Что такое архитектура процессора в смартфоне
Обновлено: 07.07.2024
Что общего у микроволновки и суперкомпьютера, у калькулятора и марсохода? Микропроцессор. Эта маленькая, но архиважная деталь – неотъемлемая часть любого электронного устройства, какую бы функцию оно ни выполняло, ведь именно микропроцессор отвечает за «мышление» прибора. Конечно, процессор не думает в полном смысле этого слова, однако он способен делать то, что не может человек – очень-очень быстро считать. И если дать процессору необходимую информацию и «объяснить», что с ней делать, то есть запрограммировать его, – мы получим очень полезного железного друга. Можно без преувеличения сказать, что микропроцессоры изменили наш мир.
Современные микропроцессоры сильно отличаются от тех, что разрабатывались в 1950-60-х годах. Например, первоначально процессор разрабатывался для небольшого количества уникальных компьютеров, а порой и вовсе единственного компьютера. Это был довольно дорогостоящий процесс, почему неудивительно, что от него отказались. Сегодня подавляющее большинство процессоров представляют собой серийные универсальные модели, подходящие для большого числа компьютеров.
Другое отличие многих современных ЦП в том, что они представляют собой микроконтроллеры – более универсальные схемы, в которых процессор соединен с дополнительными элементами. Это может быть память, различные порты, таймеры, контроллеры внешних устройств, модули управления интерфейсами и т.д.
SoC-процессоры
Большинство современных процессоров так или иначе основаны на принципах, заложенных еще в 1940-х годах американо-венгерским ученым Джоном фон Нейманом, хотя, конечно, они прошли очень длинный путь развития по меркам технологий. Одна из главных на сегодняшний день процессорных архитектур называется SoC, или система на чипе (англ. system on a chip). Это тоже микроконтроллерная архитектура, но еще более плотная. Здесь целый ряд компонентов помещаются на одном полупроводниковом кристалле. Это как бы не процессор, а целый компьютер. Такой подход позволяет упростить и удешевить сборку и процессоров, и целых устройств.
Именно SoC-процессоры используются в подавляющем большинстве современных смартфонов и планшетов. Например, SoC-процессорами являются чипы британской фирмы ARM, на которой работает большинство Android-устройств, а также смартфоны iPhone и планшеты iPad. ARM-процессоры используются и в чипсетах MediaTek, где их число доходит до десяти.
RISC-процессоры
Технология RISC означает упрощенный набор команд (англ. reduced instruction set computer), ее впервые предложили в компании IBM. В основу RISC положена идея максимального повышения быстродействия посредством упрощения инструкций и ограничения их длины. Благодаря этому подходу стало возможным не только повысить тактовую частоту, но и сократить так называемый процессорный конвейер – очередь из команд на выполнение, а также снизить тепловыделение и потребление энергии.
Первые RISC-процессоры были настолько простыми, что не имели даже операций деления и умножения, однако они быстро прижились в мобильных технологиях. На архитектуре RISC основано большинство современных процессоров. Это, во-первых, уже упоминавшиеся процессоры ARM, а также PowerPC, SPARC и многие другие. Популярнейшие процессоры Intel уже много лет основаны на RISC-ядре, начиная с 1990-х годов. Можно сказать, что технология RISC сегодня является доминирующей, хотя у нее существует множество вариантов реализации.
CISC-процессоры
Это более традиционный вид микропроцессоров, которые отличаются от предыдущих полным набором команд, отсюда и название: компьютер с полным набором команд (англ. complex instruction set computer). Такие процессоры не имеют фиксированной длины команды, а самих команд больше. CISC-процессорами были все процессоры архитектуры x86, которая доминирует в компьютерной индустрии уже не одно десятилетие, до появления Intel Pentium Pro, который впервые отошел от CISC-концепции и сегодня представляет собой гибрид – CISC-чипсет на базе RISC-ядра.
Классическая CISC-архитектура используется все реже из-за пониженной тактовой частоты и высокой стоимости сборки. Однако она по-прежнему востребована в серверах и рабочих станциях, то есть системах, стоимость которых менее критична по сравнению с чисто потребительскими устройствами.
Как уже упоминалось, процессоры фирмы ARM используются в большинстве мобильных устройств, тогда как архитектура x86 давно господствует в настольных компьютерах и ноутбуках. Отчего такое разделение? Когда-то ARM-процессоры считались сугубо «телефонными» – это были очень маломощные чипы с невысокими возможностями, идеально «заточенные» под мобильную технику. Они не грелись, не требовали много энергии и умели делать то немногое, что нужно делать на телефоне или смартфоне.
С другой стороны, семейство x86, разработанное Intel, начиная с легендарного процессора Intel 8086 (откуда и пошло название) образца 1978 года, всегда было уделом компьютеров мощных, «настоящих». Куда уж до них ARM, говорили многие эксперты. Но времена меняются, и сегодня архитектуры ARM и x86 яростно конкурируют друг с другом во всей компьютерной индустрии, которая все больше зависит от мобильных технологий.
