуктивне, але обоє здатні працювати з великими об'ємами оперативної пам’яті.

Виробники споживчої електроніки сімейством процесорів ARMv8 доки особливо-то не зацікавилися, але на горизонті вималювалися нові ліцензіати, плануючі вивести чіпи ARM на серверний ринок: AMD і Calxeda. Ідея новаторська, але цілком має право на життя: ті ж графічні прискорювачі NVIDIA Tesla, що складаються з великого числа простих ядер, на практиці довели свою ефективність як серверних рішень. 6]

Висновок

Ми змогли детально розглянути архітектуру, класифікацію, і ринок мобільних процесорів з їхніми технічними характеристиками. Що дозволяє зробити висновок, в недалекому майбутньому на ринок мобільних гаджетів чекають дуже великі зміни які змінять наше уявлення про мобільні процесори.

Підводячи підсумок, скажімо, що якщо вам потрібний планшет, який би був повноцінним робочим інструментом, а не просто медіапристроєм, то вибір очевидний — процесор Intel і повноцінна операційна система. Коли мова заходить про смартфони бюджетного і середнього сегментів, у більшості випадків x86 процесори не поступатимуться своїм аналогам на ARM, і на передній план виходять, приміром, переваги в дизайні. Проте, скажемо прямо, по сукупності «призначеного для користувача досвіду» флагмани на x86 доки зараз навряд чи зможуть порівнятися з топовими смартфонами на ARM. Проте, сучасний світ швидко міняється, а технології активно розвиваються.

Список використаних джерел

1 Компанія Marvell / Енергозбереження за допомогою ПЗ / Специфікація [Електронний ресурс] - Режим доступу до журналу: http://4pda.ru

2 Ринок мобільних процесорів і його аналіз / Архітектура big. LITTLE / Специфікація [Електронний ресурс] - Режим доступу до журналу: http://www.f1cd.ru

3 Сучасні покоління чіпів / Компанія Samsung / Нові технології знижують струм витоку / Специфікація [Електронний ресурс] - Режим доступу до журналу: http://www.nvidia.ru

4 Історія розвитку мобільного процесора / Архітектура мобільних процесорів і їх класифікація / Зменшення струму витоку / Специфікація [Електронний ресурс] - Режим доступу до журналу: http://www.ichip.ru

5 Компанія Qualcomm / Компанія Texas Instruments / Основні технічні характеристики і порівняння, аналіз виробників мобільних процесорів / Специфікація [Електронний ресурс] - Режим доступу до журналу: http://itc.ua

6 Перспектива розвитку мобільних процесорів / Специфікація [Електронний ресурс] - Режим доступу до журналу: http://ru.wikipedia.org