|
Обзор SoC-платформ с архитектурой ARM | Как всё начиналось для ARM Holdings
ARM – это многонациональная компания разработки микропроцессорных ядер и программного обеспечения, которая базируется в английском городе Кембридж (она не имеет собственных производственных мощностей и распространяет свою продукцию через лицензирование сторонних производителей, что на английском языке называется fabless). Компания появилась в 1990 году путём создания совместного предприятия Acorn Computers, Apple и VLSI Technology. Изначально она называлась "Acorn RISC Machine" (на момент создания в 1990 году), а затем уже в 1998 году превратилась в открытую компанию под названием ARM Holdings.
За всю свою историю ARM приобрела несколько компаний. Одной из самых известных была Falanx, разработавшая технологию графических процессоров Mali, что позволило ARM заниматься не только центральными процессорами, но и графикой. Пожалуй, наибольшую известность GPU Mali приобрели благодаря реализации данных графических процессоров в чипах Samsung Exynos, а также во многих китайских SoC-платформах. Лидером среди компаний, занимающихся графикой в мобильных устройствах, остаётся Imagination, но благодаря тем же китайским компаниям и популярности устройств Samsung, доля рынка графических процессоров Mali неуклонно растёт.
ARM, в основном, применяет архитектуру ARMv7 и отказывается от использования ARMv6 ISA в устройствах даже на самых незначительных сегментах рынка, так что процессоры ARM11 на ARMv6 были заменены на Cortex-A5 и Cortex-A7 с архитектурой ARMv7. При этом ARM собирается представить новую архитектуру – 64-битную ARMv8, которая будет внедрена в Cortex-A53 и Cortex-A57 наряду с уже представленной платформой Apple A7 и перспективным Denver CPU от Nvidia.
Бизнес-модель
Как мы уже говорили, в отличие от Intel, ARM не производит собственные чипы, а только разрабатывает их, а производством занимаются компании, которые имеют соответствующую лицензию. Такой подход ARM позволил компании максимально насытить ими рынок мобильных устройств, и теперь миллиарды девайсов основаны на процессорах с технологией ARM.
На данный момент ARM продаёт разнообразные ядра CPU и GPU от ультраэффективных (например, Cortex-A5 и -A7) до высокопроизводительных (Cortex-A15) и новейших (Cortex-A53 и -A57) решений с архитектурой ARMv8. В то же время она выдала лицензии на производство таким компаниям, как Qualcomm и Apple, а недавно и Nvidia, то есть всем, у кого есть собственные SoC-платформы с архитектурой ARMv7 или ARMv8 ISA. Такая модель позволяет получить необходимую гибкость, в которой нуждается каждый из конкурентов, чтобы выпускать отличную от другой компании продукцию и таким образом расширять собственный выбор платформ на сегодняшний день.
Обзор SoC-платформ с архитектурой ARM | Модельный ряд платформ Qualcomm Snapdragon
На данный момент Qualcomm является крупнейшим производителем микропроцессоров на рынке мобильных устройств благодаря своему популярному бренду Snapdragon.
Устройства серии Snapdragon
Первые платформы Snapdragon выпускались на основе ядра Scorpion с архитектурой ARMv7, и по своей производительности и функциональности были схожи с Cortex-A8. Но поскольку они были представлены раньше (благодаря наличию лицензии для использования архитектуры ARMv7), то лидерство захватила именно компания из Сан-Диего (Калифорния, США). Бренд Snapdragon казался более эффективным, благодаря чему и завоевал всеобщее внимание, да и выпуск первых чипов Snapdragon успешно совпал с быстрым ростом Android в 2010 году.
Всего мы видели три процессора на ядре Scorpion: это S1 с графикой Adreno 200, S2 с Adreno 205, а также двухъядерный S3 со встроенной графикой Adreno 220.
В 2012 году представила совершенно новое процессорное ядро Krait, что повлекло за собой значительное повышение производительности и эффективности. Первым устройством на ядре Krait стал двухъядерный процессор S4 с графикой Adreno 225. Самое современное ядро на архитектуре ARM и ранний переход к 28-нм техпроцессу позволили Qualcomm закрепиться на позиции лидера. В дальнейшем появились модели S4 Play, Plus, Pro и Prime, которые расширили ассортимент и обеспечили ещё большее разнообразие видов устройств.
Год спустя Qualcomm выпустила процессоры под другим брендом – речь идёт о Snapdragon 200, 400, 600 и 800. Многие из платформ, принадлежавших ранее ряду S4, были заново распределены по категориям. Коснулись данной продукции и небольшие изменения, одним из которых стало внедрение памяти LPDDR3.
С тех пор мы видели всего несколько более мощных платформ – это Snapdragon 410 с четырьмя ядрами Cortex-A53 (декабрь 2013-го), четырёхъядерная 602A, модель 610 c аппаратным блоком HEVC-кодирования видео, восьмиядерная Snapdragon 615, устройства Snapdragon 615,
Snapdragon 801
К сожалению, нельзя сказать, что
В сравнении с Snapdragon 800, новая модель
Обзор SoC-платформ с архитектурой ARM | Модельный ряд платформ Samsung Exynos
В отличие от Qualcomm, Apple, а теперь и Nvidia, Samsung не разрабатывает собственные чипы, а задействует алгоритмы для CPU и GPU от ARM, но имеет преимущество в том, что просто собирает чипы самостоятельно, не тратя средств на оплату этой работы другим производителям.
Устройства серии Exynos
Свою первую платформу Exynos (3) компания выпустила в 2010 году наряду с весьма успешным на тот момент смартфоном Galaxy S. Exynos 3 был оснащён одноядерным процессором Cortex-A8 с частотой 1 ГГц, который в то время был единственным популярным мобильным процессором в Android-устройстве, но не под маркой Snapdragon. Примерно в то же время Apple представила свой iPhone 4, также с процессором Cortex-A8, который работал на частоте 800 МГц.
Год спустя появился первый двухъядерный чип от Samsung под названием Exynos 4210, который был использован в смартфоне Galaxy S2. Он также был оснащён графическим процессором Mali-400, который получил большое распространение и в других устройствах.
Вскоре после этого Samsung представила Exynos 4212 в смартфоне Galaxy Note, где частота процессора была увеличена на 200 МГц, а GPU должен был работать на 50% быстрее. Экран Galaxy Note имел разрешение 1280x800 пикселей, что было выше, чем 800x480 пикселей, а значит, требовалась улучшенная обработка графики.
В 2012 году Samsung представила свой первый четырёхъядерный чип Exynos 4 Quad в смартфонах Galaxy S3 и Galaxy Note 2. В нём также присутствовала четырёхъядерный графический процессор Mali-400, а энергопотребление, по сравнению с платформой предыдущего поколения, было снижено на 20%.
К концу года Samsung начала использовать Exynos 5 Dual на основе процессора Cortex-A15 в планшете Nexus 10. Процессор был значительно мощнее, чем Exynos 4 Quad, и был оснащён графикой Mali-T604 с архитектурой Midgard. Чип также был задействован в самом популярном на тот момент устройстве Chromebook, обеспечивая привлекательность его цены ($250) и при этом отличаясь весьма достойной производительностью.
Exynos 5 Octa
В 2013 году Samsung объявила о выпуске своего первого восьмиядерного процессора для смартфонов Galaxy S4 и Galaxy Note 3, который получил название Exynos 5 Octa (или Exynos 5410).
Exynos 5 Octa – это первая платформа, основанная на архитектуре ARM big.LITTLE. Она состояла из четырёхъядерных процессоров Cortex-A7 и Cortex-A15, способных работать отдельно – для сохранения заряда аккумулятора, или вместе – для достижения максимальной производительности.
В конечном итоге, продукты столкнулись с проблемами, связанными, в основном, с прошивкой, и это не стало сюрпризом, учитывая новизну технологии. Разработчики Samsung всё ещё учились правильно совмещать Cortex-A7 и -A15, стараясь добиться при этом большей энергоэффективности. По причине этих проблем, а также из-за того, что Qualcomm сумела добиться лучшей интеграции LTE в свою платформу, Samsung продолжает использование процессоров Snapdragon в большинстве своих устройств.
Ещё больше ситуацию усложнил тот факт, что Samsung сделала шаг назад, используя графику PowerVR вместо архитектуры Mali. Предположительно, это произошло из-за того, что графика ARM Mali-T628 оказалась не совсем готовой к моменту выхода устройств, что не оставляло компании другого выбора.
В этом году Samsung снова изменила свой путь и вернулась к графическому процессору Mali-T628MP6. Похоже, что и недочёты Exynos 5 Octa были исправлены в новой платформе Exynos 5422. В последней ревизии также отмечен прирост на 300 МГц у ядер Cortex-A15 и ещё на 100 МГц у ядер Cortex-A7. Кроме того, Samsung добавила режим, в котором все восемь ядер работают одновременно, когда это требуется.
Обзор SoC-платформ с архитектурой ARM | Модельный ряд платформ Apple A
За последние несколько лет Apple всё больше стремилась к созданию собственной платформы SoC с настраиваемой архитектурой, адаптированной функциональностью и оптимальной стоимостью.
Устройства серии Apple A
До выпуска iPad и iPhone 4 Apple использовала только лишь готовые платформы от других компаний. Впрочем, именно тогда она стала реализовать в данных платформах некоторые особенности. CPU и GPU были референсными (Cortex-A8 с частотой 800 МГЦ + PowerVR SGX535), но Apple также внедрила собственную технологию для увеличения времени автономной работы.
В следующем году (а именно, в 2011-м) Apple оснастила iPad и iPhone платформой A5. Она изначально была разработана Apple и использовала в работе двухъядерный процессор Cortex-A9 с частотой 1 ГГц и графику PowerVR SGX543MP2, которые функционировали гораздо быстрее своих предшественников и могли куда лучше справиться с графическими задачами при более высоких разрешениях.
iPad третьего поколения появился в 2012 году и был основан на платформе Apple A5X, которая была почти идентична A5, но имела в два раза больше GPU-ядер. Так что и с играми, требующими хорошей графики, она справлялась вдвое быстрее. Тем не менее, новый графический процессор не мог нормально сработаться с Retina-дисплеем, и, хоть SoC был вдвое мощнее в сравнении с предыдущим поколением, новый iPad предлагал в четыре раза больше пикселей по сравнению с предшествующей моделью. Позже, в том же году, Apple выпустила iPad 4 на платформе A6X, которая не только вчетверо превзошла графический потенциал A5, но и была оснащена двухъядерным процессором Swift, который работал на частоте 1,3 ГГц. В подавляющем большинстве случаев он опережал своих конкурентов, и это было лучшей его характеристикой. До этого компания выпускала свои главные процессоры в довольно консервативной манере – приоритетом считалось длительное время автономной работы, что неизменно приводило к более слабым результатам при тестировании.
Apple A7
Выпуск A7 застал врасплох абсолютно всех, особенно это коснулось конкурирующих игроков на поле SoC. Никто не ожидал, что процессор на архитектуре ARMv8 выйдет, по крайней мере, через год. Однако Apple выпустила его в конце 2013-го.
Даже сейчас у лидера по производству мобильных чипов компании Qualcomm нет собственной ARMv8-архитектуры. В числе новых выпущенных платформ окажутся готовые конфигурации на базе Cortex-A53 под брендом Snapdragon, а также Snapdragon 808 и 810 с использованием готовых ядер Cortex-A57. Предполагается, что лишь Nvidia выпустит в этом году процессор Denver, а состоится ли анонс чипа Exynos на базе Cortex-A57 от Samsung – пока неизвестно.
На самом деле никто не знает, как Apple удалось разработать и выпустить чип с архитектурой ARMv8 настолько быстро. Но это уже произошло, и теперь он позиционируется на рынке как первый 64-битный чип уровня настольных ПК для смартфонов и планшетов. Конкурирующим компаниям пришлось броситься вдогонку за Apple и пообещать выпускать 64-битных устройств как можно быстрее.
В отличие от архитектуры Swift, которая похожа на Qualcomm Krait, архитектура Cyclone имеет более широкие возможности, одновременно обслуживая до шести команд за один цикл (Swift и Krait обрабатывали по три команды). При реальных нагрузках или, по крайней мере, в бенчмарках, похоже, это влияло на прирост производительности примерно на 50%, тогда как Swift сохраняла свою частоту, равную 1,3 ГГц.
С 64-битной архитектурой Cyclone Apple действительно показала всем производителям чипов, включая Intel, всю серьёзность своих намерений относительно производства мощных процессоров.
Обзор SoC-платформ с архитектурой ARM | Модельный ряд платформ Nvidia Tegra Line
Пока что Nvidia является единственной компанией из мира ПК, работающей с мобильными платформами и сумевшей добиться, по крайней мере, некоторого успеха. В свете своих последних разработок процессоров и графики, Nvidia обладает большим потенциалом для их реализации в планшетных устройствах, особенно тех, что ещё не выпущены.
Устройства серии Tegra
Tegra – это то имя, которое Nvidia присваивает своим мобильным платформам, начиная с первого выхода на рынки медиаплееров и смартфонов. Первый и единственный контракт Tegra был подписан с Microsoft при разработке медиаплеера Zune HD.
Более серьёзно Nvidia стали воспринимать в мобильной среде после выпуска Tegra 2 с первым в мире двухъядерным мобильным GPU и графикой GeForce. К сожалению, этот процессор был выпущен позже запланированного срока. И к тому времени, как эта платформа привлекла к себе внимание, конкуренты уже также стали предлагать свои двухъядерные чипы. Кроме того, Tegra 2 имела небольшие проблемы с производительностью, которые были связаны с некоторыми конструктивными особенностями Nvidia. В конечном итоге это сильно разочаровало тех, кто решил сразу же попробовать новую технологию, и повлекло за собой крайне негативные оценки и рекомендации.
К тому времени, когда компания объявила о выпуске Tegra 3 – первого четырёхъядерного процессора на базе Cortex-A9 – появилась надежда на то, что компания сумела справиться с этими проблемами. В конце концов, мы видели, как боролись за сердца покупателей друг с другом в сверхконкурентном мире видеокарт для ПК выпускаемые одна за другой видеокарты GeForce. Однако привычку задерживать выпуск своих устройств компания так и не искоренила, и к тому времени, когда появилась Tegra 3, эта платформа подходила для быстрых устройств мейнстримного диапазона.
Впрочем, данная стратегия оказалась довольно успешной, и Tegra 3 стала основой первого планшета Nexus 7 от Google, а также первого планшета Surface RT от Microsoft. Одни только продажи Nexus 7 составили половину всех продаж данной платформы. Впрочем, несмотря на такую "умеренную" победу, не удалось забыть о том, что Nvidia так и не смогла внедрить свои SoC в какой-либо высококлассный продукт.
Tegra 4
Год спустя появилась Tegra 4, которая представила собой комплексную систему из четырёхъядерного процессора Cortex-A15 и пятого ядра-компаньона для экономии заряда батареи. Предполагалось, что её производительность будет сравнима с таковой у самых скоростных платформ, что в итоге и произошло. В то же время не обошлось без проблем и у Tegra 4. Одной из них был тот факт, что в платформе использовалась старая GPU-архитектура, при этом отсутствовала унифицированная шейдерная архитектура, и для игр была использована только архитектура OpenGL ES 2.0. Между тем, конкуренты не только смогли обзавестись унифицированной шейдерной архитектурой, но и внедрили поддержку OpenGL ES 3.0.
Предполагалось, что в представленном в 2013 году чипе Logan будет использоваться архитектура Kepler, но, поскольку релиз Tegra 2 и 3 состоялся значительно позже по сравнению с плановыми датами, то и Tegra 4 превратилась в платформу, вышедшую в 2014 году, которую мы знаем под названием
При этом Tegra 4 нельзя назвать сверхэффективной платформой, и это тоже оказалось проблемой, поэтому лучше всего она была адаптирована для использования в планшетах. Кроме нескольких китайских OEM-производителей, никто больше не решился задействовать её в смартфонах.
Так что с одной стороны проблемы с реализацией платформы и задержки выпуска чипов заставили Nvidia представить чип с уже устаревшей графикой в 2013 году, а с другой – проектные решения Nvidia не позволили платформе стать лучшим выбором для смартфонов, и её уровня производительности едва хватало лишь только для планшетов. Неудивительно, что Google отказалась от партнёрства с Nvidia при выпуске Nexus 7 (версии 2013 года), что было жестоким ударом для компании, сумевшей продать множество своих платформ главным образом благодаря предыдущему устройству Nexus.
К счастью для Nvidia, платформа
Обзор SoC-платформ с архитектурой ARM | Будущие 32-битные платформы
Все четыре компании продают мощные SoC-платформы, но рынок не стоит на месте, и некоторые из них готовят к выпуску революционные процессоры к концу 2014 года, в то время как другие продолжают улучшать уже существующие успешные формулы разработки.
Qualcomm Snapdragon 805
Как уже было упомянуто, Qualcomm удивительно медленно отреагировал на выпуск Apple А7 с архитектурой ARMv8. Те 64-битные платформы, что уже анонсированы компанией, предназначены для устройств low-end, тогда как устройства высокого класса не появятся до следующего года. И даже в них будут использованы готовые ядра от ARM.
Это немного странный, если не сказать больше, подход для компании, которая старается укрепить лидерские позиции, пытаясь прыгнуть выше головы, используя все преимущества последних разработок ARM и выпуская новые устройства ещё до того, как начинают появляться референсные решения ARM. Преимущество раннего использования новых технологий помогло Snapdragon добиться успеха. Выпуск Apple Cyclone застал Qualcomm врасплох, но год спустя так и не было выпущено никакого устройства на архитектуре ARMv8 ISA.
На 2014-й год было запланировано небольшое усовершенствование
Большой прирост графической производительности связан с наличием графики Adreno 420, хотя она, вероятно, является не столь мощной по сравнению с решениями на базе Nvidia Kepler, учитывая 40-процентное ускорение по сравнению с Adreno 330.
Предложения Qualcomm в этом году не выглядят настолько привлекательными или конкурентоспособными, насколько бы нам хотелось, но эта компания является долгосрочным и надёжным партнёром для многих OEM-компаний, из чего и извлекает выгоду, продолжая свою успешную деятельность.
Samsung Exynos 5433
О Exynos 5433 известно не так уж много, но, по слухам, данная платформа появится в конце года в смартфоне Samsung Galaxy Note 4 и при этом станет самой мощной среди всех SoC-платформ Samsung в 2014 году. Результаты тестов в AnTuTu сообщили о победе над
Что мы можем ожидать от Exynos 5433? Что он представляет собой восьмиядерный чип, сконструированный при помощи четырёхъядерных процессоров Cortex-A7 и Cortex-A15, и, возможно, изготовленный по техпроцессу 20 нм. Так что он должен обеспечить более высокую производительность и эффективность по сравнению с предыдущим поколением платформы Exynos.
Хотя о выпуске Exynos с архитектурой ARMv8 говорят ещё с конца прошлого года, вряд ли мы сумеем дождаться его в 2014 году. Этот процессор якобы будет сконструирован на основе техпроцесса 14 нм, и Samsung вряд ли подготовит его для массовой продажи в следующие несколько месяцев. В лучшем случае мы получим более подробную информацию в начале 2015 года как раз во время выпуска Galaxy S6 (тогда и название Exynos 6 Octa становится более логичным, если оно, конечно, станет окончательным).
Обзор SoC-платформ с архитектурой ARM | Будущие 64-битные платформы
Архитектура ARMv8 добавляет поддержку 64-битной обработки, AES-шифрования и аппаратного ускорения SHA2, 128-битного движка NEON и полной совместимости приложений, разработанных под ARMv7 ISA.
Apple A8
Так как Apple – довольно скрытная компания, то мы не так уж много знаем о её платформе следующего поколения. Ходили слухи, что тактовая частота увеличится вдвое, то есть до 2,6 ГГц, и это означает, что либо Apple нашла способ сделать платформу Cyclone более эффективной с помощью использования техпроцесса 20 нм, либо имеется другой способ наращивания частоты.
Новая платформа A8 должна также обеспечивать вдвое больший прирост графической производительности, что Apple и делала при обновлении GPU. Новый графический движок, действительно, был бы полезен, поскольку iPhone, по слухам, получит более высокое разрешение своего 4,7-дюймового экрана (что-то между 720р и 1080р).
Nvidia Tegra K1
На данный момент
Комбинация Denver/Kepler в
Мобильный графический процессор на базе Kepler также предназначен для исполнения задач, с которыми больше никому не удастся справиться, за исключением, возможно, новых GPU Imagination. Nvidia в своих маркетинговых материалах использует в качестве сравнения Xbox 360 и PS3, что должно привлечь внимание к запуску Android-игр на приставках. По крайней мере, в теории компьютерные и консольные игры легче адаптировать благодаря всесторонней поддержке API. Обратят ли на это внимание разработчики – ещё только предстоит узнать.
В новых чипах Snapdragon и Exynos будут замечены незначительные изменения в сравнении с той продукцией, что имеется в настоящее время, так что наиболее интересный выпуск чипов на мобильном рынке произойдёт в этом году у Nvidia (первая фирменная конструкция CPU – Denver) и Apple (A8 на архитектуре ARMv8). Обе передовые архитектуры в сочетании с более высокими тактовыми частотами должны поспособствовать обеспечению производительности desktop-уровня (или уровня настольных систем), как и было заявлено изначально.
Компании Qualcomm, Samsung, Nvidia и Apple являются важнейшими игроками на рынке чипов, и каждая из них проделала долгий путь. Впрочем, для них это только начало. И будет очень интересно проследить за тем, насколько конкурентоспособной окажется каждая из них, имея процессоры на 64-битной архитектуре ARM, поскольку именно этот факт позволит им конкурировать в более равных условиях.