Сама компания ARM, в отличие от Intel, не производит процессоры, но лицензирует их сторонним производителям, среди которых практически все гранды: Apple, Samsung, IBM, NVIDIA, Nintendo, Qualcomm и даже, вот так ирония, Intel (и ее вечный конкурент AMD). Такой подход привел к тому, что ARM-процессоры буквально завалили рынок – сегодня их выпускается не один миллиард каждый год.
Поскольку сегодня все больше людей предпочитают планшеты традиционным компьютерам, продажи которых пошли на спад, сложилась ситуация, очень неприятная для Intel и AMD и немыслимая еще лет десять назад. Intel неожиданно оказалась в роли догоняющей и начала активно развивать собственные низковольтные решения, и не сказать, что совсем безуспешно – современные модели Intel Atom и Core M обладают вполне конкурентоспособными характеристиками по ряду параметров.
В новой для себя ситуации оказалось и сообщество разработчиков, которым пришлось быстро адаптироваться под требования рынка. Сначала интернет-революция привела к тому, что пользователи стали гораздо реже работать в традиционных программах на традиционном компьютере и чаще – в веб-браузере. Затем еще одна, мобильная революция породила новую реальность: массовый пользователь вообще отложил компьютеры и перешел на мобильные устройства, где работают в основном в мобильных приложениях. А мобильные приложения – это опять-таки ARM, с которой Intel пока не может совладать.
Одной из перспективных технологий ARM является big.LITTLE – технология оптимизации потребления энергии за счет объединения более высокопроизводительных ядер с менее производительными, но более энергоэффективными. Например, это может быть Cortex-A15 и Cortex-A7. Это как бы две передачи на автомобиле: когда нужно выполнить более сложную и ресурсоемкую задачу, включается более мощный чип, а для фоновых задач больше подходит более экономичный. В результате такого подхода последнее поколение платформы big.LITTLE позволяет снизить потребление энергии чипом на 75% и одновременно поднять производительность на 40%.
У big.LITTLE есть свои разновидности. Например, в 2013 году компания MediaTek представила платформу CorePilot на базе big.LITTLE, в которой впервые был реализован принцип разнородной (гетерогенной) множественной обработки данных (HMP). Специальное ПО автоматически распределяет рабочие потоки между разными ядрами исходя из их требований. Осуществляется интерактивное управление потреблением энергии и температурными режимами, а специальный алгоритм планировщика в сочетании с трехкластерной архитектурой позволяет еще больше снизить потребление энергии чипом.
Такую платформу иначе называют Device Fusion, и разработчики обещают внушительный, в разы, рост производительности при отсутствии дополнительного нагрева устройства. Облегчена и жизнь программистов, которых освободили от необходимости решать, для каких задач какие ядра использовать. Назначение ядер происходит в полностью автоматическом режиме. Технология, фактически, следит за тем, чтобы каждое ядро использовалось эффективно и не простаивало. Каждая задача исполняется на оптимальном ядре (или ядрах) либо центрального, либо графического процессора вне зависимости от архитектуры.
Почему кластерные архитектуры эффективнее?
Но тайваньская компания MediaTek – это не только CorePilot. Производитель произвел настоящий фурор со своей трехкластерной технологией Tri-Cluster. Чтобы понять, что это такое и как работает, вспомним, как работает процессор смартфона или планшета в самом общем случае.
Современный мобильный процессор, а также чипсет (окружающий его набор микросхем), состоит из нескольких ядер, число которых сегодня растет, как на дрожжах. Это позволяет распределить задачи между ядрами и таким образом выполнять несколько дел одновременно. Телефон пытается перераспределять нагрузку на ядра динамически, решая, какие ядра и когда использовать.
Но как происходит это распределение? Иногда – по решению разработчика ПО, иногда –полностью автоматически, и тут все зависит от алгоритмов, которые могут быть более или менее эффективны. В технологии big.LITTLE эту задачу выполняет специальный модуль – планировщик. Например, он может перенести выполнение какого-то процесса с одно ядра на другое, если первому не хватает производительности.
Технология big.LITTLE сделала большой шаг в сторону эффективности за счет двух процессорных кластеров – групп ядер (англ. cluster – скопление). Если нужно поиграть в трехмерную игру, включаем мощный кластер; если нужно, скажем, почитать книгу или вообще убрать телефон в карман, включается слабый кластер, направленный на максимальную экономию энергии. Вот почему кластерная архитектура столь перспективна. В традиционных однопроцессорных архитектурах, а также многопроцессорных однокластерных, нет такого пространства для маневра и такой гибкости при распределении нагрузок.
Три кластера против двух
Но и здесь возникла проблема: задачи средней сложности, наиболее распространенные на телефонах, часто направляются на кластер с мощными ядрами. Например, мы работаем с электронной почтой. Задача не ахти какая ресурсоемкая, но двухкластерная платформа может включить для нее мощный кластер. У нее просто нет выбора – кластера всего два, а никакой «золотой середины» нет. Результат – ускоренный расход энергии и нагрев устройства при отсутствии очевидных преимуществ для пользователя от быстрого кластера.
Именно эту задачу решает архитектура Tri-Cluster в сочетании с CorePilot 3.0. Она работает не с двумя, а с тремя кластерами, которые в ней получили названия минимум (Min), медиум (Med) и максимум (Max). Для большинства повседневных задач используется средний кластер – та самая золотая середина. Максимальный кластер включается относительно редко и только тогда, когда это действительно нужно: игры, обработка графики и т.д. Ну а сверхэкономичный кластер Min управляет фоновыми приложениями, сводя энергопотребление к минимуму.
Такой подход наиболее сбалансирован с точки зрения производительности и экономии. Мобильное устройство как бы получает третью передачу. В MediaTek даже говорят, что позаимствовали эту идею у автомобильной индустрии. В компании отмечают, что он позволяет сократить энергопотребление на треть и одновременно поднять производительность на 12–15% в зависимости от ресурсоемкости задачи.
Типичный образец технологий Tri-Cluster и CorePilot – новейший 20-нанометровый десятиядерный чип MediaTek Helio X20 на базе ARM Cortex. Кластер Max в нем представлен группой из двух ядер Cortex-A72 с тактовой частотой 2,5 ГГц, в Med работают четыре ядра Cortex-A53 с частотой 2 ГГц, ну а Mini выполнен в виде опять-таки четырех ядер Cortex-A53 на 1,4 ГГц. Helio X20 стал первым в мире мобильным процессором с технологией Tri-Cluster и десятью ядрами (Deca-core).
В MediaTek провели исследование, которое доказывает, что данный чип способен проработать на 30% дольше времени, чем аналоги с сопоставимыми характеристиками. Выполнялись тесты даже для конкретных сценариев. Например, при работе в Facebook удается снизить расход энергии на 17–40%, голосовое общение в Skype позволяет сэкономить 41%, работа Gmail – 41%, игра Temple Run – 17%. Самая впечатляющая экономия достигается в ситуации, когда телефон просто показывает домашний экран – 48%. В этой ситуации работает именно кластер Min, и энергопотребление составляет всего 0,026 Вт.
Если верить тайваньскому ресурсу DigiTimes, производители мобильной техники буквально выстраиваются в очередь за новейшим чипом Helio X20. Летом этого года ресурс писал, что чип планируют использовать LG, HTC, Sony, Lenovo, Huawei, Xiaomi и ZTE. Новый чип оказался на 40% быстрее и на столько же экономичнее предыдущей модели семейства, X10. Первые устройства с таким процессором появятся на рынке в начале 2016 года, поэтому пока придется запастись терпением.
Возможности трехкластерных SoC-процессоров MediaTek
Процессоры MediaTek относятся к классу SoC, то есть таких, в которых на одной кремниевой пластинке собран целый мини-завод. Тут и память, и графика, и камера с видеокодеками, и контроллеры дисплея, модема и других интерфейсов. Некоторые особенности чипсета выглядят следующим образом:
- Универсальный модем WorldMode LTE Cat-6 от MediaTek поддерживает LTE и одновременно допускает агрегацию частот, что позволяет использовать его практически в любой сети.
- Новейший видеочип ARM Mali обеспечивает высочайшую производительность графики в двумерном и трехмерном режимах.
- Дополнительный встроенный процессор Cortex-M4 работает в фоновом режиме с крайне низким энергопотреблением, обеспечивая работу фоновых приложений.
- Контроллер двух камер со встроенным 3D-движком не только быстро работает, но и эффективно генерирует сложные объемные изображения, а встроенная технология шумоподавления доводит картинку до практически идеальной.
- Дисплей может работать с частотой обновления 120 Гц вместо стандартных 60 Гц, что дает изумительно четкое изображение и отзывчивый интерфейс.
Процессор комплектуется новейшим видеочипом ARM Mali-T800, который, помимо прочего, обеспечивает работу дисплеев высокой четкости вплоть до WQXGA на частоте до 120 Гц. Другими словами, устройство можно комплектовать дисплеем разрешением вплоть до 2560×1600 пикселов.
Весьма впечатляет реализация камеры: скорость декодирования получаемого изображения может доходить до 30 кадров в секунду при разрешении 25 мегапикселов (либо 24 к/с при 32 Мп), при этом встроенный чип сразу же, на лету, осуществляет одновременно шумоподавление, повышение четкости и 3D-конверсию. При воспроизведении видео поддерживается 10-битная глубина цвета и кодеки VP9 HW и HEVC.
Встроенный модем Helio X20 поддерживает большой арсенал мобильных сетей, такие как LTE FDD/TDD R11 Cat-6 (до 300 Мбит/с), CDMA2000 1x/EVDO Rev.A. Здесь же есть Wi-Fi 802.11ac, Bluetooth, GPS, российская система навигации ГЛОНАСС и даже китайская BeiDou.
Независимые тесты Helio X20, в частности GeekBench 3, показывают явное превосходство по сравнению с предыдущей и тоже очень популярной моделью X10. В тесте AnTuTu результат X20 на 40% выше, чем у X10, что в целом подтверждает внутренние тесты MediaTek. Helio X20 также явно превосходит чип Exynos 7420.
