Siirrettävät rakennuspalikat 2014: siirrettävät ytimet

Joka vuosi CES: n ja Mobile World Congressin jälkeen pohtin näyttelyiden ilmoituksia ja mitä ne tarkoittavat mobiilisovellusten prosessorien tulevaisuudelle. Olemme varmasti nähneet joitain mielenkiintoisia kehityksiä, mukaan lukien joukko 64-bittisiä siruilmoituksia, joista osa on suunnattu enemmän keskipitkän puhelimiin, mutta uudet 32-bittiset sirut näyttivät olevan suosituin keskusteluaihe huipputeknisissä tilanteissa..

Lähes jokainen siruja valmistava yritys puhuu paremmasta grafiikasta - saavuttaen huomattavia suorituskyvyn lisäyksiä - ja kaikki puhuvat useasta ytimestä, jolloin 4- ja jopa 8-ytimiset sirut ovat nyt rutiineja. Emme ole vielä nähneet mitään suuria sovellusprosessoreita, jotka on rakennettu käyttämällä 20nm tekniikkaa (paitsi Intelin, joka hallitsee sirujensa suunnittelua ja valmistusta), eikä oikeastaan ​​uusia huippuluokan 64-bittisiä siruja useimmista pelaajista. Seurauksena on, että muutokset, joita todennäköisesti tulemme näkemään huippuluokan puhelimien piirissä seuraavien kuukausien aikana, eivät välttämättä ole valtavia, vaikka keskikokoiset ja huippuluokan puhelimet kiinniisivät.

Keskustelen tärkeimpien sirujen yksityiskohdista myöhemmin tällä viikolla, mutta haluaisin aloittaa puhumalla perusperiaatteista, jotka menevät sovellusprosessorien luomiseen. Toisin kuin PC-maailmassa, tällaisten prosessorien valmistajat yleensä käyttävät ainakin jotakin immateriaalioikeutta (IP), joko arkkitehtuurilisenssejä tai täydellisiä ytimiä, tuotteidensa luomiseen. Muista, että tyypilliseen sovellusprosessoriin sisältyy nykyään CPU, grafiikkaydin, usein kantataajuusmodeemi ja joukko muita ominaisuuksia; ja monet valmistajat lisensoivat CPU-arkkitehtuurin, grafiikan tai mahdollisesti molemmat. Tyypillinen prosessorivalmistaja yhdistää nämä ominaisuudet, sekä ne, jotka he itse luovat että lisensoimansa, suunnitellakseen tietyn sirun kohdemarkkinoille. Tässä viestissä puhun CPU-arkkitehtuurista ja seuraa sitten huomenna kuvaajaa grafiikan suunnittelusta.

ARM-mallien monet maut

Suurin osa tänään näkemistäsi mobiilisovellusten prosessoreista suorittaa jonkin version ARM-arkkitehtuurista. Kaikilla markkinoilla ARM väittää, että sen tekniikkaa käyttäviä jalostajia on myyty yli 50 miljardia ja pelkästään vuonna 2013 yli 10 miljardia. Puhelin- ja tabletti-markkinat ovat merkittävä osa tätä, ARM väittää, että 95 prosentilla maailman älypuhelimista on jonkinlainen arkkitehtuurin versio, mutta ARM-prosessoreita on myös monissa muissa tuotteissa.

Mutta on tärkeää ymmärtää, että ARM ei oikeastaan ​​myy prosessoreita; sen sijaan se myy IP: tä - mukaan lukien todelliset ydinmallit ja taustalla olevan perusarkkitehtuurin, jota useat sirumyyjät, kuten Apple ja Qualcomm, käyttävät luodakseen ainutlaatuisia ytimiä. Yhteisen arkkitehtuurin - tosiasiallisesti ohjejoukon - käyttäminen mahdollistaa tietyn yhteensopivuuden ja siten helpottaa ohjelmistojen saamista useiden yritysten siruille.

On olemassa kaksi ARM-perusarkkitehtuuria, joita näemme nykyään matkapuhelimissa - 32-bittinen ARMv7 ja 64-bittinen ARMv8.

ARMv7 on ollut puhelinmarkkinoiden standardi vuosien ajan. Tämä on 32-bittinen malli, jota käytetään useissa ytimissä (mukaan lukien ARM: n Cortex-A9, A7 ja A15 -mallit, sekä Qualcommin "Krait" -arkkitehtuuri ja ytimet, joita Apple-prosessoreissa käytetään ennen A7: tä). Cortex-A9 on ollut uskomattoman suosittu, mutta sen päivät näyttävät numeroituilta. Tänä vuonna näemme lisää malleja, joissa on joko pienempi, tehokkaampi Cortex-A7; tai tehokkaampi Cortex-A15, joka tarjoaa paremman suorituskyvyn; tai näiden kahden yhdistelmä siinä, jota ARM kutsuu "big.LITTLE" -kokoonpanoon.

Cortex-A7 on todella pieni - alle puoli neliömetriä 28 nm prosessissa - ja se on suunniteltu käyttämään paljon vähemmän virtaa; alle 100 milliwattia verrattuna 200-300 milliwattin piikkiin A9: llä ja enintään 500 milliwattia A15: lla. Cortex-A15 lisää tukea 40-bittiselle fyysiselle osoitealueelle, vaikka yksittäiset sovellukset voivat käyttää vain 32 bittiä. Viime kesänä ARM esitteli A12: n, joka oli tarkoitettu korvaamaan A9: n, sanomalla, että se oli jopa 40 prosenttia nopeampi kuin A9: n ja sopisi A7: n ja A15: n väliseen tilaan. Aiemmin tänä vuonna yhtiö julkisti päivitetyn version nimeltään Cortex-A17, jonka mukaan sen pitäisi tarjota parempi tehokkuus ja 60 prosenttia parempi suorituskyky kuin Cortex-A9: llä. (Toistaiseksi vain MediaTek on ilmoittanut puhelinprosessorista ja Realtek televisioprosessorista, joka käyttää A17: ta.) ARM uskoo A17: n olevan viimeinen sen 32-bittisistä malleista, ja sillä on tarkoitus olla pitkä käyttöikä esimerkiksi televisioissa ja televisioissa. kuluttajatuotteita, kun lopulta suurin osa matkaviestinmarkkinoista siirtyy 64-bittisiin malleihin.

Useat yritykset ovat yhdistäneet A7: t ja A15: t (tai viime aikoina A7: t ja A17: t) siihen suureen.LITTLE-yhdistelmään, joka antaa sirulle mahdollisuuden käyttää pienemmän tehon ytimiä suurimman osan ajasta ja siru vaihtaa suurempaan tehoon. ytimiä, kun se tarvitsee lisäsuorituskykyä, ajaessasi ehkä monimutkaista laskutusta pelin sisällä tai jopa monimutkaista JavaScriptiä verkkosivustolla. Joissakin näistä malleista joko A7-ydinlohko tai yksi A15-ytimistä voi olla aktiivinen kerrallaan; toisissa kaikki ytimet voivat toimia kerralla.

Jälleen kerran näyttää todennäköiseltä, että suurin osa tulevista ARM-ytimillä suunnitelluista mobiilisiruista siirtyy 64-bittiseen arkkitehtuuriin, vaikka näyttää siltä, ​​että olemme muutoksen alkuaikoina. ARMv8-ohjekokonaisuutta näyttää käytettävän Applen A7-prosessorissa, jota löytyy iPhone 5s: stä ja iPad Airistä, ja sen odotetaan olevan myös monissa muissa omistamissuunnitelmissa. Ja tietysti ARM: lla on kaksi ydintä, jonka se on ilmoittanut käyttävän tätä arkkitehtuuria: pienempi Cortex-A53 ja tehokkaampi Cortex-A57, taas mahdollisuus yhdistää ne suureen.LITTLE-kokoonpanoon. 64-bittinen versio on taaksepäin yhteensopiva, mutta sisältää suurempia yleiskäyttöön tarkoitettuja rekistereitä ja mediaohjeita (jotka voivat tehdä siitä nopeamman joissakin operaatioissa), muistin tuki yli 4 Gt (erityisen tärkeä palvelinsovelluksissa); ja uudet salaus- ja salausohjeet.

Cortex-A53-ydin on hiukan kauempana, kun MediaTek, Qualcomm ja Marvell kuten kaikki ilmoittavat siruja, joissa on useita A53-ytimiä. ARM sanoo odottavansa ensimmäisten tällaisten sirujen tulevan markkinoille kesällä. A57: n pitäisi olla huomattavasti tehokkaampi, ja ARM odottaa, että kyseisen ytimen mobiilisirut ovat käytettävissä myöhemmin vuoden aikana. (AMD on ilmoittanut A57-arkkitehtuuria käyttävästä palvelinsirusta, jonka on tarkoitus tulla kokonaan tuotantoon vuoden loppua kohti.)

ARM tarjoaa myös useita paljon pienempiä ytimiä, joita käytetään mikro-ohjaimissa ja muissa M-sarjan laitteissa; nämä eivät suorittaisi sovellusprosessoreita yksinään, mutta voivat käyttää hyväksi useissa muissa mobiiliökosysteemin siruissa ja niitä käytetään yhä enemmän tekemään mobiileista SoC: ista älykkäämpiä. Esimerkiksi Applen A7 SoC: lla on M7-liiketiedostoprosessori, jonka väitetään perustuvan ARM Cortex-M3: een ja valmistaman NXP: n, ja Motorola X8 SoC Moto X: ssä yhdistää Snapdragon S4 Pro kaksoisytimisen suorittimen ja kaksi pienitehoista kopioprosessoria, jotka perustuvat Texas Instrumentsin DSP: t luonnollisen kielen käsittelyyn ja kontekstuaaliseen laskentaan.

Kuten aikaisemmin mainittiin, useilla yrityksillä on ns. "Arkkitehtoninen lisenssi", joka antaa niiden mahdollisuuden luoda omia ytimiä ohjeiden avulla, jotka heidän mielestään antavat mahdollisuuden tehdä siruja, jotka erottuvat markkinoille paremman suorituskyvyn avulla, virranhallinta tai molemmat. Näihin kuuluvat yritykset, kuten Qualcomm, Marvell, Nvidia ja Apple. Toisaalta standardiytimien tarjoaminen antaa yrityksille mahdollisuuden luoda malleja nopeammin ja helpommin; monet yritykset, joilla on arkkitehtuurilisenssi, käyttävät joissakin tuotteissa tavanomaisia ​​ARM-ytimiä. Erityisesti Qualcommilla on nyt joitain versioita Snapdragon-prosessorisarjastaan, jotka käyttävät Krait-ytimiä, kun taas toiset käyttävät tavallisia ARM-ytimiä.

Intel ja MIPS tarjoavat vaihtoehtoja

Vaikka ARM hallitsee edelleen matkapuhelinprosessorien markkinoita, Intel on myös tehnyt suurta pontta, vaikka suurin osa menestyksistään on tullut Windows-tableteissa ja muutama Android-käyttöjärjestelmässä. Intelin nykyinen tarjous näyttää suuntautuneen enemmän tablet-laitteille kuin puhelimille, vaikka yrityksellä on kaksi uutta prosessoria, jotka näyttävät sopivan paremmin myöhemmin tänä vuonna ilmestyviin puhelimiin (joista keskustelen, kun seuraavissa viesteissä pääsen tiettyjen yritysten prosessoreihin). Matkapuhelimella Intel ajaa Atom-prosessorinsa linjaa, vaikka jotkut Windows-tabletit käyttävät isompaa Core-perhettä, jota käytetään myös kannettavissa ja pöytätietokoneissa.

Myös x86-perheessä AMD on osoittanut, että jotkut tabletit käyttävät pienemmän tehonsa x86-pohjaisia ​​CPU: ita. Jälleen kerran keskustelen yksityiskohdista myöhemmin puhuttaessa tietyistä valmistajista. Molemmissa tapauksissa prosessorit tietysti käyttävät Microsoft Windowsin täysversiota, vaikka molemmat yritykset osoittavat nyt myös Androidille. Varsinkin Intel on tehnyt suuren askeleen saattamaan Androidin suorittamaan alkuperäisiä sirujaan, kun taas AMD on keskittynyt enemmän BlueStacks-emulaattoriin x86-tuotteilleen, koska se myös valmistautuu lanseeraamaan ARM-yhteensopivia siruja myöhemmin tänä vuonna.

Toinen vaihtoehto olisi MIPS-prosessorit, RISC-pohjainen suoritinperhe, jonka Imagination Technologies osti hieman yli vuosi sitten. MIPS on tarjonnut 64-bittistä arkkitehtuuria jo jonkin aikaa osana Aptiv-ydinjoukkoaan. Aiemmin tänä vuonna yhtiö julkisti sarjansa 5 "Warrior" -suorittimen sukupolven, joka sisältää kolme luokkaa MIPS-prosessoreita - M-sarja sulautettujen markkinoiden markkinoille, I-luokka, joka on suunniteltu tehokkaaseen käyttöön ja erittäin integroidut laitteet; ja P-luokka, joka on suunniteltu parempaan suorituskykyyn, mukaan lukien sovellusprosessorit. Uusia ominaisuuksia ovat integroitu tuki OpenCL-grafiikkaan ja parannettu tietoturva. Mielikuvituksen mukaan nämä sirut käyttävät jopa 40 prosenttia vähemmän alaa kuin kilpailijat, ja parempi monisäikeinen käyttö monisydämessä.

MIPS-prosessorit ovat olleet melko menestyviä monilla markkinoilla, mukaan lukien verkkoprosessorit ja muut reaaliaikaiset sovellukset ja digisovittimet, mutta toistaiseksi emme ole nähneet niitä monissa perinteisissä tablet-laitteissa tai älypuhelimissa. Kiinalaisella Ingenic-yrityksellä on rivin prosessoreita, jotka käyttävät Xburst-arkkitehtuuria, joka perustuu aikaisempaan MIPS-ytimeen, ja tätä käytettiin joissakin Android-tableteissa. Jonkin aikaa sitten yritin yhden, mutta sen valmistanut yritys näyttää keskittyvän ARM-pohjaisiin tableteihin. Silti on mahdollista, että MIPS voi olla kilpailija tulevaisuudessa, etenkin uudella ydinjoukollaan.