Из каких химических элементов состоит процессор телефона
Обновлено: 07.07.2024
При выборе смартфона мы все чаще обращаем внимание на такой параметр, как техпроцесс процессора. В характеристиках смартфона производитель гордо указывает величины: 8 нм, 7 нм и даже 5 нм. Но что скрывается за этими цифрами?
Что такое техпроцесс?
Apple A14 Bionic – самый мощный мобильный процессор 2020 года. Скрин: YouTube-канал Apple Apple A14 Bionic – самый мощный мобильный процессор 2020 года. Скрин: YouTube-канал AppleТехнологический процесс представляет собой широкое понятие, для определения которого необходимо разобраться с термином транзистор.
Транзистором в электронике называют минимальный компонент, который пропускает или не пропускает электрический ток. В структуре процессора транзистор играет роль своеобразного переключателя для выполнения операций в двоичной системе расчета.
Мобильный чипсет состоит из нескольких миллионов таких транзисторов, отличающихся габаритами. Размер одного элемента принято измерять в нанометрах, но величина 5 нм или 7 нм является не площадью, а шириной его канала, через который проходит ток.
Поскольку ширина канала напрямую связана с его габаритами, понятия технологического процесса и размера транзистора с натяжкой можно назвать тождественными.
В пресс-релизах техпроцессом сегодня называют размер минимального компонента процессора (транзистора).
На что влияет техпроцесс?
Транзисторы в структуре ядра процессора. Скрин: YouTube-канал stupidmadworld Транзисторы в структуре ядра процессора. Скрин: YouTube-канал stupidmadworldОт техпроцесса или, как мы уже поняли, размера транзистора зависит то, сколько таких элементов удастся расположить на чипе. Ведь площадь однокристальной системы ограничена.
Значит ли это, что чем меньше технологический процесс, тем мощнее процессор? Не совсем. На мощность процессора влияет другая характеристика – тактовая частота. Чем выше частота, тем сильнее нагревается чипсет.
Температура процессора напрямую влияет на автономность смартфона. Частично проблема «горячего» чипа решается нанесением термопасты и графитовой пленки на однокристальную систему. Но более действенным вариантом становится увеличение расстояния между транзисторами. А оно возможно только в том случае, если транзисторы обладают минимальным размером.
Таким образом, техпроцесс влияет на продолжительность работы смартфона от одного заряда наряду с таким фактором, как емкость аккумулятора.
Какой техпроцесс лучше?
Ежегодно производители однокристальных систем стараются уменьшить техпроцесс, чтобы разместить на чипе больше транзисторов и увеличить расстояние между ними.
То есть, чем меньше размер транзистора (технологический процесс), тем лучше.
В зависимости от класса устройства рекомендуется выбирать модели, чей техпроцесс соответствует следующим показателям*:
- флагман – 5-7 нм;
- средний класс – 7-8 нм;
- бюджетник – 10-12 нм.
* – информация актуальна на 2021 год.
Сегодня на российском рынке только две компании могут похвастать актуальным 5-нм техпроцессом чипсета (Samsung и Apple). К сожалению,
современный показатель все еще не доступен для моделей среднего класса и уж тем более для бюджетников. Но недавно мы делали обзор недорогого смартфона Redmi Note 9T , в котором использован чипсет с размером транзистора 7 нм. Это отличный вариант для устройства за 15000₽.
Смартфоны не существовали бы, если бы не так называемые редкоземельные металлы (MZR) — то есть группа из 17 химических элементов, используемых, в основном, для изготовления компонентов электронных устройств. Их можно найти также в военной промышленности, где используется, например, для производства радаров, лазеров, систем наведения ракет и конструкции реактивных двигателей. MZR находят применение в медицинской промышленности, где используются, в частности, в лазерной терапии, лучевой терапии, в методах диагностики (рентген, МРТ).
Металлы которые найти в любом смартфоне
Медь (8,75 г)
Материал, необходимый для создания процессоров, полупроводников и печатных плат. Микросхемы и печатные схемы содержат медь, из-за очень хорошей электропроводностью, в то время как радиаторы изготавливаются из меди, в связи с очень высоким коэффициентом рассеивания тепла. Медь была ранее использована также для изготовления электронных ламп и ЭЛТ-мониторов.
Кобальт (3,81 г)
Кобальт предназначен для производства батарей и аккумуляторов. Применяют его также компании из секторов авиационной промышленности, космонавтики, энергетики, нефтехимии и химии. Его можно также встретить в магнитах и магнитных лентах, используемых в качестве носителей данных. Его не существует в природе самостоятельно, а получают в результате обработки руд никеля и меди. До XIX века использовался в основном как синий краситель.