MediaTek вокруг нас
Мы начинали с того, что микропроцессоры сегодня окружают нас повсюду, как воздух, и продукция MediaTek в полной мере подтверждает этот тезис. Вообще, диапазон интересов тайваньцев поражает: Интернет вещей, нательная электроника, медицинские устройства, навигация, автономные автомобили и вездеходы, умный дом, умный город, дистанционное управление приборами, 3D-печать и даже домашнее виноделие. Вот лишь часть сфер, в которых MediaTek совместно с партнерами выпускает специализированные чипсеты.
Некоторые из них очень оригинальны. Например, энтузиастам всех мастей понравится миниатюрная копия марсохода Curiosity, напичканная очень серьезными технологиями: камерой с собственным Wi-Fi-роутером и сервером для отправки изображения, шестью колесами (все – ведущие), манипулятором с тремя степенями свободы. Таким вездеходом можно управлять по Bluetooth, он может двигаться со скоростью до 3 км/ч, разворачиваться в любом месте и вести видеосъемку с непрерывной трансляцией сигнала.
Другой пример использования процессоров MediaTek – компактный домашний 3D-принтер со скоростью печати 150 мм в секунду при точности 0,01 мм. Такой принтер поддерживает больше 10 различных материалов, может печатать объекты диаметром 180 мм и высотой 200 мм и работать без остановки до 36 часов. Здесь используется микросхема MediaTek LinkIt ONE. Такой принтер очень доступен, легок и помещается на стол.
Еще больше поражает воображение Smart Brewer – целая домашняя система для виноделия. Если при этих словах вы представили себе систему из чанов, с трудом помещающуюся на кухне, то зря: речь идет о компактном стакане с насадкой и трубкой, которая благодаря той же микросхеме LinkIt ONE полностью управляет всем процессом брожения, при этом контролировать процесс можно со смартфона через Bluetooth. Это настоящая винная бочка XXI века!
Термин архитектура процессора не имеет устойчивого объяснения. По сути, архитектура включает в себя комбинацию из: микроархитектур, включающих в себя основные части процессора и методы их взаимодействиями между собой; набора команд, начиная от модели исполнения и заканчивая форматами данных и микрокода.
Если рассматривать архитектуру процессоров со стороны аппаратной части ПК, то мы увидим определенный набор характеристик, которому соответствует то или иное семейство процессоров, иными словами, внутренняя их конструкция. Со стороны программистов, архитектура представляет набор определенных команд, их структуру и метод использования.
Одной из самых популярных мобильных архитектур на данный момент является ARM, разработкой которой занимается ARM Limited. Остальные компании попросту лицензируют технологию ARM и на базе данной лицензии выпускают свои процессоры, сюда можно отнести Qualcomm, Nvidia с их чипами Tegra, всем известные Mediatek, чипы от Apple и, конечно же, Samsung с Exynos.
Второй по значимости можно считать архитектуру x86, за разработку которой отвечает не менее известная компания Intel. До недавнего времени, данная архитектура использовалась крайне редко и то на бюджетных устройствах, но со временем она начала набирать популярность и теперь занимает свою нишу на рынке мобильных процессоров.
По сути, обычный пользователь не заметит разницы от использования смартфонов/планшетов на разных архитектурах и это не удивительно, Android адаптируется под любые среды и отлично работает на всех архитектурах. Единственным минусом является несовместимость отдельно взятых приложений/игр, заточенных под те или иные архитектуры.
Наиболее популярные поколения чипов
- ARM: ARMv7 или armeabi
- ARM64: AArch64 или arm64
- x86: x86 или x86abi
Как определить архитектуру смартфона/планшета?
Для этих целей можно использовать бесплатные приложения доступные в Google Play. Наиболее простой и известной в использовании программой является Droid Hardware Info.
- Скачиваем, устанавливаем и запускаем программу.
- Попадем на вкладку «Устройство» с описанием модели нашего девайса.
С момента изобретения первых электронно-вычислительных машин в первой половине 20 века произошла только одна истинная революция. Случилось это в 50-60-х годах, когда на смену громоздким вакуумным лампам пришли полупроводниковые технологии. Тогда в качестве основного материала для их производства были выбраны кристаллы кремния. На них, с помощью различных технологий, вытравливаются миниатюрные транзисторы и связующие их цепи. С тех пор, на протяжении полувека, меняется в сторону уменьшения только размер транзисторов (техпроцесс), и увеличивается их количество на кристалле.
В условиях использования единой технологии (и отсутствия практически применимых альтернатив, так как до массового внедрения квантовых процессоров еще далеко) единственным способом приспособить вычислительные чипы под те или иные задачи — стало изобретение различных архитектур ЦП.
Что такое архитектура процессора
Архитектура процессора — это совокупность главных принципов его конструирования, общая схема расположения деталей на кремниевом кристалле и схема взаимодействия программного обеспечения с чипом. Если еще более упрощенно, то архитектура — это схема, по которой устроен процессор.
За все время было создано много различных архитектур. Самые популярные из них — CISC, MISC, VLIW и RISC. Различия между ними касаются, главным образом, системы взаимодействия процессора с обрабатываемыми данными. Сейчас активно используются конвейерные архитектуры CISC и RISC.
Как работает архитектура процессора
В конвейерной архитектуре данные обрабатываются последовательно, переходя от одного этапа к следующему. Например, на первом этапе процессор получает инструкцию, на втором — производится чтение данных из памяти, на третьем — осуществляется вычислительная операция, а на четвертой — выдача полученного результата. Когда первый этап конвейера освобождается — он может приступить к выполнению следующей инструкции. Этот процесс можно сравнить с работой автозавода: когда работник прикручивает последнюю ступицу колеса — конвейер двигается дальше. Второй работник прикручивает колеса на ступицы, а первый — опять прикручивает ступицы на следующей машине.
Количество стадий конвейера может быть разным. Если программа получает данные исправно, в них не содержится ошибок, то такой подход повышает производительность. Чем длиннее конвейер — тем больше операций выполняется за такт (1 герц частоты процессора). В аналогии с автозаводом, количество этапов конвейера — это количество работников за лентой, по которой двигаются кузова собираемых машин. Чем больше мегагерц — тем быстрее движется лента, тем быстрее работают сборщики. Однако если первый работник что-то сделает не так — получится брак, машину придется собирать заново.
В процессоре все аналогично: если на раннем этапе конвейера происходит ошибка — конвейер нужно перезапускать. Это замедляет производительность и приводит к пустым тратам энергии. Так как для компактных и мобильных устройств энергоэффективность очень важна — специально для них была создана архитектура RISC. От CISC она отличается упрощенным набором команд, которые принимает процессор, и укороченным конвейером. Такая особенность приводит к снижению производительности на фоне CISC (а компьютерные x86-процессоры Intel и AMD построены на ней), но позволяет минимизировать пустую трату энергии.
Архитектура процессоров ARM
Всевозможные MIPS, PowerPC, SPARC и прочие архитектуры типа RISC оставим IT-специалистам. Когда дело касается смартфонов — стоит детальнее уделить внимание ARM, Это — разновидность RISC архитектуры с коротким конвейером, которая является одной из самых распространенных и удачных. Именно ARM использует большинство производителей (Qualcomm, MediaTek, Apple, Samsung, Huawei-HiSilicon и другие). Только Intel в своих SoC атом используют x86-совместимые CISC ядра.
Особенностью ARM процессоров является использование короткого конвейера. Его длина составляет 3 и более этапов, что немного на фоне десятков стадий у CISC. За счет этого сбои в работе конвейера минимально сказываются на скорости обработки программ, максимально эффективно нагружая каждый такт. Поэтому именно ARM стала самой популярной архитектурой процессоров для смартфонов и планшетов.
Архитектура и микроархитектура процессора
Довольно часто в СМИ и интернете происходит путаница между понятиями архитектуры и микроархитектуры процессора. Чтобы внести ясность, следует установить отношение между данными терминами. Так вот, архитектура — это общий принцип устройства и работы процессора, а микроархитектура — всего лишь один из вариантов ее реализации, имеющий свои особенности, но сохранающий совместимость с базовой архитектурой.
Виды микроархитектур ARM для смартфонов
Большинство чипсетов для смартфонов содержат процессоры, созданные на ARM, а именно — микроархитектурах семейства Cortex и других. Список актуальных версий и их отличия приведены ниже.
На рынке десктопных процессоров все достаточно понятно — здесь лидерство делят компании Intel и AMD. Если же говорить о мобильных процессорах, то тут все несколько сложнее. Каждый из брендов предлагает свои модели, причем некоторые из них эксклюзивно стоят только в конкретных гаджетах. Мы расскажем о ведущих производителях мобильных процессоров и рассмотрим их ассортимент.
В чем разница между мобильными и десктопными процессорами?
Если не вдаваться в многочисленные технические особенности, то главным отличием можно назвать архитектуру.
Архитектура — это совокупность принципов построения, общая схема расположения элементов на кристалле и схема взаимодействия ПО с чипом.
В десктопных моделях используется архитектура x86/x64, однако инженерам так и не удалось добиться требуемой энергоэффективности, несмотря на все попытки. Процессоры потребляли слишком много энергии из-за необходимости дополнительных преобразований, поэтому не подходили для мобильной техники. В итоге разработчики предложили использовать новую архитектуру RISC (reduced instruction set computer) вместо существующей CISC (complex instruction set computing).
В CISC-архитектуре каждая команда имеет свой формат и длину, из-за чего процессору требуется больше времени и ресурсов на обработку. В RISC-архитектуре команды имеют не только общую длину, но и формат. Благодаря этому процессоры на RISC более энергоэффективны, быстрее обрабатывают команды и требуют меньшего объема ОЗУ, что делает их практически идеальным кандидатом для мобильной электроники.
Развитием RISC занялась компания ARM Limited, которая представила усовершенствованную архитектуру под названием ARM. Стоит отметить, что эта компания не только создает собственные вариации процессоров, но и предоставляет лицензии на свои разработки. В итоге на базе предоставленных ARM ядер крупные бренды создают авторские топологии и фирменные процессоры, о которых мы и поговорим далее.
Apple
Разрабатывать процессоры с собственной топологией компания Apple начала лишь в 2010 году, презентовав свой первый iPad. Модель процессора A4 построена на ядре ARM Cortex-A8 и стала началом всей линейки, которая продолжается до сегодняшнего дня. Кстати, в смартфонах первого поколения до iPhone 4 в Apple использовали микропроцессоры от Samsung.
С 2010 года Apple выпустили более 15 моделей в линейке, каждая последующая была усовершенствованием предыдущей и, как правило, устанавливалась в новой модели iPhone или iPad.
| Модель | Число транзисторов | Число ядер | Техпроцесс | Устройства |
| A4 | ? | 1 | 45 нм | iPadi, Phone 4, iPod touch 4G |
| A5 | ? | 2 | 45 и 32 нм | iPad 2, iPhone 4S, iPod Touch 5G, iPad Mini. |
| A5X | ? | 2 | 45 нм | iPad 3 |
| A6 | ? | 2 | 32 нм | iPhone 5, iPhone 5c |
| A6X | ? | 2 | 32 нм | iPad 4-generation |
| A7 | ≈ 1 млрд | 2 | 28 нм | iPhone 5S, iPad Air, iPad mini, iPad mini 3 |
| A8 | ≈ 2 млрд | 2 | 20 нм | iPhone 6 и 6 Plus, iPod touch 6G, iPad mini 4, HomePod |
| A8X | ≈ 3 млрд | 3 | 20 нм | iPad Air 2 |
| A9 | ≈ 2 млрд | 2 | 14 и 16 нм | iPhone 6S и 6S Plus, iPhone SE, iPad 5 |
| A9X | ? | 2 | 16 нм | iPad Pro |
| A10 | 3,28 млрд | 4 | 16 нм | iPhone 7 (Plus), iPad 6, iPad 7, iPod Touch 7 |
| A10X | ≈ 4 млрд | 6 | 10 нм | iPad Pro (10,5; 12,9) |
| A11 | 4,3 млрд | 6 | 10 нм | iPhone 8 (Plus), iPhone X |
| A12 | 6,9 млрд | 6 | 7 нм | iPhone XS, iPhone XS Max, iPhone XR |
| A12X | ≈ 10 млрд | 8 | 7 нм | iPad Pro (2018) |
| A12Z | ≈ 10 млрд | 8 | 7 нм | iPad Pro (2020) |
| A13 | 8,5 млрд | 6 | 7 нм | iPhone 11 (все), iPhone SE 2, iPad 9th Gen. |
| A14 | 11,8 млрд | 6 | 5 нм | iPad Air (4th Gen), iPhone 12 (все) |
| A15 | 13 млрд | 6 | 5 нм | iPad mini (6th Gen). iPhone 13 (все) |
Компания Apple была одной из первых, кто понял все преимущества RISC-архитектуры в мобильном сегменте. В паре с ОС собственной разработки инженерам удавалось выпускать одни из самых мощных моделей, которые на 50–100 % обгоняли по производительности топовые продукты других брендов.
В среднем с каждым новым поколением процессоров Apple удавалось наращивать производительность от 1,3 вплоть до 2 раз.
Более того, в определенных тестах процессоры серии A не уступают в производительности десктопным моделям, показывая схожие или даже лучшие результаты. Мощнейшим прорывом можно назвать Apple M1 — это система на кристалле ARM-архитектуры, которая используется уже не только в iPad Pro, но и в последних MacBook.
За графику в мобильных процессорах до A11 отвечали ускорители от PowerVR, а, начиная с A11, инженеры Apple ставили собственное GPU, но используя лицензированное ПО.
Компанию Apple без преувеличения можно назвать одним из лидеров в области мобильных процессоров. Многолетний опыт и подгонка «железа» под операционную систему позволяют получать высочайшие результаты. Однако процессоры от Apple устанавливаются исключительно в технику этого бренда.
Qualcomm
Конкуренцию «купертиновцам» составляют инженеры из компании Qualcomm — одной из крупнейших фирм по разработке и исследованию беспроводных средств связи и систем на кристалле. В частности, компания известна процессорами линейки Snapdragon. Производство первых SoC фирма начала в 2007 году, предоставляя процессоры для HTC, Acer, Asus, LG, Huawei и других брендов. В период с 2007 по 2012 годы были созданы четыре поколения моделей S1–S4 по техпроцессу 28 нм и больше.
В поколениях до S4 архитектуру разрабатывали на базе собственных ядер, которые являются модифицированными версиями ARM-Cortex.
С 2013 года компания представила пять основных линеек своих процессоров, нацеленных на разные классы устройств:
Мы систематизировали данные о различных чипах смартфонов, чтобы нагляднее показать разницу между ними и их производительностью. Упаковали все в одну табличку и вкратце рассказали, что и откуда взялось.
У каждого производителя есть как удачные модели, где этот баланс найден, так и откровенно провальные — там где силы бросили на высокую производительность всех ядер, забыв про память, не оставив запаса на простые задачи и не научив чип работать в полсилы. Цель данной статьи – показать, как эволюционировала архитектура ARM, какие решения актуальны сейчас и какие из них можно выбрать для себя, ориентируясь на сценарий использования смартфона.
ARM и основные версии семейств
Все нынешние вычислительные ядра ARM Holdings для смартфонов объединены в семейство Cortex-A. Остальные разработчики покупают у ARM лицензии на них и выпускают свои чипы с минимальными изменениями. Но могут также и перерабатывать саму архитектуру или вовсе создавать все практически с нуля, сохраняя лишь поддержку соответствующего набора инструкций. Так, например, поступают Apple, Samsung и некоторые другие компании. У Samsung это ядра Exynos M1, M2 и M3. У Apple — Monsoon, Mistral, Hurricane и т.д. У Nvidia — Denver2. У Qualcomm — Kryo и др.
Теперь давайте посмотрим на самые ходовые SoC основных игроков на этом рынке.
Qualcomm и линейка Snapdragon
Qualcomm считается признанным лидером в этой сфере. Сейчас в портфеле компании насчитывается несколько поколений успешных SoC, которые разошлись миллионами копий по всему миру. Давайте посмотрим на ассортимент и выделим наиболее интересные модели.
Snapdragon 4хх – серия доступных SoC для смартфонов. Возможно, эта фраза несколько грубая по отношению к ним, но некоторые производители пытаются воткнуть эти SoC под предлогом заботы об автономности. Не верьте им. Хотя Snapdragon 4хх действительно экономичные, экономичность является следствием, а не причиной.
Серия Snapdragon 450 также использует компоновку из 8 ядер, но выпускается по техпроцессу 14 нм. Частоты удалось повысить до 1,8 ГГц, а встроенное видеоядро обзавелось поддержкой разрешений от WUXGA до Full HD+ (соотношение сторон 18 к 9). Snapdragon 450 по-прежнему использует Cortex-A53 (ARMv8) и одноканальную память LPDDR3.
Snapdragon 625 и 626 – модельный ряд SoC первый получивший зарядку QC 3.0 и выпускающийся по нормам 14 нм FinFET. Это позволило снизить энергопотребление CPU части. Однако отличий от 4хх серии не так уж и много: подросшая частота до 2ГГц для 625 и 2,2 ГГц для 626.
Snapdragon 653 – первый SoC среднего уровня созданный по технологии BIG.Little. В основе лежит связка 4 ядер Cortex-A72 (до 1,95 ГГц) и 4 ядер Cortex-A53 на частоте до 1,45 ГГц. Появляется двухканальная память LPDDR3 и графическое ядро с нормальной производительность. Телефоны на основе Snapdragon 653 могут оснащаться дисплеями с разрешением 2560x1600 пикселей.
Snapdragon 630, 636 и 660 – особняком тут стоит именно 630 чип, т.к. он закончил свою жизнь, не успев как следует ее начать. Его строение было относительно просто: 8 одинаковых ядер Cortex-A53 (ARMv8) делились на 2 кластера по 4, в производство он пошел сразу на 14 нм техпроцесс. В качестве памяти применялась двухканальная LPDDR4. Буквально в том же году Qualcomm пришла к выводу, что конфигурация Snapdragon 630 не совсем удачная и обновила ее до 636. В ней применяется четыре более быстрых ядра Cortex-A73 и четыре Cortex-A53. Snapdragon 636 и 660 – это одинаковые SoC с отличиями в максимальной частоте работы (1,8 ГГц против 2,2 ГГц), разными графическими ядрами и чуть более высокой частотой памяти у 660.
В Snapdragon 845 впервые установлены две пары ядер Kryo 385 Gold и Silver. Kryo 385 Gold основано на версии Cortex-A75 (ARMv8.2-A), в то время как Silver — Cortex-A55 (ARMv8.2-A). Это следующий шаг в развитии технологии BIG.little. Теперь Qualcomm именует ее ARM DynamIQ. Частоты Kryo 385 Gold доходят до 2,8 ГГц, а более слабые ядра Kryo 385 Silver наоборот понижены до 1,8 ГГц.
MediaTek
При чтении спецификаций понимаешь, что компания — настоящая находка для производителей смартфонов: еще бы, выпускает дешевые SoC с кучей ядер. Берешь такой и делаешь телефон стоимостью менее 100-200 долларов со словами: — «8 ядер, 64-бит, и т.п.!». По факту MediaTek делает неплохие SoC, но скрещивают их с посредственной обвязкой, поэтому покупатели с опаской относятся к таким телефонам. И все же среди широкого ассортимента у MediaTek есть действительно массовые процессоры ARM. Неплохими решениями можно назвать две линейки — Helio P и Х. Первая относится к среднему сегменту, а вторая для продвинутых смартфонов.
Старшие микросхемы Х27 и Х30 уникальны по своему строению. В них стоит не два, а три кластера из ядер ARM. Что же, решение неординарное и интересное. На практике оценить быстродействие такой схемы еще сложнее, ведь они работают раздельно в зависимости от нагрузок.
Huawei Kirin
Еще один игрок на рынке, предпочитающий свои собственные разработки. Вообще компания Huawei не первый год прокладывает себе дорогу к Олимпу и вот решила заняться разработкой SoC, естественно, используя лицензию ARM. В целом – это типичные SoC с привычными характеристиками, за исключением желания Huawei идти в ногу со временем. Поэтому постепенно в SoC внедряются элементы обработки задач искусственного интеллекта вроде сопроцессора NPU. К тому же, у Huawei есть большие исследовательские центры в Европе. Получилось ли у Huawei догнать лидеров, мы сейчас и увидим.
Kirin 6хх — для мобильных телефонов средней ценовой категории. Эти SoC составляют конкуренцию Snapdragon 4хх. У них 8 ядер в конфигурации 4+4. Увы, производительность графической системы недостаточная. Это и есть главный недостаток серии 6хх. Kirin 658, 655 и 650 сильно похожи друг на друга. Huawei постепенно разгоняет их и меняет индексы. При этом графическая часть остается неизменной и основана она на ядре Mali-T830 MP2. Присутствует поддержка уже уходящей на покой LPDDR3 памяти. Для 658 проведена ревизия и появился обновленный модуль коммуникации (802.11 b/g/n/ac). Но все же больший интерес представляют собой старшие версии 9хх.
Отдельно надо сказать об эффективности работы сопроцессора NPU, потому что результат и правда любопытен. Как отмечают многие авторы обзоров, смартфоны на базе Kirin 970 демонстрируют хорошую автономность в первую очередь за счет передачи части специфических расчетов в сопроцессор — к примеру, при работе камеры и определения сценариев съемки. Также он в разы ускоряет задачи, характерные для приложений AI. Плюс анализирует сценарии использования смартфона, заранее готовя их к запуску или усыпляя для лучшей автономности.
Samsung
Флагманским устройствам Samsung свойственна двойственность: на рынке присутствуют как модели на базе чипов Snapdragon, которые — сюрприз! — производятся на линиях Samsung, так и на базе собственного SoC Exynos. Интересно, что делаются Exynos на похожем техпроцессе, что и Snapdragon, однако они имеют явное преимущество в плане производительности. Существует несколько версий того, почему корейцы поступают именно так. Наиболее правдоподобной выглядит идея о том, что для пользователей США (а именно там продаются модели с «драконом» на борту) пришлось бы лицензировать часть технологий вроде СDMA, тогда как Qualcomm их уже имеет. В любом случае результат получается очень неплохим.
Так, Exynos 8895 установленный в Samsung S8, имел четыре собственных ядра M2 Mongoose с частотой 2,1 ГГц и четыре ядра А53 с частотой 1,7 ГГц. В обновленном Exynos 9810 ядра проапгрейдили до M3 Mongoose, попутно повысив частоту до 2,9 ГГц, а четыре низкопроизводительных ядра обновили до А55. Видео проапгрейдили до Mali G72, что сделало его опять одним из самых высокопроизводительных решений наравне с Adreno 630 в Snapdragon 845.
В результате Samsung S9+ на базе Exynos по синтетическим тестам считается самым быстрым смартфоном на Android и обходит аналогичные модели на Snapdragon.
При этом не флагмаными едиными. Samsung также выпускает крепких середнячков — серию Galaxy А — на базе опять же собственных процессоров. Прошлогодний А7 основывался на Exynos 7 Octa 7880: 8 ядер Соrtex A53 с частотой 1,9 ГГц, Mali-G71 MP2 и двухканальная память LPDDR4.
Характеристики Soc позволяли ему на равных конкурировать с Snapdragon 625. В готовящемся к выходу в этом году смартфоне Galaxy A8 будет стоять уже новый Exynos 7 Octa 7885, в котором два ядра заменили на А73, увеличили частоты до 2,2 ГГц, а для оставшихся шести А53 частоту снизили до 1,6 ГГц. Таким образом удалась и производительность повысить и автономность увеличить.
Интересно, что у Octa 7885 есть, можно сказать, младший брат, Exynos 5 Hexa 7872, в котором присутствует два старших А73 (с частотами 2 ГГц) и 4 А53, работающими на еще более низких 1,4 ГГц. Первые смартфоны на базе этого чипа вот-вот пойдут в серию и обещают неплохое соотношение цена/производительность.
Сравнительная таблица производительных SoC
Чтобы вам было проще разобраться во всем этом многообразии, мы собрали все основные характеристики в таблицу, добавив туда усредненные результаты тестов Geekbench4 из открытой базы данных компании-разработчика и официального рейтинга. А также результаты GFXBench: Manhattan.
(Нажмите для увеличения)
Рассматривая таблицу важно помнить, что множество смартфонных приложений все еще слабо заточены под многопоточность, поэтому производительность на одно ядро, отображаемая в тесте Geekbench 4 Single, также является весьма важным показателем.
Выводы
Главный вывод, который можно сделать, рассматривая весь этот «зоопарк», состоит в том, что несмотря на уровень кастомизации ядер именно их семейство определяет конечную производительность. Если вы хотите обзавестись высокопроизводительным решением, тогда подбирайте вариант смартфона с SoC, содержащим в себе ядра Cortex-A72, A73 или A75. Но если десятые доли секунды в отклике смартфона вам не важны, но есть желание сэкономить, тогда Cortex-A53 вас вполне устроят.
Также не стоит забывать, что медленная оперативная память или ее объем менее 2 ГБ способны «задушить» любой высокопроизводительный процессор.
Читайте также: