artykuły

CES 2013 – podsumowanie informacji na temat nowych procesorów do smartfonów i tabletów

Moc będzie z nami

44
13 stycznia 2013, 14:58 Mieszko Krzykowski

ARM

Co prawda firma ARM sama nie zaprezentowała niczego nowego na targach CES, ale na początek przyda się garść wyjaśnień dotyczących tego, w jaki sposób w ogóle powstają układy korzystające z architektury ARM, ponieważ to pomaga zrozumieć różnice między procesorami opisywanymi na kolejnych stronach.

ARM nie produkuje własnych procesorów. Zamiast tego tworzy ich projekty i sprzedaje je innym firmom (stąd biorą się popularne Corteksy), które mogą zaimplementować gotowe pomysły w swoich czipach. Poza tym ARM sprzedaje innym licencję na tworzenie układów podobnych do swoich i kompatybilnych z wybranym zestawem instrukcji. Z tej pierwszej możliwości korzystają takie marki, jak Samsung (seria układów Exynos), Nvidia (seria układów Tegra), Broadcom (seria układów BCM, które są montowane w Nokiach z Symbianem), ST-Ericsson (seria NovaThor, często spotykana w smartfonach ze średniego segmentu) i Texas Instruments (seria OMAP). Z tej drugiej, znacznie trudniejszej, w tym momencie korzysta jedynie Qualcomm (w tym momencie sprzedający układy z rdzeniami Snapdragon i Krait) i Apple (architektura Swift, która zadebiutowała wraz z iPhone'em 5), choć wiadomo też, że Nvidia od jakiegoś czasu konstruuje coś własnego, co może trafić do kolejnych generacji Tegr.

Oba podejścia do tworzenia układów z procesorami ARM mają swoje wady i zalety. Jak już wspomnieliśmy, pierwsze z nich (czyli kupowanie projektów Corteksów od ARM) jest dużo łatwiejsze z punktu widzenia producentów czipów mobilnych, bo sporą część pracy ktoś wykonuje za nich. Nie oznacza to, że zaprojektowanie SoC (ang. System-on-Chip, czyli układ scalony integrujący ze sobą wiele „podczipów”, składających się na kompletny system komputerowy) to coś prostego, bo oprócz rdzeni procesora w jego skład wchodzą: układ graficzny, kodery i dekodery audio i wideo, kontroler pamięci, kontrolery wejścia-wyjścia, różnego rodzaju moduły komunikacyjne (GPS, Bluetooth, HSPA, LTE) itp. Poskładanie tego w sensowną całość nadal nie jest proste, ale montowanie z gotowych „klocków” i tak jest mniej czasochłonne niż produkowanie wszystkich od zera. Z drugiej strony ARM projektuje procesory, które mają pasować do jak największej grupy urządzeń, więc czas ich zaprojektowania albo specyfikacja nie muszą idealnie pasować do konkretnych założeń projektowych i szczególnych wymagań, bo jak mówi pewne znane powiedzenie: „Jeśli coś jest do wszystkiego, to jest do niczego”. Dlatego Apple i Qualcomm wolą stworzyć coś „uszytego na miarę”, co idealnie utrafi w ich potrzeby i pojawi się na rynku dokładnie wtedy, gdy trzeba. Podejście to wymaga jednak dużych nakładów finansowych, bo trzeba zatrudnić sztab uzdolnionych i... drogich inżynierów, których nie ma zbyt wielu na tym świecie. Na dodatek wiąże się to ze zwiększonym ryzykiem, bo coś może po drodze nie wyjść tak, jak by się chciało, i łatwo zostać mocno w tyle za konkurencją. Krótko mówiąc, tę sytuację można przyrównać do tego, co czasem obserwujemy na rynku motoryzacyjnym: niektórzy producenci aut tworzą silniki samodzielnie, a inni wolą zamontować w swoim modelu silnik stworzony przez kogoś innego i skupić się na pozostałych aspektach projektu samochodu.

Zestaw instrukcji i architektury ARM doczekały się już ośmiu generacji. W tym momencie na rynku dominują procesory kompatybilne z architekturą ARMv7 lub jej rozszerzeniem, nazywanym czasem ARMv7s. Procesory starszej generacji są teraz spotykane praktycznie tylko w Nokiach z Symbianem, a na ARMv8 poczekamy prawdopodobnie do przyszłego roku. ARM, tworząc nową rodzinę procesorów i związany z nią zestaw instrukcji, określa tylko, co będą umiały, ale nie wskazuje dokładnie, w jaki sposób ma to zostać osiągnięte. Dlatego w ramach jednej rodziny ARM projektuje kilka różnych rdzeni, różniących się wydajnością, możliwościami i zastosowaniem. Pierwszym przedstawicielem układów ARMv7 był rdzeń Cortex-A8, kojarzony głównie z pierwszą generacją Samsungów Galaxy S (miały one czip o nazwie Hummingbird, który składał się z jednego rdzenia Cortex-A8 taktowanego z częstotliwością 1 GHz i układu graficznego PowerVR SGX540) i z tym, że przyniósł spory wzrost wydajności w porównaniu z poprzednikiem. Po nim powstał Cortex-A9, spotykany teraz w większości smartfonów w konfiguracjach dwu- lub czterordzeniowych. Główną różnicą w stosunku do Cortex-A8 było to, że Dziewiątka umożliwiała tworzenie układów wielordzeniowych oraz nauczyła się wykonywać niektóre instrukcje poza kolejnością (ang. Out-of-Order Execution), co dało kilkunastoprocentowy wzrost wydajności. ARM zaprojektowało też rdzenie Cortex-A5 (spotykane na przykład w HTC Desire X) i Cortex-A7, które są kompatybilne z instrukcjami ARMv7s, ale mniej wydajne (na przykład nie umieją wykonywać instrukcji poza kolejnością) i przystosowane do tańszych i mniejszych czipów.

Najwydajniejszym i najnowszym rdzeniem należącym do rodziny ARMv7 (z rozszerzeniami ARMv7s) jest Cortex-A15 i to wokół niego kręciła się większość tegorocznych ogłoszeń CES-owych. Choć nadal należy on do siódmej generacji procesorów ARM, to poczyniono w nim bardzo dużo zmian w porównaniu z Cortex-A9 i jest to projekt dużo wydajniejszy (ARM twierdzi, że rdzeń Cortex-A15 jest szybszy od Cortex-A9 o mniej więcej 40% przy takim samym zegarze, a na dodatek może on być szybciej taktowany), bardziej skomplikowany i... bardziej energochłonny. Cortex-A15 to rdzeń trójpotokowy, w którym całkowicie zmieniono i poszerzono front-end (czyli część zajmującą się dekodowaniem i kolejkowaniem instrukcji), zwiększono liczbę jednostek wykonawczych, rozbudowano część procesora odpowiedzialną za „karmienie” tych jednostek itp., itd. Krótko mówiąc, Cortex-A15 ma wszystkiego dużo więcej niż Cortex-A9. Dzięki temu może robić więcej rzeczy w tym samym czasie, a wiadomo, że trzy osoby wykopią dół szybciej niż jedna, nawet jeśli najpierw trzeba poświęcić trochę więcej czasu na dogadanie się i łatwo na siebie nadepnąć ;) Na rynku są już dostępne pierwsze urządzenia oparte na układzie z rdzeniami Cortex-A15: tablet Nexus 10 i nowy Chromebook Samsunga. Oba z nich mają w środku dwurdzeniowy SoC Samsung Exynos Dual 5250.

Nexus 10 to pierwszy tablet z rdzeniami Cortex-A15

A gdzie w tym wszystkim znajdują się procesory Apple i Qualcomma? Architektury Apple Swift i Qualcomm Krait to coś pomiędzy Cortex-A9 a Cortex-A15. Również są one trójpotokowe, tak jak Cortex-A15 (i w przeciwieństwie do dwupotokowego Corteksa-A9), ale nie mają aż tak rozbudowanych jednostek wykonawczych i front-endu, przez co mają mniejszą wydajność, ale też mniejsze zapotrzebowanie na energię, i są zbudowane z mniejszej liczby tranzystorów.

Po tym mocno przydługim wstępie przechodzimy do meritum, czyli tego, czego dowiedzieliśmy się na targach CES.

2