Mobile byggeklosser 2014: mobile kjerner

Hvert år etter CES og Mobile World Congress, grubler jeg på showets kunngjøringer og hva de betyr for fremtiden til mobile applikasjonsprosessorer. Vi har helt sikkert sett noen interessante utviklinger, inkludert et sett med 64-biters chip kunngjøringer, hvorav noen er mer rettet mot mellomtelefoner, men nye 32-biters chips syntes å være det mest populære samtaleemnet i høye enden.

Nesten hvert selskap som lager brikker snakker om bedre grafikk - med store gevinster i ytelse - og alle snakker om flere kjerner, med 4- og til og med 8-kjerne brikker som nå blir rutine. Det vi ikke har sett ennå, er noen store applikasjonsprosessorer bygget med 20nm-teknologi (bortsett fra de fra Intel, som kontrollerer design og produksjon for brikkene), og heller ikke nye high-end 64-bits chips fra de fleste spillerne. Som et resultat kan det hende at endringene vi sannsynligvis vil se i sjetongene for de høyeste telefonene i løpet av de neste månedene, ikke er store, selv om mellomtelefonene og low-end-telefonene fanger opp.

Jeg vil diskutere detaljene i de viktigste sjetongene senere denne uken, men jeg vil gjerne begynne med å snakke om de grunnleggende byggesteinene som går ut på å lage applikasjonsprosessorer. I motsetning til i PC-verden har produsenter av slike prosessorer generelt en tendens til å bruke minst noen immaterielle eiendommer, enten arkitektoniske lisenser eller fullkjerner, til å lage sine produkter. Husk at en typisk applikasjonsprosessor i dag inkluderer en CPU, grafikkjerne, ofte et baseband-modem og en rekke andre funksjoner; og mange produsenter lisensierer CPU-arkitekturen, grafikken eller potensielt begge deler. En typisk prosessorprodusent vil kombinere disse funksjonene, både de de lager selv og de de lisensierer, for å designe en spesifikk brikke for et målmarked. I dette innlegget skal jeg snakke om CPU-arkitektur, og deretter følge i morgen med en om grafikkdesign.

De mange smakene til ARM-design

De aller fleste mobile applikasjonsprosessorer du ser i dag, kjører en variant av ARM-arkitekturen. På tvers av alle markeder hevder ARM at mer enn 50 milliarder prosessorer som bruker teknologien er solgt, med mer enn 10 milliarder solgt i 2013 alene. Telefon- og nettbrettmarkedene er en betydelig del av det, med ARM som hevder at 95 prosent av verdens smarttelefoner kjører en eller annen versjon av sin arkitektur, men ARM-prosessorer er i mange andre produkter også.

Men det er viktig å forstå at ARM faktisk ikke selger prosessorer; i stedet selger den IP - inkludert faktiske kjernekonstruksjoner og den grunnleggende underliggende arkitekturen, som flere chip-leverandører inkludert Apple og Qualcomm bruker for å lage unike kjerner. Å bruke en vanlig arkitektur - effektivt instruksjonssettet - gir mulighet for en grad av kompatibilitet og gjør det dermed lettere å få programvare til å kjøre på brikker fra flere selskaper.

Det er to grunnleggende ARM-arkitekturer som vi ser i mobile prosessorer i dag - 32-biters ARMv7 og 64-biters ARMv8-versjon.

ARMv7 har vært standarden i telefonmarkedet i mange år. Dette er en 32-bits design som brukes i en rekke kjerner (inkludert ARMs Cortex-A9, A7 og A15-design, samt Qualcomms "Krait" -arkitektur og kjernene som ble brukt i Apple-prosessorer før A7). Cortex-A9 har vært utrolig populær, men dagene virker nummererte. I år ser vi flere design som inkluderer enten en mindre og mer effektiv Cortex-A7; eller en kraftigere Cortex-A15, som gir høyere ytelse; eller en kombinasjon av de to i det ARM kaller "big.LITTLE" -konfigurasjonen.

Cortex-A7 er faktisk veldig liten - mindre enn en halv kvadrat millimeter på en 28nm prosess - og ble designet for å bruke mye mindre strøm; mindre enn 100 milliwatt sammenlignet med en topp på 200 til 300 milliwatt for en A9, og opp til 500 milliwatt for en A15. Cortex-A15 gir støtte for et 40-bits fysisk adresseplass, selv om individuelle applikasjoner bare har tilgang til 32 biter. I fjor sommer introduserte ARM A12, ment å være en erstatning for A9, og sa at den var opptil 40 prosent raskere enn en A9 og ville passe inn i rommet mellom A7 og A15. Tidligere i år kunngjorde selskapet en oppgradert versjon kalt Cortex-A17, som den sier skal tilby bedre effektivitet og 60 prosent mer ytelse enn Cortex-A9. (Så langt er det bare MediaTek som har kunngjort en telefonprosessor og Realtek en TV-prosessor som bruker A17.) ARM mener A17 er den siste av sine 32-biters design, og er ment å ha lang levetid, i applikasjoner som TV-er og forbrukerprodukter, mens til slutt bytter hoveddelen av mobilmarkedet til 64-biters design.

Flere selskaper har kombinert A7 og A15 (eller nylig A7 og A17) til den store.LITTLE kombinasjonen, som gjør det mulig for en chip å ha lavere effektkjerne kjører mesteparten av tiden og brikken bytter til høyere effekt kjerner når den trenger tilleggsytelse, kanskje mens du kjører en kompleks beregning i et spill, eller til og med komplisert JavaScript på en webside. I noen av disse designene kan enten blokken med A7-kjerner eller den av A15-kjerner være aktiv på en gang; i andre kan alle kjernene fungere samtidig.

Igjen virker det sannsynlig at de fleste fremtidige mobilbrikker designet med ARM-kjerner vil flytte til 64-biters arkitektur, selv om vi ser ut til å være i de tidlige dagene av migrasjonen. ARMv8-instruksjonssettet ser ut til å bli brukt i Apples A7-prosessor, som finnes i iPhone 5s og iPad Air, og forventes også å være i en rekke andre proprietære design. Og selvfølgelig har ARM to kjerner som den har kunngjort ved bruk av denne arkitekturen: en mindre Cortex-A53 og en kraftigere Cortex-A57, igjen med muligheten til å kombinere dem i en stor.LITTLE konfigurasjon. 64-bits versjonen er bakoverkompatibel, men inneholder større registre for generelle formål og medieinstruksjoner (som kan gjøre det raskere i noen operasjoner), støtte for minne utover 4 GB (spesielt viktig i serverapplikasjoner); og nye instruksjoner om kryptering og kryptografi.

Cortex-A53-kjernen ligger et stykke videre, med selskaper som MediaTek, Qualcomm og Marvell som alle kunngjør sjetonger med flere A53-kjerner. ARM sier at de forventer at de første slike sjetonger vil være ute i sommer. A57 skal være særlig kraftigere, og ARM forventer at mobilbrikker med den kjernen vil være ute senere på året. (AMD har kunngjort en serverbrikke som bruker A57-arkitekturen, på grunn av full produksjon mot slutten av året.)

ARM tilbyr også en rekke mye mindre kjerner som brukes i mikrokontrollere og andre enheter i sin M-serie; disse vil ikke kjøre applikasjonsprosessorer på egen hånd, men kan bli brukt i flere andre brikker i det mobile økosystemet og blir i økende grad brukt til å gjøre mobile SoC-er smartere. For eksempel har Apples A7 SoC en M7-bevegelses-prosessor som angivelig er basert på ARM Cortex-M3 og produsert av NXP, og Motorola X8 SoC i Moto X kombinerer en Snapdragon S4 Pro dual-core CPU med to laveffekt-koprocessorer basert på Texas Instruments DSPs for naturlig språkbehandling og kontekstuell databehandling.

Som nevnt tidligere har en rekke selskaper det som kalles en "arkitektonisk lisens", som gjør dem i stand til å lage sine egne kjerner ved å bruke instruksjonssettet, som de tror lar dem lage sjetonger som skiller seg ut for markedet gjennom bedre ytelse, strømstyring, eller begge deler. Disse inkluderer selskaper som Qualcomm, Marvell, Nvidia og Apple. På den annen side, ved å tilby standardkjerner gjør det mulig for selskaper å lage design raskere og enklere; mange av selskapene som har en arkitektonisk lisens, bruker standard ARM-kjerner i noen produkter. Spesielt har Qualcomm nå noen versjoner av Snapdragon-serien med prosessorer som bruker Krait-kjerner, mens andre bruker standard ARM-kjerner.

Intel og MIPS tilbyr alternativer

Mens ARM fortsetter å dominere markedet for mobilprosessorer, har Intel også gjort et stort trykk, selv om de fleste av suksessene kommer i nettbrett som kjører Windows og noen få Android. Intels nåværende tilbud virker mer rettet mot nettbrett enn telefoner, selv om selskapet har to nye prosessorer som virker bedre egnet for telefoner som kommer ut senere i år (som jeg vil diskutere når jeg kommer inn på prosessorer fra spesifikke selskaper i neste innlegg). På mobilarenaen skyver Intel sin Atom-serie av prosessorer, selv om det er noen Windows-nettbrett som bruker den større Core-familien som også brukes i bærbare datamaskiner og stasjonære maskiner.

Også innen x86-familien har AMD vist noen nettbrett som kjører sin lavere effekt-x86-baserte CPU-er. Igjen skal jeg diskutere detaljer senere når jeg snakker om de spesifikke produsentene. I begge tilfeller kjører prosessorene selvfølgelig den fulle versjonen av Microsoft Windows, selv om begge selskapene nå adresserer Android også. Spesielt Intel har gjort et stort trykk for å få Android til å løpe innfødte på sjetongene sine, mens AMD har mer fokusert på BlueStacks-emulatoren for sine x86-produkter, ettersom de også forbereder seg på å lansere ARM-kompatible chips senere i år.

Et annet alternativ ville være MIPS-prosessorer, en RISC-basert familie av prosessorer som ble anskaffet av Imagination Technologies for litt over et år siden. MIPS har tilbudt en 64-biters arkitektur i noen tid, som en del av sin Aptiv-serie med kjerner. Tidligere i år kunngjorde selskapet sin serie 5 "Warrior" CPU-generasjon, som inkluderer tre klasser av MIPS-prosessorer - M-serien for innebygde markeder, I-klassen designet for høy effektivitet og veldig integrerte enheter; og P-klassen designet for mer ytelse, inkludert applikasjonsprosessorer. Nye funksjoner inkluderer integrert støtte for OpenCL-grafikk og forbedret sikkerhet. Fantasi sier at disse sjetongene bruker opptil 40 prosent mindre areal enn konkurrentene, med bedre multetråder for flerkjernes bruk.

MIPS-prosessorer har vært ganske vellykkede i en rekke markeder, inkludert nettverksprosessorer og andre sanntidsapplikasjoner og set-top-bokser, men til dags dato har vi ikke sett dem i mange tradisjonelle nettbrett eller smarttelefoner. Et kinesisk selskap kalt Ingenic har en prosessorlinje som kjører Xburst-arkitekturen basert på den tidligere MIPS-kjernen, og denne ble brukt i noen Android-nettbrett. For en stund tilbake prøvde jeg en, men selskapet som laget det nå ser ut til å fokusere på ARM-baserte nettbrett. Det er fremdeles mulig at MIPS kan være en konkurrent i fremtiden, spesielt med sin nye serie med kjerner.