Я знаю: мобільні процесори. Вступна частина

Матеріал опубліковано в рамках проекту "Я знаю"

Процесор (CPU) - серце абсолютного будь-якого комп'ютера, в тому числі і смартфона, що відповідає за всі обчислення, вироблені пристроєм і, одночасно, найбільш технічно складна частина комунікатора. Процесорів з різними характеристиками існує безліч, і найчастіше, користувачеві буває дуже важко розібратися в цьому різноманітті. Але тим, кому це дійсно цікаво, допоможуть освоїтися наші статті про мобільних процесорах.

Для початку важливо відзначити, що процесори як такі, мобільних гаджетах не використовуються. Справа в тому, що об'єднуючись разом з іншими компонентами вони утворюють SoC - System on Crystal або систему-на-кристалі. Це означає, що на одній мікросхемі знаходиться повноцінний комп'ютер, серед компонентів якого - процесор, графічний прискорювач і інші, більш специфічні частини. Як ми і обіцяли, зараз мова піде про процесорах, але в кінці ми скажемо декілька слів і про GPU.

Архітектура процесора

Список специфікацій будь-якого процесора починається з основоположного поняття архітектури процесора. Не будемо вдаватися в детальні пояснення цього поняття, але, в загальному сенсі, архітектура - це сукупність властивостей процесора по внутрішньому устрою і можливості виконувати певні набори команд. Якщо ми говоримо про чіпах для смартфонів, то на ринку беззастережно домінує архітектура ARM, яка розробляється однойменною компанією ARM Limited. Всі інші компанії (лідерство тримають Qualcomm, Nvidia, Samsung, MediaTek, Apple та інші) які займаються виробництвом процесорів, ліцензують технологію у ARM і потім продають готові чіпи виробникам смартфонів (або використовують їх у власних пристроях). Також, деякою кількістю пристроїв представлена архітектура x86 компанії Intel, але до недавнього часу вона була розрахована тільки на бюджетні комунікатори. З анонсом Lenovo IdeaPhone K900, вийти в hi-end сектор спробувала Intel, але конкурувати з компанією ARM буде дуже важко. Залишається головне питання: в чому відмінність між різними архітектурами для кінцевого користувача? Відповідь звучить так: практично ні в чому. Android OS добре працює як на ARM процесорах, так і на x86, а несумісність власник x86-пристрою зможе зустріти хіба що в якихось специфічних додатках або, можливо, в сучасних іграх. Всі інші сучасні мобільні операційні системи, у тому числі iOS і Windows Phone працюють на архітектурі ARM.

Нерозривно пов'язана з архітектурою версія архітектури - їх іноді, з повним на те правом, розглядають як єдине ціле. Причиною появи різних версій архітектур служить ніщо інше, як технічний прогрес: на зміну застарілої версії приходить нова, яка може забезпечити кращу продуктивність, мале енергоспоживання і інші переваги. Найчастіше відмінностей між версіями архітектури не менше, ніж між різними архітектурами. Наприклад, власники пристроїв з процесорами ARMv6 зіткнулися з тим, що на їх смартфонах не працювали ігри, які писалися з розрахунком на нову версію ARMv7 (на даний момент вона і є актуальною).

Наступною характеристикою (йдемо від більшого до меншого) мобільного процесора є ядро. Саме використовується в тому чи іншому чіпі ядро і визначає продуктивність, енергоспоживання і тактову частоту процесора. Компанія ARM розробляє ядра серії Cortex, але стороннім виробникам процесорів нічого не заважає використовувати власні. Так, наприклад, надходять компанії Qualcomm (ядра Krait) і Apple (ядра Swift).

Раз вже ми заговорили про ядрах, тут же варто згадати і про кількість ядер в процесорі. В одному процесорі, які можна знайти в сучасних комунікаторах, можуть бути об'єднані 2 або 4 однакових ядра. Це робиться для збільшення швидкості роботи девайса за рахунок розпаралелювання виконуваних процесів. Тобто, завдання, що вимагають високої продуктивності, можна виконувати не в одному процесі, а в декількох. Така можливість повинна бути передбачена розробником і використовується в деяких додатках, як, наприклад, тривимірні ігри або програми для обробки відео. Якщо ж програма сама по собі не підтримує багатопоточність і не вимагає великих ресурсів, то невикористані ядра просто відключаються для економії заряду батареї. Іноді з цією ж метою використовується п'яте ядро-компаньйон для найвибагливіших завдань, на зразок роботи пристрою в режимі сну або при перевірці пошти.

Останньою характеристикою процесора, яка може виявитися корисною користувачам, є тактова частота. Ця величина показує, скільки тактів здатний відпрацювати процесор за одиницю часу (одну секунду). Наприклад, якщо у специфікаціях до пристрою вказана частота 1,7 ГГц, це означає, що за 1 секунду його процесор здійснить 1 700 000 000 (1 мільярд 700 мільйонів) тактів. Кількість тактів, що витрачається на виконання чіпом однієї операції може різнитися в залежності від його типу та самої операції, але, узагальнено, більш висока тактова частота означає більш високу швидкість роботи. Особливо це стає помітно, якщо порівнювати однакові ядра, що працюють на різній частоті. Це значення іноді обмежується виробником, з метою зменшення енергоспоживання (зрозуміло, чим вище швидкість процесора, тим більший струм він споживає) або навіть маркетингу (зараз компанія випускає комунікатор з обмеженням частоти процесора, а через кілька місяців - його удосконалену версію без таких). На щастя, ці обмеження може зняти будь-який власник пристрою, маючи на ньому права суперкористувача (іноді також може знадобитися установка сторонньої прошивки ядра). Важливе зауваження: ядро як обчислювальний елемент і ядро як частина прошивки пристрою англійською мовою мають різні назви (core і kernel відповідно), але російською позначаються однаково.

Звичайно, на цьому повний список характеристик будь-якого процесора не закінчується, але залишилися дуже специфічні для того, щоб їх було необхідно знати кожному користувачеві.

Як і обіцяли на самому початку, ми не обійдемо стороною ще один важливий компонент SoC - графічний процесор (GPU) або графічний прискорювач. Неважко здогадатися, що цей компонент відповідає за графічну продуктивність пристрою і використовується, в першу чергу, в іграх. Відповідно, чим краще GPU, тим більш якісні можна отримати тривимірну графіку і текстури, а також швидкодія (або fps). Також, графічний прискорювач можна використовувати і для роботи інтерфейсу операційної системи, але, у випадку з Android OS виробники комунікаторів такої можливості не дають, хоча найчастіше умільцям вдається її включити в неофіційних прошивках. Для виділення власного GPU серед інших деякі виробники можуть заявити про високих характеристиках їх прискорювачів, наприклад про кількість так званих “графічних ядер” (у Nvidia Tegra 4 їх аж 72), але зазвичай це всього лише маркетинг. Головне значення для користувача має лише сам використовується графічний процесор.

Компанія ARM розробляє GPU серії Mali, але стороннім виробникам чіпів ніщо не заважає використовувати власні графічні прискорювачі. Так надходить, перш за все, компанія Nvidia, яка робить ставку саме на GPU при позиціонуванні чіпів Tegra. В якості іншого прикладу можна привести найбільшого виробника SoC, компанію Qualcomm, в процесорах якої використовуються графічні прискорювачі серії Adreno.

В даний час все описане різноманіття процесорів можна знайти, перш за все, в комунікатори під управлінням Android OS. Ця операційна система є відкритою, тобто, будь-який виробник може використовувати її в будь-яких пристроях. Тому і застосовуватися в Android-пристроях можуть як сверхбюджетные одноядерні процесори маловідомих компаній з робочою частотою 1 ГГц, так і ультрамощные чотирьохядерні чіпи (причому, ARM стверджує, що це ще не межа) з частотою вище 2 ГГц (такими будуть процесори Qualcomm Snapdragon 600). Схоже, що подібна ситуація буде складатися в подальшому і з новими ОС начебто Canonical Ubuntu або Mozilla Firefox OS, чий вихідний код також доступний всім бажаючим.

Подібно Android, схожим чином йдуть справи і у Microsoft Windows Phone, але з деякими суттєвими відмінностями. Справа в тому, що Microsoft навмисно встановлює рамки для пристроїв на своїй операційці, незважаючи на те, що виробники все одно мають досить широкий вибір. Можливо, це навіть на краще: з одного боку, компанії не можуть випустити WP-смартфон з занадто низькими характеристиками, на якому пригальмовувати буде навіть стандартний інтерфейс, а з іншого боку - кінцеві споживачі не будуть переплачувати за “зайві” гігагерци і ядра, які будуть простоювати без діла. Взагалі, причина того, що Android-смартфонів необхідні швидкі чотирьохядерні процесори, в той час як інші операційки працюють добре і на відносно “середніх” двоядерних криється набагато глибше, ніж в продуктивності “заліза”, але зачіпати принципи роботи ОС в рамках цього матеріалу ми не будемо. До чого все це? Справа в тому, що зворотною стороною політики Microsoft є маркетинг: більшість користувачів, далеких від світу високих технологій, скоріше куплять смартфон з процесором з великою кількістю ядер і більшою тактовою частотою, що пропонують саме виробники Android-комунікаторів.

Осібно стоять операційні системи Apple iOS і Blackberry OS. Компанії Apple і Blackberry розробляють ці ОС тільки для власних пристроїв і планомірно збільшує їх продуктивність у відповідності з реальними потребами. В результаті, сучасні тривимірні ігри йдуть з максимальною якістю графіки на процесорах, що у випадку з Android OS вважалися рішенням для середнього сегмента. Користувачі зазначених операціонок, в свою чергу, не замислюються про потужності використовуваних чіпів, знаючи, що купуючи останнім пристрій у лінійці не будуть відчувати проблем з продуктивністю.

Більшість сучасних смартфонів на самих різних операційних системах використовують ARM-процесори, виробництвом яких за ліцензіями ARM Limited займаються сторонні компанії. У кого-то це виходить краще, у когось-гірше, але визнаним лідером серед виробників є Qualcomm. Чіпи цієї компанії, яка пропонує як бюджетні, так і топові рішення, використовуються в девайсах на Android OS, Windows Phone, BlackBerry OS, Firefox OS та інших операційних системах.

Тим не менш, скидати з рахунків інші компанії було б нерозумно. Основним конкурентом Qualcomm є Nvidia, розробляє процесори лінійки Tegra, спрямовані на ігрову продуктивність. Такі чіпи дійсно мають певну перевагу перед іншими в сучасних тривимірних іграх, але, разом з тим, володіють і деякими недоліками і, фактично, є менш універсальними.

Не дуже популярна на заході, лідируючі позиції в Китаї займає компанія MediaTek, чиї процесори використовуються як в бюджетних, так і топових китайських смартфонах. По продуктивності вони зазвичай поступаються чіпам компаній, орієнтованих саме на західний ринок, але, разом з тим, коштують набагато дешевше. В окрему групу можна винести такі компанії як Samsung (Exynos), Huawei (HiSilicon) і Apple, які розробляють процесори для власних пристроїв (хоча Samsung, наприклад, продає чіпи і деяким стороннім виробникам). Причому, якщо говорити про Android-пристроях, в синтетичних тестах процесори Samsung іноді виявляються швидше чіпів Qualcomm. Конкуренція в цій сфері дуже висока, і деякі виробники, не витримавши її, йдуть з ринку. Так, наприклад, надійшла компанія Texas Instruments, що випускала чіпи OMAP. Одним з останніх відомих гаджетів, які використовують такий процесор, можна вважати Google Glass.

Звичайно, виробництвом процесорів ARM займаються й інші компанії, наприклад STMicroelectronics, але серед процесорів в комунікаторах і планшетах зазвичай можна зустріти продукцію саме зазначених постачальників.

Незважаючи на те, що ARM є багатопрофільною архітектурою, свою популярність вона здобула саме в мобільних пристроях, де потрібна низьке енергоспоживання, в тому числі в комунікаторах і планшетах. Але якщо компанія ARM Limited, що займається розробками в цій області, фактично, є монополістом, то між виробниками, що створюють процесори за ліцензіями ARM, ведеться безперервна боротьба. Втім, це не заважає деяким компаніям її успішно ігнорувати і просто випускати якісні чіпи для своїх пристроїв. Якщо ви вирішили при виборі гаджета дивитися на використовуваний процесор, то пам'ятайте, що це має сенс робити не з усіма операційними системами. До того ж, крім чіпів, є безліч інших характеристик, визначальних для кожного сегмента пристроїв, але при виборі флагманського комунікатора дійсно можна звернути увагу саме на використовуваний процесор. У цьому матеріалі ми обговорили основні характеристики мобільних чіпів і лише побіжно торкнулися пропозицій різних компаній. Тим не менш, такі гіганти як ARM і Qualcomm заслуговують більш докладного оповідання, і ми обов'язково приділимо їм увагу найближчим часом.