Mobile byggeklodser 2014: mobile kerner

Hvert år efter CES og Mobile World Congress overvejer jeg programmets meddelelser og hvad de betyder for fremtiden for mobile applikationsprocessorer. Vi har helt sikkert set nogle interessante udviklinger, herunder et sæt 64-bit chipannoncer, hvoraf nogle er mere rettet mod mellemhøjttelefoner, men nye 32-bit chips syntes at være det mest populære samtaleemne i den høje ende.

Næsten ethvert firma, der fremstiller chips, taler om bedre grafik - med store gevinster i ydelsen - og alle taler om flere kerner, hvor 4- og endda 8-core chips nu bliver rutine. Det, vi ikke har set endnu, er nogen større applikationsprocessorer bygget ved hjælp af 20nm-teknologi (undtagen dem fra Intel, der kontrollerer design og fremstilling af dens chips), og heller ikke rigtig nye high-end 64-bit chips fra de fleste af spillerne. Som et resultat er de ændringer, som vi sandsynligvis vil se i chipsene til de mest avancerede telefoner i de næste par måneder, muligvis ikke store, selv når mellemhøjtelefonerne og low-end-telefonerne indhenter.

Jeg vil diskutere detaljerne om de store chips senere i denne uge, men jeg vil gerne starte med at tale om de grundlæggende byggesten, der går ind i oprettelsen af ​​applikationsprocessorer. I modsætning til i pc-verdenen har producenter af sådanne processorer generelt en tendens til at bruge mindst en vis intellektuel ejendom (IP), enten arkitektoniske licenser eller fulde kerner, til at skabe deres produkter. Husk, at en typisk applikationsprocessor i dag inkluderer en CPU, grafikkerne, ofte et baseband-modem og en række andre funktioner; og mange producenter har licens til CPU-arkitektur, grafik eller potentielt begge dele. En typisk processorproducent vil kombinere disse funktioner, både dem, de opretter selv og dem, de licenserer, til at designe en bestemt chip til et målmarked. I dette indlæg skal jeg tale om CPU-arkitektur og derefter følge i morgen med en om grafisk design.

De mange aromaer ved ARM-design

Langt de fleste mobile applikationsprocessorer, du ser i dag, kører en variant af ARM-arkitekturen. På tværs af alle markeder hævder ARM, at mere end 50 milliarder processorer, der bruger dens teknologi, er solgt, med mere end 10 milliarder solgt i 2013 alene. Telefon- og tabletmarkederne er en betydelig del af dette, med ARM som hævder, at 95 procent af verdens smartphones kører en version af dens arkitektur, men ARM-processorer er også i en masse andre produkter.

Men det er vigtigt at forstå, at ARM faktisk ikke sælger processorer; i stedet sælger det IP - inklusive faktiske kernedesign og den grundlæggende underliggende arkitektur, som flere chip-leverandører, herunder Apple og Qualcomm, bruger til at skabe unikke kerner. Brug af en fælles arkitektur - effektivt instruktionssættet - giver mulighed for en grad af kompatibilitet og gør det således lettere at få software til at køre på chips fra flere virksomheder.

Der er to grundlæggende ARM-arkitekturer, som vi ser i mobile processorer i dag - 32-bit ARMv7 og 64-bit ARMv8-versionen.

ARMv7 har været standarden på telefonmarkedet i årevis. Dette er et 32-bit design, der bruges i en række forskellige kerner (inklusive ARMs Cortex-A9, A7 og A15-design, såvel som Qualcomms "Krait" -arkitektur og de kerner, der blev brugt i Apple-processorer før A7). Cortex-A9 har været utroligt populær, men dens dage ser ud til at være nummererede. I år ser vi flere designs, der inkluderer enten en mindre og mere effektiv Cortex-A7; eller en mere kraftfuld Cortex-A15, der tilbyder højere ydelse; eller en kombination af de to i hvad ARM kalder sin "store.LITTLE" -konfiguration.

Cortex-A7 er faktisk meget lille - mindre end en halv kvadrat millimeter ved en 28nm proces - og var designet til at bruge meget mindre strøm; mindre end 100 milliwatt sammenlignet med en top på 200 til 300 milliwatt for en A9 og op til 500 milliwatt for en A15. Cortex-A15 tilføjer understøttelse af et 40-bit fysisk adresserum, skønt individuelle applikationer kun har adgang til 32 bit. Sidste sommer introducerede ARM A12, skulle være en erstatning for A9 og sagde, at den var op til 40 procent hurtigere end en A9 og ville passe ind i mellemrummet mellem A7 og A15. Tidligere i år annoncerede virksomheden en opgraderet version kaldet Cortex-A17, som den siger at skulle tilbyde bedre effektivitet og 60 procent mere ydelse end Cortex-A9. (Indtil videre er det kun MediaTek, der har annonceret en telefonprocessor og Realtek en TV-processor, der bruger A17.) ARM mener, at A17 er den sidste af sine 32-bit-design, og er beregnet til at have en lang levetid i applikationer som tv'er og forbrugerprodukter, mens størstedelen af ​​det mobile marked til sidst skifter til 64-bit designs.

