Мобільні процесори: все про архитектурах

Що спільного у мікрохвильовки і суперкомп'ютера, у калькулятора і марсохода? Мікропроцесор. Ця маленька, але архіважливе деталь - невід'ємна частина будь-якого електронного пристрою, яку б функцію воно ні виконувало, адже саме мікропроцесор відповідає за «мислення» приладу. Звичайно, процесор не думає в повному сенсі цього слова, проте він здатний робити те, що не може людина - дуже-дуже швидко рахувати. І якщо дати процесора необхідну інформацію і «пояснити», що з нею робити, тобто запрограмувати його, - ми отримаємо дуже корисного залізного друга. Можна без перебільшення сказати, що мікропроцесори змінили наш світ.

Сучасні мікропроцесори сильно відрізняються від тих, що розроблялися в 1950-60-х роках. Наприклад, спочатку процесор розроблявся для невеликої кількості унікальних комп'ютерів, а часом і зовсім єдиного комп'ютера. Це був досить дорогий процес, чому не дивно, що від нього відмовилися. Сьогодні переважна більшість процесорів є серійні універсальні моделі, які підходять для великого числа комп'ютерів.

Інша відмінність багатьох сучасних ЦП в тому, що вони являють собою мікроконтролери - більш універсальні схеми, в яких процесор з'єднаний з додатковими елементами. Це може бути пам'ять, різні порти, таймери, контролери зовнішніх пристроїв, модулі управління інтерфейсами і т.д.

SoC-процесори

Більшість сучасних процесорів так чи інакше засновані на принципах, закладених ще в 1940-х роках американо-угорським вченим Джоном фон Нейманом, хоча, звичайно, вони пройшли дуже довгий шлях розвитку за мірками технологій. Одна з головних на сьогоднішній день процесорних архітектур називається SoC, або система на чіпі (англ. System on a chip). Це теж мікроконтролерна архітектура, але ще більш щільна. Тут цілий ряд компонентів поміщаються на одному напівпровідниковому кристалі. Це як б не процесор, а цілий комп'ютер. Такий підхід дозволяє спростити і здешевити збірку і процесорів, і цілих пристроїв.

Саме SoC-процесори використовуються в переважній більшості сучасних смартфонів і планшетів. Наприклад, SoC-процесорами є чіпи британської фірми ARM, на якій працює більшість Android-пристроїв , А також смартфони iPhone і планшети iPad. ARM-процесори використовуються і в чіпсетах MediaTek , Де їх число доходить до десяти.

RISC-процесори

Технологія RISC означає та прогнозоване введення команд (англ. Reduced instruction set computer), її вперше запропонували в компанії IBM. В основу RISC покладена ідея максимального підвищення швидкодії за допомогою спрощення інструкцій і обмеження їх довжини. Завдяки цьому підходу стало можливим не тільки підвищити тактову частоту, але і скоротити так званий процесорний конвеєр - черга з команд на виконання, а також знизити тепловиділення і споживання енергії.

Перші RISC-процесори були настільки простими, що не мали навіть операцій ділення та множення, однак вони швидко прижилися в мобільних технологіях. На архітектурі RISC засновано більшість сучасних процесорів. Це, по-перше, вже згадувані процесори ARM, а також PowerPC, SPARC та багато інших. Найпопулярніші процесори Intel вже багато років засновані на RISC-ядрі, починаючи з 1990-х років. Можна сказати, що технологія RISC сьогодні є домінуючою, хоча у неї існує безліч варіантів реалізації.

CISC-процесори

Це більш традиційний вид мікропроцесорів, які відрізняються від попередніх повним набором команд, звідси і назва: комп'ютер з повним набором команд (англ. Complex instruction set computer). Такі процесори не мають фіксованої довжини команди, а самих команд більше. CISC-процесорами були всі процесори архітектури x86, яка домінує в комп'ютерній індустрії вже не одне десятиліття, до появи Intel Pentium Pro, який вперше відійшов від CISC-концепції і сьогодні являє собою гібрид - CISC-чіпсет на базі RISC-ядра.

Класична CISC-архітектура використовується все рідше через знижену тактової частоти і високої вартості збірки. Однак вона як і раніше затребувана в серверах і робочих станціях, тобто системах, вартість яких менш критична в порівнянні з чисто споживчими пристроями.

ARM і x86

Як уже згадувалося, процесори фірми ARM використовуються в більшості мобільних пристроїв, тоді як архітектура x86 давно панує в настільних комп'ютерах і ноутбуках. Чому такий поділ? Колись ARM-процесори вважалися суто «телефонними» - це були дуже малопотужні чіпи з невисокими можливостями, ідеально «заточені» під мобільну техніку. Вони не грілися, не вимагали багато енергії і вміли робити те невелике, що потрібно робити на телефоні або смартфоні.

З іншого боку, сімейство x86, розроблене Intel, починаючи з легендарного процесора Intel 8086 (звідки і пішла назва) зразка 1978 року, завжди було долею комп'ютерів потужних, «справжніх». Куди вже до них ARM, так казав. Але часи змінюються, і сьогодні архітектури ARM і x86 люто конкурують один з одним у всій комп'ютерної індустрії, яка все більше залежить від мобільних технологій.

Сама компанія ARM, на відміну від Intel, не виробляє процесори, але ліцензує їх стороннім виробникам, серед яких практично всі гранди: Apple, Samsung, IBM, NVIDIA, Nintendo, Qualcomm і навіть, ось так іронія, Intel (і її вічний конкурент AMD ). Такий підхід призвів до того, що ARM-процесори буквально завалили ринок - сьогодні їх випускається не один мільярд щороку.

Оскільки сьогодні все більше людей вважають за краще планшети традиційним комп'ютерам, продажі яких пішли на спад, склалася ситуація, дуже неприємна для Intel і AMD і немислима ще років десять тому. Intel несподівано виявилася в ролі наздоганяючої і почала активно розвивати власні низьковольтні рішення, і не сказати, що зовсім безуспішно - сучасні моделі Intel Atom і Core M володіють цілком конкурентоспроможними характеристиками по ряду параметрів.

У новій для себе ситуації виявилося і співтовариство розробників, яким довелося швидко адаптуватися під вимоги ринку. Спочатку інтернет-революція привела до того, що користувачі стали набагато рідше працювати в традиційних програмах на традиційному комп'ютері і частіше - в веб-браузері. Потім ще одна, мобільна революція породила нову реальність: масовий користувач взагалі відклав комп'ютери і перейшов на мобільні пристрої, де працюють в основному в мобільних додатках. А мобільні додатки - це знову-таки ARM, з якої Intel поки не може впоратися.

big.LITTLE

Однією з перспективних технологій ARM є big.LITTLE - технологія оптимізації споживання енергії за рахунок об'єднання більш високопродуктивних ядер з менш продуктивними, але більш енергоефективними. Наприклад, це може бути Cortex-A15 і Cortex-A7. Це як би дві передачі на автомобілі: коли потрібно виконати більш складну і ресурсномістких завдання, включається більш потужний чіп, а для фонових завдань більше підходить більш економічний. В результаті такого підходу останнє покоління платформи big.LITTLE дозволяє знизити споживання енергії чіпом на 75% і одночасно підняти продуктивність на 40%.

У big.LITTLE є свої різновиди. Наприклад, в 2013 році компанія MediaTek представила платформу CorePilot на базі big.LITTLE, в якій вперше був реалізований принцип різнорідної (гетерогенної) множинної обробки даних (HMP). Спеціальне ПО автоматично розподіляє робочі потоки між різними ядрами виходячи з їх вимог. Здійснюється інтерактивне управління споживанням енергії і температурними режимами, а спеціальний алгоритм планувальника в поєднанні з трехкластерной архітектурою дозволяє ще більше знизити споживання енергії чіпом.

Таку платформу інакше називають Device Fusion, і розробники обіцяють значний, в рази, зростання продуктивності при відсутності додаткового нагріву пристрою. Полегшено і життя програмістів, яких звільнили від необхідності вирішувати, для яких завдань які ядра використовувати. Призначення ядер відбувається в повністю автоматичному режимі. Технологія, фактично, стежить за тим, щоб кожне ядро ​​використовувалося ефективно і не простоювало. Кожне завдання виконується на оптимальному ядрі (або ядрах) або центрального, або графічного процесора незалежно від архітектури.

Чому кластерні архітектури ефективніше?

Але тайванська компанія MediaTek - це не тільки CorePilot. Виробник викликав справжній фурор зі своєю трехкластерной технологією Tri-Cluster. Щоб зрозуміти, що це таке і як працює, згадаємо, як працює процесор смартфона або планшета в найзагальнішому випадку.

Сучасний мобільний процесор, а також чіпсет (навколишній набір мікросхем), складається з декількох ядер, число яких сьогодні зростає, як на дріжджах. Це дозволяє розподілити завдання між ядрами і таким чином виконувати кілька справ одночасно. Телефон намагається перерозподіляти навантаження на ядра динамічно, вирішуючи, які ядра і коли використовувати.

Але як відбувається цей розподіл? Іноді - за рішенням розробника ПЗ, іноді-повністю автоматично, і тут все залежить від алгоритмів, які можуть бути більш або менш ефективні. В технології big.LITTLE цю задачу виконує спеціальний модуль - планувальник. Наприклад, він може перенести виконання якогось процесу з одне ядра на інше, якщо першому не вистачає продуктивності.

Технологія big.LITTLE зробила великий крок у бік ефективності за рахунок двох процесорних кластерів - груп ядер (англ. Cluster - скупчення). Якщо потрібно пограти в тривимірну гру, включаємо потужний кластер; якщо потрібно, скажімо, почитати книгу або взагалі прибрати телефон в кишеню, включається слабкий кластер, спрямований на максимальну економію енергії. Ось чому кластерна архітектура настільки перспективна. У традиційних однопроцесорних архітектур, а також багатопроцесорних однокластерних, немає такого простору для маневру і такої гнучкості при розподілі навантажень.

Три кластера проти двох

Але і тут виникла проблема: завдання середньої складності, найбільш поширені на телефонах, часто направляються на кластер з потужними ядрами. Наприклад, ми працюємо з електронною поштою. Завдання не дуже велика ресурсномістка, але двохкластерна платформа може включити для неї потужний кластер. У неї просто немає вибору - кластера всього два, а ніякої «золотої середини» немає. Результат - прискорений витрата енергії і нагрів пристрої при відсутності очевидних переваг для користувача від швидкого кластера.

Саме це завдання вирішує архітектура Tri-Cluster в поєднанні з CorePilot 3.0. Вона працює не з двома, а з трьома кластерами, які в ній отримали назви мінімум (Min), медіум (Med) і максимум (Max). Для більшості повсякденних завдань використовується середній кластер - та сама золота середина. Максимальний кластер включається відносно рідко і тільки тоді, коли це дійсно потрібно: ігри, обробка графіки і т.д. Ну а надекономічний кластер Min управляє фоновими додатками, зводячи енергоспоживання до мінімуму.

Такий підхід найбільш збалансований з точки зору продуктивності і економії. Мобільний пристрій як би отримує третю передачу. У MediaTek навіть говорять, що запозичили цю ідею у автомобільній індустрії. У компанії відзначають, що він дозволяє скоротити енергоспоживання на третину і одночасно підняти продуктивність на 12-15% в залежності від ресурсоємності завдання.

Helio X20

Типовий зразок технологій Tri-Cluster і CorePilot - новітній 20-нанометровий десятіядерний чіп MediaTek Helio X20 на базі ARM Cortex. Кластер Max в ньому представлений групою з двох ядер Cortex-A72 з тактовою частотою 2,5 ГГц, в Med працюють чотири ядра Cortex-A53 з частотою 2 ГГц, ну а Mini виконаний у вигляді знову-таки чотирьох ядер Cortex-A53 на 1, 4 ГГц. Helio X20 став першим в світі мобільним процесором з технологією Tri-Cluster і десятьма ядрами (Deca-core).

У MediaTek провели дослідження, яке доводить, що даний чіп здатний пропрацювати на 30% довше часу, ніж аналоги з порівнянними характеристиками. Виконувалися тести навіть для конкретних сценаріїв. Наприклад, при роботі в Facebook вдається знизити витрату енергії на 17-40%, голосове спілкування в Skype дозволяє заощадити 41%, робота Gmail - 41%, гра Temple Run - 17%. Сама вражаюча економія досягається в ситуації, коли телефон просто показує домашній екран - 48%. У цій ситуації працює саме кластер Min, і енергоспоживання становить всього 0,026 Вт.

Якщо вірити тайваньському ресурсу DigiTimes, виробники мобільної техніки буквально шикуються в чергу за новітніми чіпом Helio X20. Влітку цього року ресурс писав, що чіп планують використовувати LG , HTC, Sony, Lenovo, Huawei, Xiaomi і ZTE. Новий чіп виявився на 40% швидше і на стільки ж економічніше попередньої моделі сімейства, X10. Перші пристрої з таким процесором з'являться на ринку на початку 2016 року, тому поки доведеться запастися терпінням.

Можливості трехкластерних SoC-процесорів MediaTek

Процесори MediaTek відносяться до класу SoC, тобто таких, в яких на одній кремнієвій пластинці зібраний цілий міні-завод. Тут і пам'ять, і графіка, і камера з відеокодеками, і контролери дисплея, модему і інших інтерфейсів. Деякі особливості чіпсета виглядають наступним чином:

• Універсальний модем WorldMode LTE Cat-6 від MediaTek підтримує LTE і одночасно допускає агрегацію частот, що дозволяє використовувати його практично в будь-якій мережі.
• Новітній відеочіп ARM Mali забезпечує найвищу продуктивність графіки в двовимірному і тривимірному режимах.
• Додатковий вбудований процесор Cortex-M4 працює у фоновому режимі з вкрай низьким енергоспоживанням, забезпечуючи роботу фонових додатків.
• Контролер двох камер з вбудованим 3D-движком не тільки швидко працює, але і ефективно генерує складні об'ємні зображення, а вбудована технологія шумозаглушення доводить картинку до практично ідеальною.
• Дисплей може працювати з частотою оновлення 120 Гц замість стандартних 60 Гц, що дає дивовижно чітке зображення і чуйний інтерфейс.

Процесор комплектується новітнім відеочіпом ARM Mali-T800, який, крім іншого, забезпечує роботу дисплеїв високої чіткості аж до WQXGA на частоті до 120 Гц. Іншими словами, пристрій можна комплектувати дисплеєм дозволом аж до 2560 × 1600 пікселів.

Дуже вражає реалізація камери: швидкість декодування отриманого зображення може доходити до 30 кадрів в секунду при дозволі 25 мегапікселів (або 24 к / с при 32 Мп), при цьому вбудований чіп відразу ж, на льоту, здійснює одночасно шумозаглушення, підвищення чіткості і 3D- конверсію. При відтворенні відео підтримується 10-бітна глибина кольору і кодеки VP9 HW і HEVC.

Вбудований модем Helio X20 підтримує великий арсенал мобільних мереж, такі як LTE FDD / TDD R11 Cat-6 (до 300 Мбіт / с), CDMA2000 1x / EVDO Rev.A. Тут же є Wi-Fi 802.11ac, Bluetooth, GPS, російська система навігації ГЛОНАСС і навіть китайська BeiDou.

Незалежні тести Helio X20, зокрема GeekBench 3, показують явну перевагу в порівнянні з попередньою і теж дуже популярною моделлю X10. У тесті AnTuTu результат X20 на 40% вище, ніж у X10, що в цілому підтверджує внутрішні тести MediaTek. Helio X20 також явно перевершує чіп Exynos 7420.

Helio X20 - процесор дуже новий, поставки почалися зовсім недавно, але вже відомі деякі подробиці про пристрої, які його отримають. Так, Acer буде встановлювати його на свій флагманський Планшетофони Predator 6. Цілих 4 гігабайти оперативної пам'яті, дисплей Full HD, 4 динаміка, акумулятор на 4000 мА * год, незвичайний агресивний дизайн - не смартфон, а звір! Інша очікувана новинка з цим чіпом - новий флагман HTC One A9, в якому невдалий тайванський виробник постарається виправити провал моделі One M9. 2016 обіцяє бути дуже цікавим.

MediaTek навколо нас

Ми починали з того, що мікропроцесори сьогодні оточують нас всюди, як повітря, і продукція MediaTek в повній мірі підтверджує цю тезу. Взагалі, діапазон інтересів тайванців вражає: Інтернет речей , Натільний електроніка, медичні пристрої, навігація, автономні автомобілі і всюдиходи, розумний будинок , Розумне місто, дистанційне керування приладами, 3D-друк і навіть домашнє виноробство. Ось лише частина сфер, в яких MediaTek спільно з партнерами випускає спеціалізовані чіпсети.

Деякі з них дуже оригінальні. Наприклад, ентузіастам всіх мастей сподобається мініатюрна копія марсохода Curiosity, напхана дуже серйозними технологіями: камерою з власним Wi-Fi-роутером і сервером для відправки зображення, шістьма колесами (всі - провідні), маніпулятором з трьома ступенями свободи. Таким всюдиходом можна управляти по Bluetooth, він може рухатися зі швидкістю до 3 км / год, розвертатися в будь-якому місці і вести відеозйомку з безперервною трансляцією сигналу.

Інший приклад использование процесорів MediaTek - компактний домашній 3D-принтер зі швідкістю друку 150 мм в секунду при точності 0,01 мм. Такий принтер підтримує більше 10 різних матеріалів, може друкувати об'єкти діаметром 180 мм і висотою 200 мм і працювати без зупинки до 36 годин. Тут використовується мікросхема MediaTek LinkIt ONE. Такий принтер дуже доступний, легкий і поміщається на стіл.

Ще більше вражає уяву Smart Brewer - ціла домашня система для виноробства. Якщо при цих словах ви уявили собі систему з чанів, насилу поміщається на кухні, то даремно: мова йде про компактному склянці з насадкою і трубкою, яка завдяки тій же мікросхемі LinkIt ONE повністю керує всім процесом бродіння, при цьому контролювати процес можна зі смартфона через Bluetooth. Це справжня винна бочка XXI століття!

Багато винаходи, можливі завдяки напівпровідниковим рішенням MediaTek, ще чекають своїх інноваторів і розробників. До речі, MediaTek дуже любить розробників і намагається співпрацювати з ними якомога щільніше. Для цієї мети був створений сайт MediaTek Labs (labs.mediatek.com) - онлайн-майданчик, на якій початківці (і не тільки) розробники можуть отримати все необхідне для створення гаджетів в категоріях натільного техніки і Інтернету речей . Цікаві проекти будуть заохочуватися і розвиватися разом з компанією. Менш ніж за рік існування в Labs зареєструвалося більше 6000 учасників, з яких російськомовних більше 16%. І це тільки початок!

Антон Чівчалов