Железо (3 г)
Его сплавы используются в основном для изготовления элементов корпуса (корпусов, крышек аккумулятора), так что мы не найдем его в любом смартфоне. Отличается высокой прочностью и устойчивостью к окислению. Учитывая текущий тренд на рынке, все больше компаний будет использовать его для производства своих устройств.
Олово (1 г)
Один из самых важных компонентов современной электроники. Олово ценится прежде всего за свои физические свойства, доступность и низкую стоимость, а используют ее в основном для выполнения паяных соединений на материнских платах смартфонов, планшетов, ноутбуков и любых других электронных устройств и электрических.
Тантал (0,4 г)
Отличается очень высокой прочностью, поэтому он используется для изготовления небольших, но мощных электролитических конденсаторов, которые, в свою очередь, попадают в смартфоны, компьютеры и оборудование оборонного и космического характера. Из-за высокой устойчивости к воздействию кислот и щелочей, тантал используется для изготовления химической аппаратуры.
Серебро (0,25 г)
Из-за высокой электропроводности, используется в основном для производства проводников, переключателей, контактов и предохранителей в электронных устройствах. Встретим его также в дорожках на некоторых печатных платах, а также в некоторых типах аккумуляторов. Кроме того, серебро применяется в кинематографии, при строительстве космических аппаратов или панелей солнечных батарей.
Золото (0,024 г)
Используется в производстве проводников, переключателей и кнопок, оперативной памяти, материнских плат, кабелей. Используют его также в шлемах астронавтов, для лечения артрита, а также стоматологии и ортодонтии. Золото применяется в электропроводке космических аппаратов.
Палладий (0,009 г)
Металл весьма пластичен и устойчив к коррозии. В основном его используют для производства электродов, а также в качестве сырья для изготовления проволоки, прутков и специальных клемм и проводов. Используют в телефонах или телевизорах. Палладий можно также встретить в катализаторах автомобильней, в фотографической промышленности, хирургии, стоматологии и при производстве ювелирных изделий и часов.
Подытожим
Зная состав обычного смартфона можно сделать интересные расчеты.
Сумма всех перечисленных ранее элементов в одном устройстве составляет около USD 3. Поэтому любое устаревшее или неисправное электронное оборудование стоит отдать на переработку — это позволит восстановить дорогие материалы и позаботиться об окружающей среде.
В качестве электропроводящей прозрачной пленки используется оксид индия олова (смесь оксидов индия и олова), именно эта пленка позволяет экрану реагировать на прикосновения.
Для изготовления большинства смартфонов применяются алюмосиликатные стекла - смесь оксидов кремния и алюминия. Для дополнительного увеличения прочности в такие стекла часто внедряют ионы калия.
Для того, чтобы экран смартфона мог отображать цветное изображение, в нем используется целый ряд редкоземельных металлов. Некоторые соединения добавляют для того, чтобы уменьшить прозрачность экрана смартфона для ультрафиолета.
Источники питания
Большая часть источников питания смартфонов оснащена литий-ионными аккумуляторами, в состав которых входят смешанный оксида лития-кобальта (материал для анода, положительно заряженного электрода) и графит (отрицательно заряженный электрод, катод). Для изготовления катода в некоторых типах источников питания кобальт замещается марганцем. Корпус аккумулятора изготавливают из алюминия.
Электроника
Наиболее крупные провода в смартфоне изготовлены их меди, в то время как три наиболее электропроводных металла - золото, серебро и медь применяются для микроконтактов. Основной компонент микроконденсаторов - тантал.
При изготовлении электрических схем микрофона (и некоторых других) применяется никель. Магниты микрофона и динамика изготовлены из празеодима, гадолиния и неодима. В состав вибрирующей мембраны микрофона и динамика входят неодим, тербий и диспрозий.
Материал для процессора смартфона (как и для большинства процессоров самой различной электроники дня сегодняшнего) - кремний, который для изменения его электрической проводимости легируется другими элементами.
В качестве припоя для связывания контактов применяют сплав свинца-олова. В некоторых новых моделях из-за токсичности свинца традиционный припой заменяют на новый - оловянно-медно-серебрянный.
Материалом для корпуса смартфона может быть магний (металлические корпуса) или пластик - прочный армированный полимер. Для увеличения огнестойкости корпуса в состав полимера вводят бром, а для подавления возможных электромагнитных помех - никель.
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: