Каким напряжением питается процессор в смартфоне
Обновлено: 07.07.2024
Компания Huawei недавно представила новый процессор собственного производства Kirin 990. Он будет установлен во флагманских смартфонах Mate 30 и Mate 30 Pro — их покажут миру уже 19 сентября.
Так как мощный процессор в смартфоне сделает вашу жизнь лучше? Вот три основных пункта.
Молниеносный интернет
Представьте, что Wi-Fi вам больше не нужен, потому что мобильный интернет работает быстрее. Именно так и будет после внедрения сетей пятого поколения (5G). Если сейчас на загрузку фильма в HD-качестве требуется в среднем полминуты, то на скоростях 5G на это уйдет меньше секунды.
Сети 5G создаются в том числе с участием Huawei и на базе технологий компании. Поэтому именно Kirin 990 первым из существующих на рынке процессоров получил встроенный модем 5G, способный работать как в неавтономных сетях (усовершенствованных 4G LTE), так и в автономных (построенных с нуля на собственной 5G архитектуре). Последние пока только в планах.
Стоит отметить, что в России мобильные операторы ещё не получили нужные частоты для развития сетей 5G, так что их применение возможно пока только в тестовых целях и ограничено небольшими зонами. Зато купленный в 2019 году смартфон с Kirin 990 останется актуальным, когда стандарт 5G уже полноценно придёт в нашу страну.
Какой бы быстрой ни была мобильная связь, главное, чтобы она была постоянной. Ехать на скорости 120 км/ч и пользоваться интернетом без перебоев — теперь это тоже возможно. За стабильность подключения в Kirin 990 отвечает адаптивный нейрочип. Он принимает сигнал мобильных операторов на 19% эффективнее, чем процессоры конкурентов.
Больше времени без подзарядки без ущерба для мощности
Флагманские модели смартфонов должны легко справляться с самыми ресурсоёмкими задачами вроде видеоигр и обработки видеороликов в высоком разрешении. Но иногда мощность в сочетании с большим дисплеем сокращает время работы без подзарядки. Kirin 990 решает эту проблему за счёт распределения нагрузки на процессор: в нём сразу восемь ядер, и у каждого своя задача. Это как если бы в вашем телефоне был целый IT-отдел из восьми квалифицированных сотрудников, и все они работали сообща, помогая друг другу.
Чтобы ресурсы тратились эффективно, а батарея разряжалась медленнее, чипсет сам решает, какие ядра активировать. Два самых мощных работают с играми (здесь помогает и графический процессор с 16 ядрами) и видео, шесть ядер поменьше справляются со всем остальным. В итоге удаётся сэкономить энергию, а значит, и заряд батареи.
Kirin 990 по размеру не больше десятирублёвой монеты — это на 36% меньше, чем у ближайшего конкурента. Компактная площадь — более быстрое охлаждение. То есть сколько бы чип ни нагружали, он всё равно будет потреблять на 20% меньше энергии.
А ещё смартфон на базе Kirin 990 умеет запоминать привычные действия пользователя и предсказывать их. Научившись общаться с вами за счёт нейронного процессора и умного кэша, смартфон обеспечит максимальную скорость, плавность и энергоэффективность.
Ещё более красивые фотографии и видео
Яркие снимки и видео с повышенной чёткостью даже в темноте — эта опция становится определяющей в современном смартфоне. В Kirin 990 за это отвечает новый процессор обработки цифровых сигналов (ISP 5.0). Он снижает уровень шума на изображениях, корректирует цветовую палитру, причём делает это в режиме реального времени. До сих пор такое было под силу только профессиональным зеркальным камерам.
Процессор также будет делать цветокоррекцию при съёмке видео в реальном времени, что повысит качество роликов. Все радости так называемой «вычислительной фотографии», когда изображение улучшается не только за счёт оптики, но и благодаря программной обработке изображения, также будут доступны владельцам смартфонов на базе Kirin 990.
И напоследок — немного технических данных
Прикладное применение — это прекрасно, но если вам важно знать все технические параметры нового процессора, то вот они.
Производственный процесс — 7 нм.
Количество транзисторов — 10,3 млрд (в полтора раза больше, чем у Kirin 980, и в 1,2 раза больше, чем у A13 Bionic).
Максимальная тактовая частота — 2,86 ГГц. Количество ядер вычислительного процессора (CPU) — 8 (2+2+4).
Здравствуйте. Мой вопрос касается системы питания смартфона. Смартфон поддерживает технологию зарядки QuickCharge 2.0 и заряжает током 2.8 А по microUSB.
Подскажите пожалуйста, когда подключено зарядное устройство и идет просмотр фильма - откуда идет питание для самого телефона?
Есть 2 варианта:
1) Зарядное устройство всё время заряжает аккумулятор, а с аккумулятора снимается ток для питания внутренних схем смартфона. В результате после просмотра фильма аккумулятор даже немного подзарядился, но на самом деле в течении всего фильма аккумулятор работал на износ (заряжался и тут же отдавал заряд, заряжался и тут же отдавал заряд)
2. Зарядное устройство заряжает аккумулятор и при этом по отдельной цепи питает внутренние схемы. В этом случае аккумулятор потихонечку заряжается остаточным током, а вся остальная часть тока, минуя аккумулятор питает смартфон (как в ноутбуках). И в этом случае просмотр фильмов на смартфоне при подключенном зарядном устройстве никак не вредит аккумулятору.
Какой вариант верный?
JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет - любой!
Возможно, Вы и правы. Хотя конечно у Вас есть ссылки на статьи (пусть и зарубежные) для подтверждения Ваших слов - был бы Вам благодарен.
Я предположил следующую ситуацию: есть аккумулятор и на его плюсовой вход зарядное устройство подаёт напряжение. Телефон берет это напряжение с того же самого плюсового контакта аккумулятора. Получается, что если зарядное устройство подает напряжение и ток на плюс аккумулятора и сам телефон берет напряжение и ток с плюса аккумулятора, значит, получается что зарядное устройство питает внутренние цепи телефона.
Поэтому второй вариант подходит. Но есть еще такая штука как нагрев аккумулятора, при котором зарядный ток сильно понижается, и тогда на клеммы аккумулятора пойдет ток намного меньше, чем нужен самому телефону.
У меня аккумулятор допустим заряжен на 70%, я подключаю зарядное устройство 1 А и после 50 минут просмотра VR фильма аккумулятор садится на 2%. И тут 2 варианта — либо весь ток идет напрямую на схему телефона (и немного с аккумулятора), либо весь ток идет на аккумулятор и с аккумулятора уже снимается.
Но я думаю что вряд ли удастся где-то найти ответ на этот вопрос. Это знают только инженеры цепей питания моего смартфона. Опять же в разных телефонах это может быть реализовано по разному. Поэтому остаётся только проверять на личном опыте, но очень не хочется за год убить аккумулятор для замены которого придется нести телефон в сервис, где его всего покоцают при вскрытии.
Так что либо на свой страх и риск активно пользоваться смартфоном и наслаждаться его возможностями (VR игры, VR фильмы), либо использовать телефон как звонилку, плеер и будильник — тогда аккумулятор гарантировано проживет года 3.
А так вообще можно услышать рекомендации вида «не парься, все равно телефон морально устаревает быстрее, чем что-либо успеет случиться с его аккумулятором». Так то оно так, но я не особый фанат смартфонов и хотелось бы попользоваться телефоном лет 5, а то и 10. Но вот как-то не выходит — то выпадет из кармана в пруд, то украдут, то разобьешь, то реально надоест
Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
_________________
Всё не так, как кажется
Приглашаем всех желающих 25/11/2021 г. принять участие в вебинаре, посвященном антеннам Molex. Готовые к использованию антенны Molex являются компактными, высокопроизводительными и доступны в различных форм-факторах для всех стандартных антенных протоколов и частот. На вебинаре будет проведен обзор готовых решений и перспектив развития продуктовой линейки. Разработчики смогут получить рекомендации по выбору антенны, работе с документацией и поддержкой, заказу образцов.
Я предположил следующую ситуацию: есть аккумулятор и на его плюсовой вход зарядное устройство подаёт напряжение.Зарядное устройство ничего не заряжает. Оно подаёт напряжение питания на супервайзер питания (Power System Management IC), который отвечает как за заряд аккумулятора, так и за питание аппарата в целом (например, распространённая PSMIC AXP209 ).
Поэтому дальнейшие Ваши рассуждения - без комментариев.
Но я думаю что вряд ли удастся где-то найти ответ на этот вопрос. Удастся.Берут схему любого смартфона/планшета, и убеджаются. Опять же в разных телефонах это может быть реализовано по разному. Принцип везде одинаковый.
Ни в одной схеме питания аккумулятор не является "промежуточным звеном" между ЗУ и схемой аппарата. Им является супервайзер питания. но очень не хочется за год убить аккумулятор для замены которого придется нести телефон в сервис, где его всего покоцают при вскрытии. При питании аппарата от ЗУ, аккумулятор, зарядившись, отключается от цепей заряда супервайзером питания, и последующее питание аппарата происходит напрямую от ЗУ. Аккумулятор в это время "курит", заряженный.
Если ЗУ отключается, то аккумулятор подключается к супервайзеру питания, а тот уже подаёт напряжение на схему аппарата. я не особый фанат смартфонов и хотелось бы попользоваться телефоном лет 5, а то и 10. При соответствующем обращении, аппаратом вы в течение этого срока попользуетесь, а вот его аккумулятором - уже нет.
Рассчитывайте на 3. 4 года.
Приглашаем 30 ноября всех желающих посетить вебинар о литиевых источниках тока Fanso (EVE). Вы узнаете об особенностях использования литиевых источников питания и о том, как на них влияют режим работы и условия эксплуатации. Мы расскажем, какие параметры важно учитывать при выборе литиевого ХИТ, рассмотрим «подводные камни», с которыми можно столкнуться при неправильном выборе, разберем, как правильно проводить тесты, чтобы убедиться в надежности конечного решения. Вы сможете задать вопросы представителям производителя, которые будут участвовать в вебинаре
Ни в одной схеме питания аккумулятор не является "промежуточным звеном" между ЗУ и схемой аппарата. Им является супервайзер питания.Да, и согласно статье на английском, которую Вы кинули, тоже написано, что при наличии внешнего источника питания AXP209 будет работать даже без аккумулятора (я полагаю питать телефон).
К сожалению в своём телефоне я проверить не могу, т.к аккумулятор встроенный, но если взять телефон несколько проще - Philips Xenium x1510 то он сразу выключается если вытащить аккумулятор, даже при наличии внешнего источника питания 2 А. Наверное там нет такого крутого супервайзера питания. Либо может быть некоторые супервайзеры питания не поддерживают работу без аккумулятора?
У меня аккумулятор допустим заряжен на 70%, я подключаю зарядное устройство 1 А и после 50 минут просмотра VR фильма аккумулятор садится на 2%Твое зарядное устройство - говно. Либо смартфон воспринимает его как не родное.
1) Проверить зарядное устройство на максимальный ток подключив нагрузочный резистор. Если не просаживается при ДОЛГОВРЕМЕННОМ токе 1А для смартфона годится, если уходит в защиту и сбрасывает напряжение - выбросить!
2) Установить состояние датовских проводов необходимое, чтобы ДАННЫЙ тип смартфона воспринимал его как родное (замкнуть их или подать определенные напряжения, нагугливается для конкретного девайса).
Если это сделать правильно то смартфон в процессе просмотра кинА разряжаться не будет.
Производитель счёл недопустимым эксплуатацию устройства с изъятым аккумулятором. Твое зарядное устройство - говно. Либо смартфон воспринимает его как не родное. . либо оно и есть неродное.
У "левых" китайских ЗУ "за $2" экономят на сечении жил провода.
В результате падение напряжения (и тока заряда соответственно) может достигать 30. 50%. Провод отдельно проверять! У нормального провода суммарное сопротивление обоих жил должно быть не более
0,3ом. Твое зарядное устройство - говно. Либо смартфон воспринимает его как не родное.
Да, использую не родное устройство, но фирменное от старого аппарата samsung galaxy grand prime. Это хорошо, что заряд аккумулятора поддерживается почти на одном и том же уровне, а не заряжается во время просмотра фильма. Почему хорошо? Потому что температура аккумулятора доходит при просмотре фильма до 47,5 градусов. Читал в интернетах что очень не желательно заряжать аккумулятор при таких температурах.
А если я подключу родное зарядное устройство 9V 1,67A (технология Quick Charge, хотя AID64 показывает зарядный ток 2,8А) - то тогда аккумулятор заряжается даже при просмотре фильма.
Вы спецы, Вам виднее, но мне кажется что тока 1А не достаточно для зарядки аккумулятора и при этом для просмотра фильма. Потому что фильм не обычный, а преобразовывается для очков виртуальной реальности (делается из одного видео 720p два изображения для каждого глаза и уменьшается разрешение). Мне кажется там железо работает на полную катушку.
использую не родное устройство, но фирменное от старого аппарата samsung galaxy grand prime. Измеряйте сопротивления с "D-" и "D+" - на землю и на +5V.Сравнивайте с положением дел в "родном" ЗУ.
Зачастую в ЗУ планшетов и смартфонов "D-" и "D+" просто закорачиваются.
В этом случае аппараты различных "брэндов" не воспринимают его как "родное", и не включают режим заряда повышенным током.
Берут вообще только "стандартные" 500 мА. Потому что температура аккумулятора доходит при просмотре фильма до 47,5 градусов. Это греется не аккумулятор, а SoC.
Или Вы убеждались тактильно, прямо на аккумуляторе? А если я подключу родное зарядное устройство 9V 1,67A (технология Quick Charge, хотя AID64 показывает зарядный ток 2,8А) - то тогда аккумулятор заряжается даже при просмотре фильма. Причина выше - различия в сопротивлении между проводами шины данных кабеля ЗУ.
По всей видимости аккумулятор нагревается от SoC. Приложение AID64 показывает температуру батареи в 47,5 градусов после просмотра 50 минутного фильма.
А вот про различия в сопротивлении между проводами шины данных кабеля ЗУ не понял. Почему на зарядном устройстве написано 9V 1.67А, а AID64 показывает зарядный ток в 2,8А? Врет AID или производитель?
А вот про различия в сопротивлении между проводами шины данных кабеля ЗУ не понял.А чего непонятного?
Для идентификации ЗУ по принципу "свой-чужой", в ЗУ между проводниками данных установлен (в большинстве случаев) резисторный делитель, со строго определённым сопротивлением плеч (точность до 1 кОм).
Каждый изготовитель регламентирует это сопротивление, вплоть до различного для каждой модельной линейки устройств.
При подсоединении ЗУ, устройство измеряет падение напряжения на шине данных, и делает вывод: брать ему для зарядки повышенный ток (если ЗУ родное), либо ограничиться 500 мА (если ЗУ не опознано).
Если девайс жрет этот ток то ему достаточно. Больший ток у айпадов, но там не USB. Тут вообще много чего непонятно.
На 9В я тоже обратил внимание, но подумал: "чего только не понапридумывают изготов
kentgaryk, это новая технология быстрой зарядки Quick Charge 2.0 в топовых смартфонах. В комплекте со смартфоном идет специальное зарядное устройство которое выдаёт 9v 1,67А. Так же сам чип внутри смартфона рассчитан на такое напряжение и такой ток. По факту же приложение AID64 показывает зарядный ток никаких не 1,67А, а все 2,8А. То ли врёт производитель, то ли AID64. В любом случае я не использую этот адаптер, так как считаю что технология Quick Charge 2.0 убивает аккумулятор.
