Я знаю: Мобільні процесори ARM

Переважна більшість сучасних гаджетів використовують процесори на архітектурі ARM, розробкою якої займається однойменна компанія ARM Limited. Що цікаво, компанія сама не виробляє процесори, а тільки ліцензує свої технології для сторонніх виробників чіпів. Крім цього, компанія також розробляє процесорні ядра Cortex і графічні прискорювачі Mali, яких ми обов'язково розглянемо в цьому матеріалі. Перш ніж приступити до нього, рекомендуємо ознайомитися з нашими попередніми статтями по цій темі: “Я знаю: мобільні процесори. Вступна частина”, “Я знаю: мобільні процесори. Компанія Qualcomm” і “Я знаю: мобільні процесори. Компанія Intel”.

Компанія ARM, фактично, є монополістом у своїй галузі, і переважна більшість сучасних смартфонів і планшетів на різних мобільних операційних системах використовують процесори саме на архітектурі ARM. Виробники чіпів ліцензують у ARM окремі ядра, набори інструкцій та супутні технології, причому вартість ліцензій значно різниться в залежності від типу процесорних ядер (це можуть бути як малопотужні бюджетні рішення, так і ультрасучасні чотирьохядерні і навіть восьмиядерні чіпи) та додаткових компонентів. Річний звіт про прибуток ARM Limited за 2006 рік показав виручку в 161 мільйон доларів за ліцензування близько 2,5 мільярдів процесорів (у 2011 році цей показник склав 7,9 млрд), що означає приблизно 0,067 доларів за один чіп. Втім, за озвученої вище причини, це дуже усереднений показник з-за різниці в цінах на різні ліцензії, і з тих пір прибуток компанії повинна була зрости багаторазово.

ARM розробляє кілька сімейств ядер, які використовуються для різних завдань. Наприклад, процесори, засновані на Cortex-Mx і Cortex-Rx (де “х” - цифра або число, що означає точний номер ядра) використовуються у вбудованих системах і навіть побутових пристроях, наприклад, роутерах або принтерах.

Докладно на них ми зупинятися не будемо, адже нас, в першу чергу, цікавить сімейство Cortex-Ax - чіпи з такими ядрами використовуються в найбільш продуктивних пристроях, в тому числі смартфонах, планшетах та ігрових консолях. ARM постійно працює над новими ядрами з лінійки Cortex-Ax, але на момент написання цієї статті в смартфонах використовуються такі з них:

• Cortex-A5;
• Cortex-A7;
• Cortex-A8;
• Cortex-A9;
• Cortex-A12;
• Cortex-A15;
• Cortex-A53;
• Cortex-A57.

Чим більше цифра, тим вище продуктивність процесора і, відповідно, дорожче клас пристроїв, в яких він використовується. Втім, варто зазначити, що це правило дотримується не завжди: наприклад, чіпи на ядрах Cortex-A7 мають більшу продуктивність, ніж на Cortex-A8. Тим не менш, якщо процесори на Cortex-A5 вже вважаються мало не застарілими і майже не використовуються в сучасних пристроях, то CPU на Cortex-A15 можна знайти у флагманських комунікаторах і планшетах. Не так давно ARM офіційно оголосила про розробку нових, більш потужних і, одночасно, енергоефективних ядер Cortex-A53 і Cortex-A57, які будуть об'єднані на одному чіпі із застосуванням технології ARM big.LITTLE і підтримувати набір команд ARMv8 (“версію архітектури”), але в даний час вони не застосовуються в масових споживчих пристроях. Більшість чіпів з ядрами Cortex можуть бути багатоядерними, і в сучасних топових смартфонах повсюдне поширення одержали чотирьохядерні процесори.

Великі виробники смартфонів і планшетів зазвичай використовують процесори відомих чіпмейкерів начебто Qualcomm або власні рішення, які вже встигли стати досить популярними (наприклад, Samsung та її сімейство чіпсетів Exynos), але серед технічних характеристик гаджетів більшості невеликих компаній часто можна зустріти опис на кшталт “процесор Cortex-A7 з тактовою частотою 1 ГГц” або “двоядерний Cortex-A7 з частотою 1 ГГц”, яке звичайному користувачеві нічого не скаже. Для того, щоб розібратися, в чому полягають відмінності таких ядер між собою, зупинимося на основних.

Ядро Cortex-A5 використовуються в недорогих процесорах для найбільш бюджетних пристроїв. Такі пристрої призначені тільки для виконання обмеженого кола завдань і запуску простих додатків, але абсолютно не розраховані на ресурсомісткі програми і, тим більше, ігри. В якості прикладу гаджета з процесором Cortex-A5 можна назвати Highscreen Blast, який отримав чіп Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225, що містить два ядра Cortex-A5 з тактовою частотою 1,2 ГГц.

Процесори на Cortex-A7 є більш потужними, ніж чіпи Cortex-A5, а крім того, більше поширені. Такі чіпи виконуються по 28-нанометровому техпроцесу і мають великий кеш другого рівня до 4 мегабайт. Ядра Cortex-A7 зустрічаються, переважно, у бюджетних смартфонах і недорогих пристроях середнього сегменту на зразок iconBIT Mercury Quad, а також, як виняток, в Samsung Galaxy S IV GT-i9500 з процесором Exynos 5 Octa - цей чіпсет при виконанні невимогливих завдань використовує енергозберігаючий чотирьохядерний процесор Cortex-A7.

Ядро Cortex-A8 не так поширене, як його “сусіди”, Cortex-A7 і Cortex-A9, але все ж використовується в різних гаджетах початкового рівня. Робоча тактова частота чіпів на Cortex-A8 може становити від 600 МГц до 1 ГГц, але іноді виробники розганяють процесори і до більш високих частот. Особливістю ядра Cortex-A8 є відсутність підтримки багатоядерних конфігурацій (тобто, процесори на цих ядрах можуть бути тільки одноядерними), а виконуються вони по 65-нанометровому техпроцесу, який вже вважається застарілим.

Ще пару років тому ядра Cortex-A9 вважалися топовим рішенням і використовувалися як в традиційних одноядерних, так і більш потужних двоядерних чіпах, наприклад Nvidia Tegra 2 і Texas Instruments OMAP4. В даний час процесори на Cortex-A9, виконані по 40-нанометровому техпроцесу не втрачають популярність і використовуються в багатьох смартфонах середнього сегмента. Робоча частота таких процесорів може становити від 1 до 2 і більше гігагерц, але зазвичай вона обмежується 1,2-1,5 ГГц.

В червні 2013 року компанія ARM офіційно представила ядро Cortex-A12, яке виконується за новим 28-нанометровим техпроцесом і покликане замінити ядра Cortex-A9 на смартфонах середнього сегмента. Розробник обіцяє збільшення продуктивності на 40% порівняно з Cortex-A9, а крім того, ядра Cortex-A12 зможуть брати участь в архітектурі ARM big.LITTLE в якості продуктивних разом з енергозберігаючими Cortex-A7, що дозволить виробникам створювати недорогі восьмиядерні чіпи. Правда,на момент написання статті все це тільки в планах, і масове виробництво чіпів на Cortex-A12 ще не налагоджено, хоча компанія RockChip вже оголосила про свій намір випустити чотирьохядерний процесор Cortex-A12 з частотою 1,8 ГГц.

На 2013 рік ядро Cortex-A15 і його похідні є топовим рішенням і використовується в чіпах флагманських комунікаторах різних виробників. Серед нових процесорів, виконаних за нормами 28-нм техпроцесу і заснованих на Cortex-A15 - Samsung Exynos 5 Octa і Nvidia Tegra 4, а також це ядро нерідко виступає платформою для модифікацій інших виробників. Наприклад, останній процесор компанії Apple A6X використовує ядра Swift, які є модифікацією Cortex-A15. Чіпи на Cortex-A15 здатні працювати на частоті 1,5-2,5 ГГц, а підтримка безлічі стандартів сторонніх компаній і можливість адресувати до 1 ТБ фізичної пам'яті робить можливим застосування таких процесорів в комп'ютерах (як тут не згадати міні-комп'ютер, розміром з кредитну картку Raspberry Pi).

У першій половині 2013 року ARM представила нову лінійку чіпів, яка отримала назву Cortex-A50 series. Ядра цієї лінійки будуть виконані за новою версією архітектури, ARMv8, і підтримувати нові набори команд, а також стануть 64-бітними. Перехід на нову розрядність вимагатиме оптимізації мобільних операційних систем і додатків, але, зрозуміло, збережеться підтримка десятків тисяч 32-бітних додатків. Першою на 64-бітну архітектуру перейшла компанія Apple. Останні пристрої компанії, наприклад, iPhone 5S, працюють саме на такому ARM-процесорі Apple A7. Примітно, що він не використовує ядра Cortex - вони замінені на власні ядра виробника під назвою Swift. Одна з очевидних причин необхідності переходу до 64-бітним процесорам - підтримка більше 4 ГБ оперативної пам'яті, а, крім того, можливість оперувати при обчисленні набагато більшими числами. Звичайно, поки це актуально, в першу чергу, для серверів і ПК, але ми не здивуємося, якщо через кілька років на ринку з'являться смартфони і планшети з таким об'ємом ОЗУ. На сьогоднішній день про плани по випуску чіпів на новій архітектурі і смартфонів з їх використанням нічого не відомо, але, ймовірно, саме такі процесори і отримають флагмани в 2014 році, про що вже заявила компанія Samsung.

Відкриває серію ядро Cortex-A53, яке буде прямим спадкоємцем” Cortex-A9. Процесори на Cortex-A53 помітно перевершують чіпи на Cortex-A9 в продуктивності, але, при цьому, зберігається низьке енергоспоживання. Такі процесори можуть бути використані як поодинці, так і в конфігурації ARM big.LITTLE, будучи об'єднаними на одному чіпсеті з процесором Cortex-A57

.

Процесори на Cortex-A57, які будуть виконані за 20-нанометровим техпроцесом, повинні стати самими потужними ARM-процесорами в найближчому майбутньому. Нове ядро значно перевершує свого попередника, Cortex-A15 за різними параметрами продуктивності (порівняння ви можете бачити вище), і, за словами ARM, яка всерйоз націлена на ринок ПК, стане вигідним рішенням для звичайних комп'ютерів (включаючи лептопи), а не тільки мобільних пристроїв.

В якості високотехнологічного вирішення проблеми енергоспоживання сучасних процесорів пропонує технологію ARM big.LITTLE, суть якої полягає в об'єднанні на одному чіпі ядер різних типів, як правило, однакової кількості енергозберігаючих і високопродуктивних.

Існує три схеми роботи ядер різного типу на одному чіпі: big.LITTLE (міграція між кластерами), big.LITTLE IKS (міграція між ядрами) і big.LITTLE MP (гетерогенний мультипроцессинг).

Першим чіпсетом на архітектурі ARM big.LITTLE став процесссор Samsung Exynos 5 Octa. У ньому використовується оригінальна схема big.LITTLE “4+4”, що означає об'єднання в два кластери (звідси і назва схеми) на одному кристалі чотирьох високопродуктивних ядер Cortex-A15 для ресурсномістких додатків і ігор і чотирьох енергозберігаючих ядер Cortex-A7 для повсякденної роботи з більшістю програм, причому в один момент часу можуть працювати ядра тільки одного типу. Перемикання між групами ядер відбувається практично миттєво і непомітно для користувача в повністю автоматичному режимі.

Більш складна реалізація архітектури big.LITTLE - об'єднання декількох реальних ядер (як правило) в одне віртуальне, кероване ядром операційної системи, яка вирішує, які задіяти ядра - енергоефективні або продуктивні. Зрозуміло, віртуальних ядер також кілька - на ілюстрації наведено приклад схеми IKS, де в кожному з чотирьох віртуальних ядер знаходяться по одному ядра Cortex-A7 і Cortex-A15.

Схема big.LITTLE MP є найбільш “просунутої” - в ній кожне ядро є незалежним і може включатися ядром ОС за необхідності. Це означає, що якщо використовуються чотири ядра Cortex-A7 і стільки ж ядер Cortex-A15, чіпсет, побудований на архітектурі ARM big.LITTLE MP, зможуть працювати одночасно всі 8 ядер, навіть незважаючи на те, що вони різних типів. Одним з перших процесорів такого типу став восьмиядерний чіп компанії Mediatek - MT6592, який може працювати на тактовій частоті 2 ГГц, а також записувати і відтворювати відео в дозволі UltraHD.

За наявною на даний момент інформацією, найближчим часом ARM спільно з іншими компаніями планує налагодити випуск big.LITTLE чіпів наступного покоління, які будуть використовувати нові ядра Cortex-A53 і Cortex-A57. Крім того, бюджетні процесори на ARM big.LITTLE збирається випускати китайський виробник MediaTek, які будуть працювати за схемою “2+2”, тобто, використовувати дві групи по два ядра.

Крім процесорів ARM також розробляє і графічні прискорювачі сімейства Mali. Подібно процесорам, графічні прискорювачі характеризуються безліччю параметрів, наприклад, рівнем згладжування, інтерфейсом шини, кешем (надшвидка пам'ять, використовувана для підвищення швидкості роботи) і кількістю “графічних ядер” (хоча, як ми писали в попередній статті, цей показник, незважаючи на схожість з терміном, що використовується при описі CPU, практично не впливає продуктивність при порівнянні двох GPU).

Першим графічним прискорювачем ARM став нині невикористаний Mali 55, який був використаний в сенсорному телефоні LG Renoir (так-так, самому звичайному мобільному телефоні). GPU не використовувався в іграх - тільки для роботи інтерфейсу, і мав примітивними за нинішніми мірками характеристиками, але саме він став родоначальником” серії Mali.

З тих пір прогрес зробив крок далеко вперед, і зараз чимале значення мають підтримувані API та ігрові стандарти. Приміром, підтримка OpenGL ES 3.0 зараз заявлена тільки в самих потужних процесорах начебто Qualcomm Snapdragon 600 і 800, а, якщо говорити про продукцію ARM, то стандарт підтримують такі прискорювачі, як Mali-T604 (саме він став першим графічним процесором ARM, виконаним на новій мікроархітектурі Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 і деякі інші близькі до них за характеристиками чіпи. Той чи інший GPU, як правило, тісно пов'язаний з ядром, але, тим не менш, зазначається окремо, а, значить, якщо вам важлива якість графіки в іграх, то має сенс подивитися на назву прискорювача в специфікаціях смартфона або планшета.

Є у ARM в лінійці і графічні прискорювачі для смартфонів середнього сегмента, найбільш поширеними серед яких є Mali-400 MP і Mali-450 MP, які відрізняються від своїх старших братів порівняно невеликою продуктивністю і обмеженим набором підтримуваних API і стандартів. Незважаючи на це, зазначені GPU продовжують використовуватися в нових смартфонах, приміром, Zopo ZP998, який отримав графічний прискорювач Mali-450 MP4 (покращену модифікацію Mali-450 MP) додатково до восьмиядерному процесору MTK6592.

.

Імовірно, в кінці 2014 року повинні з'явитися смартфони з новітніми графічними прискорювачами ARM: Mali-T720, Mali-T760 і Mali-T760 MP, які були представлені в жовтні 2013 року. Mali-T720 повинен стати новим GPU для недорогих смартфонів і першим графічним процесором цього сегмента з підтримкою opengl ES 3.0. Mali-T760, в свою чергу, стане одним з найбільш потужних мобільних графічних прискорювачів: за заявленим характеристикам, GPU має 16 обчислювальних ядер і володіє воістину величезною обчислювальною потужністю, 326 Гфлопс, але, в той же час, у чотири рази меншим енергоспоживанням, ніж згаданий вище Mali-T604.

Незважаючи на те, що компанія ARM є автором і розробником однойменної архітектури, що, повторимося, зараз використовується в переважній більшості мобільних процесорів, її рішення у вигляді ядер і графічних прискорювачів не користуються популярністю у великих виробників смартфонів. Наприклад, справедливо вважається, що флагманські комунікатори на Android OS повинні мати процесор Snapdragon з ядрами Krait і графічний прискорювач Adreno від Qualcomm, чіпсети цієї ж компанії використовуються у смартфонах на Windows Phone, а деякі виробники гаджетів, наприклад, Apple, розробляють власні ядра. Чому ж в даний час склалася саме така ситуація?

Можливо, частина причин може лежати глибше, але одна з них - відсутність чіткого позиціонування CPU і GPU від ARM серед продуктів інших компаній, внаслідок чого розробки компанії сприймаються як базові компоненти для використання в пристроях B-брендів, недорогих смартфонах і створення на їх основі більш зрілих рішень. Наприклад, компанія Qualcomm майже на кожній своїй презентації повторює, що однією з її головних цілей при створенні нових процесорів є зменшення енергоспоживання, а її ядра Krait, будучи доопрацьованими ядрами Cortex, стабільно показують високі результати по продуктивності. Аналогічне твердження справедливе і для чіпсетів Nvidia, які орієнтовані на ігри, ну а що стосується процесорів Exynos від Samsung і A-серії від Apple, то вони мають свій ринок за рахунок установки на смартфони цих же компаній.

Вищесказане зовсім не означає, що розробки ARM значно гірше процесорів і ядер сторонніх компаній, але конкуренція на ринку в кінцевому підсумку йде покупцям смартфонів тільки на користь. Можна сказати, що ARM пропонує якісь заготовки, купуючи ліцензію на які виробники можуть самостійно їх доопрацювати.

Мікропроцесори на архітектурі ARM успішно завоювали ринок мобільних пристроїв завдяки низькому енергоспоживанню і порівняно великої обчислювальної потужності. Раніше з ARM конкурували інші RISC-архітектури, наприклад, MIPS, але зараз у неї залишився тільки один серйозний конкурент - компанія Intel з архітектурою x86, яка, до речі, хоча і активно бореться за свою частку ринку, поки не сприймається ні споживачами, ні більшістю виробників серйозно, особливо при фактичній відсутності флагманів на ній (Lenovo K900 зараз вже не може конкурувати з останніми топовими смартфонами на ARM-процесорах).

А як ви думаєте, чи зможе хто-небудь потіснити ARM, і як далі складеться доля цієї компанії і її архітектури?

Автор тексту: Володимир Терехов