Ликбез по мобильному железу: процессоры

Ликбез по мобильному железу: процессоры

Если бы пять лет назад меня спросили о том, какой процессор установлен в моем мобильном телефоне, я бы сильно удивился такому вопросу, и конечно не смог бы дать на него ответ. Сегодня информация о характеристиках аппаратной начинки смартфонов является одним из важнейших маркетинговых рычагов влияния на покупателей. Между тем, мало кто из пользователей мобильной техники имеет четкое представление о том, сколько компаний занимается разработкой процессоров или видеочипов для смартфонов, чем отличается продукция разных компаний. Или, например, такой очень актуальный вопрос: если у мобильного процессора и процессора настольного компьютера одинаковые частоты, означает ли это, что у них одинаковая производительность?

В цикле статей под названием “Ликбез по мобильному железу” я постараюсь рассказать о том, что же находится внутри современного мобильного телефона или планшета. Эта статья посвящена центральным процессорам (CPU) или просто “процессорам”.

Первое, о чем нужно сказать: нельзя ставить знак равенства между мобильными и десктопными процессорами. Последние построены на x86 архитектуре, мобильные же процессоры построены на архитектуре ARM. Архитектура ARM-процессора упрощена, она имеет меньше функциональных блоков и функций. За счет этого ARM-процессоры значительно уступают в производительности своим старшим собратьям, особенно в операциях с плавающей точкой: основой вычислений в 3D-графике и кодировании/декодировании мультимедиа. Обратной стороной таких отличий является значительно меньшее энергопотребление ARM-процессоров, по сравнению с x86-процессорами.

ARM_Logo.svg_-560x174

Аббревиатура ARM расшифровывается как Advanced RISC Machine – усовершенствованная RISC-машина – это семейство процессоров разработанных и лицензированных британской компанией с одноименным названием. Другие компании, такие как, например, Samsung или Apple, беря за основу разработки ARM, конструируют и производят процессоры для мобильной техники, в частности для смартфонов и планшетов. Полный список производителей ARM-процессоров оглашать не имеет смысла, но об основных игроках стоит рассказать. Львиная доля производимых процессоров приходится на 7 компаний: Qualcomm, Samsung, nVidia, MediaTek, Apple, Texas Instruments и ST-Ericsson.

logos-560x253

Компания ARM разрабатывает архитектуру и процессорные ядра уже более 20 лет. За это время было создано почти три десятка версий архитектуры и еще больше версий ядер. Но на сегодняшний день актуальными для рынка смартфонов/планшетов остаются два семейства ядер, это: ARM11 и семейство Cortex.

Первое семейство включает в себя версию архитектуры ARMv6, на основе которой построены множество процессоров для мобильных телефонов и смартфонов, в том числе: – Texas Instruments OMAP2420, установленный в Nokia E90, N93, N95, N82; – Freescale MXC300-30, установленный в Nokia E63, E71, E72, 5800, E51, 6700 Classic, 6120 Classic, 6210 Navigator, 6220 Classic, 6290, 6710 Navigator, 6720 Classic, E75, N97, N81; – Qualcomm MSM7227, установленный в большинстве современных бюджетных смартфонов, в том числе в: HTC Legend и Wildfire S, LG P500 и GT540; и версию архитектуры ARMv6KZ, на основе которой построен процессор Samsung S3C6400, установленный в легендарные iPhone и iPhone 3G, а так же iPod Touch первых двух поколений.

ARMv6, безусловно, устаревшая архитектура. Процессоры на этой архитектуре обладают довольно низкой производительностью и относительно низким энергопотреблением. Смартфоны, в которые установлены такие процессоры, например, не способны без “костылей” работать с FLASH-контентом. Некоторое время назад я был обладателем бюджетного смартфона Motorola Cliq XT с процессором Qualcomm MSM7201A. Да, смартфон неторопливый, но при этом он работал от одного заряда батареи 2-3 дня при плотной нагрузке.

А вот семейство ядер Cortex является актуальным на сегодняшний день и на ближайшее будущее. Внутри семейства можно выделить более раннюю Cortex-A8, которая лежит в основе процессоров Texas Instruments OMAP 3-ей серии, Samsung S5PC100 и Apple A4, большого числа процессоров от Qualcomm; и текущую версию архитектуры Cortex-A9 – на основе ее построены процессоры мобильных телефонов среднего и верхнего ценовых диапазонов, продаваемые буквально в эти секунды. Стоит отметить, что в последнее время крупные производители процессоров сильно модернизируют ядра. Яркий пример – ядро Krait от Qualcomm, которое является сильно модифицированным ядром Cortex-A9 MPcore. Какой процессор стоит в твоем смартфоне? Получить ответ поможет ctrl+F и таблица:

Модель смартфона/планшета Тех процесс Процессор Ядро
Samsung Galaxy S 4 32нм Samsung Exynos 5410 восьмиядерный big.LITTLE ARM Cortex-A15+A7
HTCOne 32нм Qualcomm Snapdragon 600 APQ8064T четырехядерный ARM Cortex-A9
Samsung Galaxy S III, Galaxy Note II, Galaxy Note 10.1 32нм Samsung Exynos 4412 четырехядерный ARM Cortex-A9
Samsung Chromebook XE303C12, Nexus 10 32нм Samsung Exynos 5250 двухядерный ARM Cortex-A15
Samsung Galaxy S II, Galaxy Note, Tab 7.7,  Galaxy Tab 7 Plus 45нм Samsung Exynos 4210 двухядерный ARM Cortex-A9
Samsung Galaxy S, Wave, Wave II, Nexus S, Galaxy Tab, Meizu M9 45нм Samsung Exynos 3110 одноядерный ARM Cortex-A8
Apple iPhone 3GS, iPod touch 3gen 65нм Samsung S5PC100 одноядерный ARM Cortex-A8
LG Optimus G, Nexus 4, Sony Xperia Z 28нм Qualcomm APQ8064 (ядра Krait) четырехядерный ARM Cortex-A9
HTC One XL, Nokia Lumia 920, Lumia 820, Motorola RAZR HD, Razr M, Sony Xperia V 28нм Qualcomm MSM8960 (ядра Krait) двухядерный ARM Cortex-A9
HTC One S, Windows Phone 8x, Sony Xperia TX/T 45нм Qualcomm MSM8260A двухядерный ARM Cortex-A9
HTC Desire S, Incredible S, Desire HD, SonyEricsson Xperia Arc, Nokia Lumia 800, Lumia 710 45нм Qualcomm MSM8255 одноядерный ARM Cortex-A9
Nokia Lumia 610, LG P500 45нм Qualcomm MSM7227A одноядерный ARM1136J(F)-S
Motorola Milestone, Samsung i8910, Nokia N900 65нм TI OMAP3430 одноядерный ARM Cortex-A8
Samsung Galaxy Nexus, Huawei Ascend P1, Ascend D1, Amazon Kindle Fire HD 7″ 45нм TI OMAP4460 двухъядерный ARM Cortex-A9
RIM BlackBerry Playbook, LG Optimus 3D P920, Motorola ATRIX 2, Milestone 3, RAZR, Amazon Kindle Fire первого и второго поколений 45нм TI OMAP4430 двухъядерный ARMCortex-A9
Motorola Defy, Milestone 2, Cliq 2, Defy+, Droid X, Nokia N9, N950, LG Optimus Black, Samsung Galaxy S scLCD 45нм TI OMAP3630 одноядреный ARM Cortex-A8
Acer Iconia Tab A210/A211/A700/ A701/A510, ASUS Transformer Pad, Google Nexus 7, Eee Pad Transformer Prime, Transformer Pad Infinity, Microsoft Surface, Sony Xperia Tablet S, HTC One X/X+, LG Optimus 4X HD, Lenovo IdeaPad Yoga 40нм nVidia Tegra 3 четырехядерный ARM Cortex-A9
Acer Iconia Tab A500, Iconia Tab A501, Iconia Tab A100, ASUS Eee Pad Slider, Eee Pad Transformer, HTC Sensatoin/XE/XL/4G, Lenovo IdeaPad K1, ThinkPad Tablet, LG Optimus Pad, Optimus 2X, Motorola Atrix 4G, Electrify, Photon 4G, Xoom, Samsung Galaxy Tab 10.1, Galaxy Tab 8.9, Sony Tablet P, Tablet S 40нм nVidia Tegra 2 двухядерный ARM Cortex-A9
Apple iPhone 5 32нм Apple A6 двухядерный ARM Cortex-A9 с элементами Cortex-A15
Apple iPad 2, iPhone 4S, iPod touch 5gen, iPad mini 32нм Apple A5 двухядерный ARM Cortex-A9
Apple iPad, iPhone 4, iPod touch 4gen 45нм Apple A4 одноядерный ARM Cortex-A8

Развитие архитектуры ARM-процессоров происходит количественно: увеличение количества транзисторов, увеличение тактовых частот и размера кэша – это становится возможным во многом за счет уменьшения линейных размеров транзистора (совершенствование техпроцесса); и качественно – увеличение количества функциональных блоков и числа конвейеров. За счет этого происходит общее наращивания мощности и, соответственно, значительно возрастает энергопотребление. Если 5-6 лет назад аккумулятора емкостью 700-900мАч хватало на несколько дней работы телефона, то сегодня аккумулятор емкостью 2000мАч не обеспечивает даже полных суток плотного использования смартфона. Справедливости ради, стоит отметить, что значительное ухудшение автономности мобильных телефонов происходит еще и за счет увеличения диагонали дисплея и изменившейся философии мобильных операционных систем. Если раньше в норме телефон после блокировки дисплея прекращал любые вычислительные операции, то сегодня очень часто смартфоны продолжают работать “в фоне” и после того, как экран погас. Хуже всего дело обстоит с Android. В меньшей степени это относится к iOS и Windows Phone. В целом развитие процессоростроения согласуется с общим трендом эволюции мобильных телефонов, функционал которых, за исключением размера дисплея, стремится к функционалу настольных компьютеров.

В 2013 году начали появляться процессоры на основе новой архитектуры Cortex-A15 MPcore. В ближайшем будущем устройства, в большинстве своем, будут оснащены комбинированным решением, так называемой big.LITTLE системой, когда мощный Cortex-A15 будет работать в паре с менее мощным Cortex-A7. Последний будет задействован большую часть времени работы мобильного устройства и предназначен для решения тривиальных задач: функции сотовой сети – звонки и SMS, простые приложения типа календаря или калькулятора, операции на рабочем столе и т.п. Ядра Cortex-A15 будут подключаться в ресурсоемких приложениях, например, браузинге или сложных трехмерных играх. Первой ласточкой стал процессор Samsung Exynos 5410 в Galaxy S4.

Будущее ARM-процессоров не безоблачно. К сожалению, с поступательным ростом мощности мобильных процессоров растет энергопотребление и тепловыделение. Например LG Nexus 4, несмотря на установленный аккумулятор емкостью 2100 мАч, под нагрузкой живет очень недолго и сильно греется при выполнении ресурсоемких приложений.

lg-nexus-phone

На фоне таких перемен уже не кажется смешным патент Apple на кулер, встроенный в 3.5 разъем для наушников. Без революции в области разработки и производства элементов питания производителям и, в первую очередь, пользователям мобильных устройств придется туго.

cooler-minijack-1

В отличие от настольных компьютеров, в мобильных телефонах компоненты системы, такие как процессор, видео-процессор, оперативная память, постоянная память находятся на одном кристалле. Такая конструкция получила название SoC – System-on-a-Chip (англ. – система на кристалле). Зачастую определенному процессору (CPU) соответствует один определенный графический процессор (GPU). Подробнее о графических процессорах можно будет прочесть в следующей статье цикла.

Рубрика: Ликбез