Аккумулятор действительно заряжается сверхбыстро, проценты заряда увеличиваются каждые 40 секунд. Но чудес не бывает - чем бОльшим током мы заряжаем аккумулятор, тем быстрее он деградирует. AID64 показал зарядный ток в 2,8 А. Аккумулятор разогревается очень сильно, до 44 градусов, после чего контроллер заряда на некоторое время понижает зарядный ток до 1,2 А и после того, как температура аккумулятора упадет до 42 градусов - снова поднимает до 2,8 А и так циклами. Известно, что рекомендуемая сила тока для Li-Ion аккумуляторов составляет 0,5С. То есть в половину ёмкости аккумулятора. Так, если у нас аккумулятор 3000 мАч, то рекомендуемый зарядный ток составляет 1 500 мАч. не забывайте, что аккумулятор у нас не съемный и поменять просто так мы его не можем. Мы можем отнести его в сервисный центр где произведут замену аккумулятора, но я более чем уверен, что после вскрытия "умельцами" на корпусе появятся различные коцки, царапки и повреждения. Безболезненно вскрытие корпуса смартфона вероятнее всего не пройдет. Поэтому, я считаю, что технология Quick Charge 2.0 предназначена не для постоянного использования, а для того, чтобы экстренно зарядить телефон если это необходимо. А для повседневной эксплуатации я решил использовать обычное зарядное устройство с максимальным током в 1А. Допустим пришел и поставил на зарядку на ночь - зачем насиловать аккумулятор токами почти в 3 ампера? Хотя на самом деле никто ничего не знает. В интернете можно найти статью, где якобы проводилось исследование и было выявлено, что быстрая зарядка большими токами не вредит аккумулятору. Верить или не верить этому исследованию - решать только вам. Еще раз подчеркну что чудес не бывает. Я не нашел комментариев разработчиков по поводу вреда для аккумулятора при использовании технологии Quick Charge. Ровно как не нашел детального объяснения принципа работы данной технологии. Нужно понимать, что ни один современный производитель не на целен на долгий эксплуатационный срок Вашего устройства, а лишь наоборот, нацеливается на то, что Вы как можно чаще меняли телефон. Даже аккумуляторы в смартфонах стали делать не съемными. Убили телефон за год технологией Quick Charge 2.0, аккумулятор не съемный - идем за новым флагманом. ИМХО - Quick Charge 2.0 это технология, при которой смартфон поддерживает зарядку аккумулятора большим током, только и всего. При этом применять эту технологию (использовать адаптер из комплекта поставки) можно только в особых случаях когда нужно быстро зарядить телефон.
Обеспечение питания – одна из наиболее сложных задач при разработке современных процессоров. Сеть доставки питания (power delivery network, PDN) должна отвечать повышенным требованиям современной КМОП-технологии, обеспечивать питание с высокой эффективностью и быстро реагировать на изменения в энергопотреблении.
И эти проблемы встречаются как у смартфонов с потреблением в 1 Вт, так и у серверных процессоров на 200 Вт и массивных ускорителей машинного обучения – к примеру, Cerebras CS-1 на 15 кВт. Для работы с заданной тактовой частотой каждому транзистору и каждой схеме современного чипа требуется питание с правильным напряжением. Если напряжение будет слишком низким, элементы схемы будут переключаться медленно, что приведёт к появлению ошибок, проблемам со стабильностью и другим неожиданным отказам.
Из-за физики кремния КМОП обычно работает на напряжении в 1 В. Однако у современных технологий, использующих транзисторы FinFET и другие техники, номинальные напряжения могут находиться в диапазоне от 0,65 В до 1,2 В. Инновационные схемы могут использовать напряжение питания, близкое к пороговому значению транзисторов (near-threshold voltage, NTV) – эту технологию продемонстрировало исследование от Intel. И хотя процессоры, использующие NTV (к примеру, Ambiq Micro), уже появились в продаже, эта технология всё ещё довольно нова. Энергопотребление коммутационной схемы (такой, как процессор) пропорционально квадрату напряжения, поэтому для увеличения эффективности необходимо уменьшать напряжение. Для разработчиков чипов это классическая проблема поиска золотой середины: напряжение должно быть достаточно высоким для того, чтобы избежать ошибок, но не выше.
Однако работа под низким напряжением – это сложная задача в плане обеспечения питания, поскольку в этом случае к процессору нужно подводить большой ток. Возьмём современный серверный процессор – Intel Cascade Lake Xeon 14 нм. TDP у самых мощных процессоров этой модели достигают 205 Вт, что теоретически даёт нам ток в 205 А при напряжении в 1 В. На самом деле, конечно, процессоры устроены гораздо сложнее, и используют различные напряжения и схемы питания, однако такой простой пример будет полезен для понимания ситуации. Если энергопотребление процессора останется на том же уровне, а напряжение понизится до 0,75 В, это увеличит нужный ток до 274 А. И хотя передовые серверные процессоры от Intel довольно прожорливы, они не идут в сравнение с некоторыми ускорителями вычислений. К примеру Nvidia Volta V100 потребляет 450 Вт, некоторые будущие их процессоры будут есть уже по 600 Вт, и, как было упомянуто ранее, Cerebras CS-1 потребляет невероятные 15 кВт.
Обычно гораздо эффективнее получается передавать энергию при высоком напряжении и низком токе. Чем выше напряжение, тем меньше ток и тем меньше требуется проводов, что уменьшает стоимость системы. Кроме того, потери на сопротивление пропорциональны квадрату тока, поэтому увеличение напряжения и уменьшение тока понижает потери на сопротивление и увеличивает эффективность энергетической системы. Поэтому обычно линии электропередач работают с напряжением выше 110 кВ – и те же самые базовые принципы применимы и для сервера или дата-центра. Хотя некоторые сервера используют традиционные 12 В, некоторые из новых перешли на 48 В для эффективности – в особенности ускорители, потребляющие более 350 Вт.
Если свести всё это вместе, то теоретической целью обеспечения питания будет передача энергии по системе с максимально возможным напряжением, а потом преобразование в очень низкое и стабильное напряжение, для эффективных и стабильных вычислений.
Анатомия сети передачи питания
Как показано на рис. 1, проблема обеспечения питания затрагивает всю систему, начинаясь с основного источника питания и продолжаясь до электрораспределительной сети в процессоре, доходя в итоге до транзисторов, выполняющих вычисления на кристалле. У настольных компьютеров БП преобразует 110 В или 220 В в 12 В постоянного тока, распространяемого по всей материнской плате, к процессору и другим компонентам. У ноутбуков или смартфонов всё немного не так – типичные литий-ионные батареи выдают постоянное напряжение в 3,7 В, поэтому преобразования переменного напряжения в постоянное не происходит, а понижение напряжения требуется не такое сильное.
Рис. 1: Обеспечение питания в современных системах. Слева — Intel FIVR, справа – традиционный VRM
У стандартных процессоров, например, от AMD, модуль регулятора напряжения (voltage regulation module, VRM) понижает напряжение примерно до 1 В. Обычно VRM располагаются недалеко от процессора, так, чтобы большую часть расстояния проходили сигналы на 12 В. 1 В передаётся на небольшое расстояние по материнской плате, через плату процессора, и внутрь самого процессора по его контактам. В процессоре есть своя электрораспределительная сеть, расходящаяся от контактов и использующая различные промежуточные металлические слои для доставки энергии к транзисторам. VRM работают на довольно низкой частоте в 1 МГц, то есть, могут подстраивать выходящее напряжение только раз в микросекунду.
Многие системы на базе Intel работают по той же схеме, однако используют дополнительный шаг в обеспечении питания. FIVR (fully-integrated voltage regulator – полностью интегрированный модуль регулятора напряжения) интегрирован в сам кристалл процессора и распределяет энергию по десяткам шин питания в его различные блоки (ядра CPU, кэши L2, блоки GPU и т.п.). FIVR используется в большинстве серверных процессоров, начиная с поколения Haswell. Также он используется в клиентских процессорах Haswell и Broadwell, а теперь и в клиентах Ice Lake и Tiger Lake. Отметим, что семейство клиентов Skylake (Coffee Lake, Comet Lake, и т.д.) FIVR не используют. В этих системах VRM на материнской плате преобразуют 12 В (или 48 В) в 1,8 В, и передают энергию от VRM, через всю материнскую плату, плату процессора и его контакты в FIVR. FIVR отвечает за последний шаг в преобразовании энергии, и понижает напряжение с 1,8 В до 1 В, в зависимости от нужд конкретной шины питания.
Одно из преимуществ FIVR состоит в том, что напряжение, поданное с VRM материнской платы на процессор получается в два раза выше, чем у обычных систем. Использование более высокого напряжения уменьшает требуемую силу тока примерно в 2 раза, уменьшает количество контактов питания и повышает эффективность. Минус в том, что преобразование напряжения никогда не бывает на 100% эффективным, и FIVR теряют часть энергии. Взаимоотношение между выигрышем в эффективности и потерей при преобразовании сильно зависит от конкретной ситуации. В целом для процессоров с высоким энергопотреблением система с FIVR обычно выигрывает. Кроме того, FIVR потрясающе быстро работает – её тактовая частота составляет 140 МГц, на два порядка больше, чем у VRM на материнке.
Необходимость быстрой реакции в изменчивых условиях
Скорость FIVR подводит нас к одной из крупнейших проблем обеспечения питания современных процессоров. Концентрация на постоянном питании и температурных характеристик (TDP) преуменьшает значимость проблемы. Современные процессы чрезвычайно динамичны, а их поведение меняется на основе нагрузки. Транзистору при переключении требуется относительно небольшой ток. Однако если множество транзисторов переключаются одновременно, то общее потребление может достичь значительных величин и создать шум на питании чипа. У таких высокоскоростных чипов, как CPU или GPU, количество переключающихся транзисторов может значительно меняться от цикла к циклу. К примеру, когда ядро CPU начинает выполнять команды умножения с накоплением AVX512, энергопотребление становится гораздо больше, чем в случае выполнения целочисленной арифметики. Сходным образом системы динамического изменения напряжения и частоты (DVFS) меняют частоту и напряжение процессора на лету в ответ на изменения загрузки или рабочих условий. Эти внезапные всплески в энергопотреблении могут привести к временным проседаниям напряжения.
Эту проблему могут проиллюстрировать два примера. Большинство дата-центров оптимизируют под эффективность и высокую утилизацию – то есть, 40-60% утилизации CPU, а в пиках и того больше. Если мы вернёмся к TPD 205 Вт у Intel Xeon по спецификации, то этот процессор в моменты максимальной загрузки потребляет ток в 273,75 A по основным шинам питания, и невероятные 413 Вт.
Клиентские процессоры, особенно у ноутбуков и смартфонов, ведут себя совсем не так, и представляют ещё более интересную проблему. Они обычно оптимизированы под очень неровную работу и должны выдавать максимальную мощность на кратких промежутках времени (к примеру, при загрузке веб-страницы), и потреблять очень мало во время простоя (к примеру, ожидая пользовательского ввода). Ноутбук, работающий с 40-60% утилизацией CPU, нереально быстро просаживал бы батарею. Клиентский процессор порядка 90% времени проводит в режиме ожидания. В итоге у клиентских процессоров получается ещё большая разница между TPD, максимальной мощностью и потреблением тока. Последние процессоры Ice Lake серий U и Y имеют TPD в 15 Вт и 9 Вт соответственно. Для увеличения быстродействия вендоры могут устанавливать TPD выше, вплоть до 25 Вт и 12 Вт соответственно. Однако максимальное энергопотребление для CPU и GPU значительно выше – до 70 А и 49 А соответственно, и это не считая питание контроллера памяти и всей периферии ядра.
Основная проблема тут в том, что регуляторы напряжения, будь то VRM на материнской плате или FIVR от Intel, реагируют гораздо медленнее, чем могут появляться кратковременные всплески, вызванные переключениями транзисторов. FIVR у Haswell может повысить напряжение на шине питания от 0 до 0,8 В за 0,32 мкс. Однако для современных процессоров на 3 ГГц это выльется в порядка 1000 тактов. Обычные, менее быстрые VRM могут увеличивать напряжение на 10-23 мВ за мкс, и на аналогичное повышение от 0 до 0,8 у них уйдёт в 100 раз больше времени, или порядка 100 000 тактов. Без очень эффективной схемы эти временные пики могут вызвать проседания напряжения – по смыслу это похоже на то, как в старых домах тускнеет свет лампочек, когда хозяева включают микроволновку или фен. Исключение составляют клиентские процессоры Skylake и процессоры от AMD, использующие регуляторы с небольшим падением напряжения (LDO), которые также работают очень быстро. Однако LDO работают как переменное сопротивление, и умеют только уменьшать напряжение, идущее на шину питания. Поскольку LDO работают через сопротивление, для больших изменений напряжения (более 10%) они становятся неэффективными.
Как уже упоминалось, если процессор работает на частоте 3 ГГц, а напряжение внезапно падает, то транзисторы могут уже не работать корректно – поэтому либо нужно держать постоянное напряжение, либо ронять частоту. На практике же большинство компаний используют комбинацию из разных мер. К примеру, AMD разработала технологию адаптивного изменения частоты, уменьшающую её во время проседаний напряжения.
Плавная подача питания развязывающими конденсаторами
Чтобы устранить несоответствие между почти мгновенными всплесками потребления и задержкой на регуляторах напряжения, современные системы полагаются на развязывающие, или обходные конденсаторы. Эти конденсаторы хранят энергию и могут быстро высвобождать её, чтобы гарантировать постоянное напряжение в моменты, когда регуляторы только начинают реагировать. Вернёмся к рис. 1: системы включают в себя развязывающие конденсаторы на каждом шаге работы сети подачи питания. На МА конденсаторы встречаются во многих местах, но особенно много их вокруг гнезда процессора – см. рис. 2. В платы процессоров также встраивают развязывающие конденсаторы, обычно по краям и снизу. Наконец, на кристаллах процессора тоже располагают конденсаторы; они ближе всего расположены к активным схемам и дают скорейший отклик на временные всплески энергопотребления.
Рис. 2: развязывающие конденсаторы вокруг гнезда процессора
На кристаллах располагаются совершенно разные конденсаторы. Простейший их тип – обычный транзистор, который иногда называют МОП-конденсатором. Такие конденсаторы можно легко вставлять в стандартные ячейки на небольшом расстоянии от важных участков, где ожидается сильный шум переключения. Поскольку они располагаются близко к активным участкам, они легко могут поглощать шум и быстро подавать дополнительный ток.
Кроме того, на чипах, разработанных при помощи различных средств автоматизации, встречаются «пробелы» – участки, оставшиеся пустыми из-за несовершенства инструментов и ограничений по расположению блоков разной формы в непосредственной близости друг от друга. Распространённой практикой является заполнение этих пробелов конденсаторами – по сути, это «бесплатно». И хотя МОП-конденсаторы можно сделать в любом техпроцессе и легко разместить на кристалле, они не являются идеальными конденсаторами. Как и другие транзисторы, они дают утечку, а также их бывает сложно втиснуть в забитые компонентами участки чипа. Ещё один вариант – изменить техпроцесс и создавать более специализированные структуры, такие, как металл-диэлектрик-металл (MIM) конденсаторы, металл-оксид-металл (MOM) конденсаторы, или траншейные конденсаторы [deep trench capacitors].
Рис. 3: MIM- конденсаторы от Intel на 22 нм для eDRAM
Как следует из названия, MIM- конденсаторы формируется из двух параллельных металлических слоёв с high-k диэлектриком между ними. В процессе на 22 нм от Intel используются два разных вида MIM-конденсаторов. Как видно на рис. 3, первый тип MIM-конденсаторов используется для одноразрядных ячеек в eDRAM и формируется в нижних металлических слоях M2-M4. Второй представлен в процессе 22FFL и использует толстые верхние слои в 4 мкм в качестве параллельных металлических слоёв. Intel тут не делает ничего уникального – другие производители тоже используют MIM-конденсаторы. К примеру, AMD использовала MIM-конденсаторы верхнего уровня в процессоре Zen CCX для развязки и уменьшения провалов напряжения. MIM-конденсаторы обычно работают лучше, чем МОП-конденсаторы, однако располагаются они чуть дальше, поскольку нхаодятся в верхних металлических слоях, а необходимость предпринимать дополнительные шаги на производстве немного увеличивает стоимость. MOM-конденсаторы используют сходную идею параллельных металлических линий, только поворачивают их на 90°. Металлические линии формируются горизонтально в двух соседних вертикальных металлических слоях (к примеру, M3 и M4), а межслойный оксид-диэлектрик играет роль изолятора.
Ещё одним вариантом будут траншейные конденсаторы, однако они редко встречаются в производстве, поскольку травление траншей с высоким разрешением значительно повышает стоимость процесса. Их использовали уже несколько поколений технологий изготовления процессоров, начиная с техпроцесса SOI на 32 нм от IBM и далее, с SOI на 14 нм. Траншейные конденсаторы от IBM используются для развязки в больших массивах eDRAM, реализующих кэши L2, L3 и L4 в процессорах POWER и zArch. В качестве примера IBM заявляет, что смогла убрать все конденсаторы с платы процессора z12, сделанного для мейнфрейма по техпроцессу 32 нм, и заменить их траншейными конденсаторами. После этого на IEDM 2019 TSMC рассказала о процессе формирования траншейных конденсаторов на кремниевой вставке. Хитроумный и элегантный подход – хотя такие конденсаторы располагаются уже не так близко к активной логике, как те, что находятся на самом кристалле, поэтому неспособны полностью заменить развязывающие конденсаторы.
Обеспечение системы питанием находит компромисс между быстродействием, эффективностью и стоимостью
При обеспечивании питанием высокоскоростных процессоров приходится обходить несметное количество проблем. В идеале, сеть доставки питания должна работать при высоком напряжении для эффективности передачи энергии, но в итоге выдавать низкое и стабильное напряжение для КМОП-логики, на которой реализован процессор. Преобразование питания, из переменного в постоянный ток, и из высокого в низкое напряжение должно быть максимально эффективным.
В то же время, ток, требуемый для работы процессора, постоянно меняется, реагируя на изменяющиеся условия работы – такие, как смесь инструкций или динамическое изменение напряжения. Для сглаживания этих почти мгновенных изменений и уменьшения шума в современных схемах почти на каждом уровне доставки питания, от материнской платы до кристалла процессора, используются развязывающие конденсаторы. Чем быстрее и отзывчивее сеть, тем меньше развязывающих конденсаторов ей требуется. Если взять сам процессор, то для него доступно несколько вариантов размещения конденсаторов на кристалле. Проще всего использовать обычные транзисторы, поскольку их легко разместить в рамках любого техпроцесса, однако они работают не очень эффективно. Многие производители предлагают конденсаторы улучшенной эффективности, созданные при помощи особых технологий или схем разработки — такие, как MIM-конденсаторы, и более редкие ТК, на кремнии или вставке.
Все эти переменные связаны между собой – техпроцесс, развязывающие конденсаторы, динамическое изменение напряжения и частоты, регуляторы напряжения – и разработчики процессоров обязаны учитывать их все, чтобы получать максимально возможные быстродействие, эффективность по минимальной цене.
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:
Во времена мобильных телефонов, которые были «глупыми» и мало что, по нынешним меркам, умели, особого внимания начинке покупатель не уделял. Бо́льшую важность представляли внешний вид, объем памяти для записи телефонных номеров и SMS, позже — «навороты» в виде браузера, почтового клиента и тому подобные. Может, играла роль престижность модели.
Как это часто бывает, все изменила Apple, выпустив джинна из бутылки — оригинальный iPhone. Он дал начало новой моде на девайсы. Хотя «яблочная» корпорация не была первой в сфере «умных телефонов» (ведь задолго до этого существовали IBM Simon, Nokia 9000 Communicator, Qualcomm pdQ 800 и другие), именно она смогла популяризовать направление — своим подходом, созданием должного образа и, что самое главное, экосистемы.
В бой ринулись многие, дав толчок развитию технологий, позволяющих нарастить мощность «телефонов» нового поколения — смартфонов в том виде, в котором мы привыкли их видеть. Постепенно мобильные устройства стали походить по своей производительности и возможностям на компьютеры, поэтому ожидания и требования к ним возрастали.
Сегодня рынок устоялся, основных игроков, выпускающих мобильные процессоры, не так много, к тому же они используют решение одной компании Аrm, подстраивая его под себя. Расскажем простыми словами, что это за зверь — мобильный процессор. А позже перейдем к другим компонентам смартфонов.
Коротко, о чем пойдет речь:
- Процессор — CPU — является лишь одним из компонентов SoC. SoC, в свою очередь, — это набор, включающий в себя все необходимые узлы для обеспечения работы мобильного устройства. позволяет увеличить производительность смартфонов и снизить энергопотребление.
- Вычислительные ядра бывают разные: много — не обязательно хорошо. : чем меньше цифра, тем лучше. — защита от разрушения процессора и необходимость для повышения производительности. программной и аппаратной частей может привести к падению производительности даже самых топовых смартфонов и негативно сказаться на времени автономной работы.
- Модное веяние: выделенный нейронный процессор, который применяется для обработки фото, идентификации юзера и предметов, создания сценариев и способен на еще более интересные вещи, о которых пользователь и не узнает.
Мобильный процессор, но правильнее — SoC
В отличие от домашнего компьютера, смартфон использует несколько иную логику: в случае с умными мобильниками процессором часто называют всю «систему на чипе» — SoC (System-on-a-Chip), или «систему на кристалле». Это набор компонентов, которые выполняют основные функции смартфона — от обработки данных, поступающих из всех источников, до подключения к беспроводным сетям и вывода картинки на экран.
То есть SoC — это собственно вычислительный процессор (CPU), «видеокарта» (GPU), модемы (3G, 5G и тому подобные), модули беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth) и что угодно еще, но мы будем говорить именно о «процессоре», то есть об основном вычислительном компоненте. Отметим, что существуют и раздельные решения, когда тот или иной компонент не интегрирован, однако основной путь — «все вместе».
Какие мобильные процессоры самые-самые? Сейчас к актуальным и топовым относятся: Apple A13 Bionic для iPhone, Snapdragon 855 и 855 Plus для большинства Android-смартфонов, Helio G90, Exynos 990 для смартфонов Samsung, Kirin 990 для Huawei и Honor. Хотя те, что постарше на год-два, не особенно хуже, и средний юзер не ощутит разницы в производительности от слова «вообще».
Apple iOS, экран 4.7" IPS (750x1334), Apple A13 Bionic, ОЗУ 3 ГБ, флэш-память 64 ГБ, камера 12 Мп, 1 SIM Apple iOS, экран 4.7" IPS (750x1334), Apple A10 Fusion, ОЗУ 2 ГБ, флэш-память 32 ГБ, камера 12 Мп, аккумулятор 1960 мАч, 1 SIM Apple iOS, экран 6.1" IPS (828x1792), Apple A12 Bionic, ОЗУ 3 ГБ, флэш-память 64 ГБ, камера 12 Мп, аккумулятор 2942 мАч, 1 SIMМногоядерность, тактовая частота
Все адекватные производители смартфонов используют сегодня решения с многоядерными процессорами. Многоядерность позволяет эффективнее утилизировать ресурсы.
Появляется возможность одновременного выполнения нескольких заданий (работа приложений в фоне). Кроме того, в одном CPU обычно компонуются как менее производительные ядра, так и более производительные с разной тактовой частотой. В восьмиядерном процессоре это могут быть «наборы» 4+4, 4+3+1 или другие в зависимости от производителя процессора и требований заказчика.
Нужно набрать SMS или посмотреть список дел? Задействованы «слабые» ядра с низкой частотой, нагрузка на батарейку минимальная. Запустили игру? Включились «сильные» ядра, аккумулятор стал активнее терять заряд. В жизни это означает, что один и тот же смартфон в руках мобильного геймера или любителя поснимать видео в 4K продержится часов пять, а у предпочитающего только звонки и SMS — двое суток.
Многоядерность — это плюс и минус одновременно. Наличие разных инструментов (ядер) позволяет сделать смартфон универсальным для разных задач. Но в то же время нужно научить их работать правильно со всеми приложениями, а это получается не всегда. Что выливается в проблемы, например, с производительностью (система не понимает, что нужно включить производительные ядра, и все «тупит») или утечкой энергии (работает все на максимуме, аж дым идет, когда не надо).
Ядра бывают разные
Производители смартфонов используют ядра (архитектуру), разработанные в компании Arm. Дизайн чипов при этом проектируют отдельно: Apple делает свое, Samsung, Huawei, Qualcomm и MediaTek — свое.
Одно и то же ядро (например, Cortex-A77 — самый актуальный вариант) может работать на разной частоте в зависимости от устройства и собственной модификации. Ядра объединяют в кластеры — те самые «наборы».
От дизайна зависит, сколько может быть ядер в одном кластере. Общее количество ядер в одном процессоре Android-смартфона обычно составляет восемь (в самых свежих iPhone — шесть).
«Количество ядер не указывает на производительность смартфона»
big.LITTLE, в свою очередь, расшифровывается просто: есть ядра более производительные (big) и менее производительные (little). Смартфон должен обеспечить плавное переключение на лету между кластерами в зависимости от задач, выполняемых мобильником. Это сложно и иногда работает со сбоями. Логика инженеров Apple и их возможности немного иные. Также есть и другие нюансы, объективно выделяющие «яблоко» из остальных (часто ли вы видели тормозящий iPhone?).
В качестве примера приведем флагманский процессор Snapdragon 855+ для Android-смартфонов. Он использует чип с одним высокопроизводительным ядром до 2,84 ГГц, двумя производительными до 2,42 ГГц, построенными на базе Cortex-A76 (они же кастомные Kryo 485 Gold и Kryo 485 Gold Prime), и четырьмя энергосберегающими до 1,8 ГГц на базе Cortex-A55 (Kryo 485 Silver). Итог — три кластера под разную интенсивность работы.
И, как мы видим, ядра, базируясь на одной архитектуре, имеют модификации, что отражается на их тактовой частоте.
Еще один момент: количество ядер не указывает прямо на производительность смартфона. Поэтому восемь слабых ядер уступят компоновке из четырех мощных и четырех малопроизводительных.
Важно также, как производитель позиционирует смартфон. Поэтому заморачиваться по поводу того, какой процессор установлен в свежем флагмане, особенно не стоит: наверняка там будет адекватное решение (актуально для зарекомендовавших себя брендов).
Какие-то нанометры
Представьте, что на одну и ту же площадь можно установить больше маленьких транзисторов, повысив тем самым общую вычислительную мощность. К тому же они нагреваются меньше, что позволяет еще больше увеличить производительность.
К примеру, 7-нанометровый чип будет производительнее 14-нанометрового при том же напряжении на четверть или таким же по производительности при вдвое сниженном напряжении (и батарея сядет позже).
Но есть нюанс, связанный с маркетингом (куда без него): производители могут использовать разные способы подсчета нанометров и производительности, так что эти цифры носят отчасти условный характер, из-за чего прямое сравнение возможностей процессоров от разных компаний не всегда возможно.
Троттлинг
Обычно троттлинг означает чрезмерный нагрев процессора, после которого тот снижает частоту и заметно теряет в производительности. Это механизм защиты, придуманный для того, чтобы сохранить целостность CPU в критической ситуации. Отчего случается «плохой троттлинг»?
«Если система отвода тепла не продумана, гигагерцы не помогут»
В спецификациях к мобильнику можно заявить о частоте в 2,5 ГГц на все восемь ядер, производительность будет «доказана» в синтетических тестах. В реальности же смартфон не будет справляться с играми или тяжелыми приложениями: первые пару минут все будет хорошо, затем последует сильный нагрев из-за попыток CPU выдавить из себя условные 2,5 ГГц, появятся «фризы», «тормоза», аппарат будет неприятно горячим и станет бесполезным — если система отвода тепла не продумана, а ПО работает плохо.
Читайте также: