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.

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.

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:

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.

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.

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.