Et antal virksomheder har kombineret A7'er og A15'er (eller for nylig A7'er og A17'er) i den store.LITTLE-kombination, som gør det muligt for en chip at have de lavere effektkerner, der kører det meste af tiden, og chipskiftet til højere effekt kerner, når det har brug for den ekstra ydeevne, måske mens du kører en kompleks beregning inde i et spil, eller endda kompliceret JavaScript på en webside. I nogle af disse design kan enten blokken med A7-kerner eller den af ​​A15-kerner være aktiv på én gang; i andre kan alle kerner arbejde på én gang.

Igen ser det ud til, at de fleste af de fremtidige mobilchips, der er designet med ARM-kerner, vil flytte til 64-bit-arkitekturen, selvom vi ser ud til at være i de tidlige dage af denne migration. ARMv8-instruktionssætet ser ud til at blive brugt i Apples A7-processor, som findes i iPhone 5s og iPad Air, og det forventes også at være i en række andre proprietære design. Og selvfølgelig har ARM to kerner, den har annonceret ved hjælp af denne arkitektur: en mindre Cortex-A53 og en mere kraftfuld Cortex-A57, igen med muligheden for at kombinere dem i en stor.LITTLE konfiguration. 64-bit versionen er bagudkompatibel, men indeholder større registre til generelle formål og medieinstruktioner (hvilket kan gøre det hurtigere i nogle operationer), understøttelse af hukommelse ud over 4 GB (især vigtigt i serverapplikationer); og nye instruktioner om kryptering og kryptografi.

Cortex-A53-kernen er lidt længere væk, med virksomheder som MediaTek, Qualcomm og Marvell, der alle annoncerer chips med flere A53-kerner. ARM siger, at det forventer, at de første sådanne chips vil være ude i sommer. A57 skal især være mere kraftfuld, og ARM forventer, at mobile chips med denne kerne vil være ude senere på året. (AMD har annonceret en serverchip ved hjælp af A57-arkitekturen på grund af den fulde produktion mod slutningen af ​​året.)

ARM tilbyder også et antal meget mindre kerner, der bruges i mikrokontrollere og andre enheder i sin M-serie; disse vil ikke køre applikationsprocessorer alene, men kan bruges i flere andre chips i det mobile økosystem og bliver i stigende grad brugt til at gøre mobile SoC'er smartere. For eksempel har Apples A7 SoC en M7 motion coprocessor efter sigende baseret på ARM Cortex-M3 og fremstillet af NXP, og Motorola X8 SoC i Moto X kombinerer en Snapdragon S4 Pro dual-core CPU med to laveffekt coprocessorer baseret på Texas Instruments DSP'er til behandling af naturligt sprog og kontekstuel computing.

Som nævnt tidligere har en række virksomheder det, der er kendt som en "arkitektonisk licens", som sætter dem i stand til at oprette deres egne kerner ved hjælp af instruktionssættet, som de mener giver dem mulighed for at fremstille chips, der skiller sig ud for markedet gennem bedre ydelse, strømstyring eller begge dele. Disse inkluderer virksomheder som Qualcomm, Marvell, Nvidia og Apple. På den anden side giver virksomhederne mulighed for at oprette design hurtigere og lettere ved at tilbyde standardkerner; mange af de virksomheder, der har en arkitektonisk licens, bruger standard ARM-kerner i nogle produkter. Bemærkelsesværdigt har Qualcomm nu nogle versioner af dens Snapdragon-serie af processorer, der bruger sine Krait-kerner, mens andre bruger standard ARM-kerner.

Intel og MIPS tilbyder alternativer

Mens ARM fortsat dominerer markedet for mobilprocessorer, har Intel også gjort et stort skub, skønt de fleste af sine succeser kommer i tabletter, der kører Windows og et par kørende Android. Intels nuværende tilbud synes mere rettet mod tablets end telefoner, selvom virksomheden har to nye processorer, der synes bedre egnet til telefoner, der kommer ud senere på året (som jeg vil diskutere, når jeg kommer ind i processorer fra specifikke virksomheder i det næste post). I den mobile arena skubber Intel sin Atom-linje af processorer, selvom der er nogle Windows-tabletter, der bruger den større Core-familie, der også bruges i bærbare computere og desktops.

Også inden for x86-familien har AMD vist nogle tabletter, der kører deres lavere effekt x86-baserede CPU'er. Igen vil jeg diskutere detaljer senere, når jeg taler om de specifikke producenter. I begge tilfælde kører processorer naturligvis den fulde version af Microsoft Windows, skønt begge virksomheder nu også adresserer Android. Intel har især lavet et stort skub for at få Android til at køre indfødte på sine chips, mens AMD har mere fokuseret på BlueStacks-emulatoren for sine x86-produkter, da den også forbereder sig på at lancere ARM-kompatible chips senere på året.

En anden mulighed var MIPS-processorer, en RISC-baseret familie af processorer, der blev erhvervet af Imagination Technologies for lidt over et år siden. MIPS har tilbudt en 64-bit arkitektur i nogen tid som en del af sin Aptiv-serie af kerner. Tidligere i år annoncerede virksomheden sin serie 5 "Warrior" CPU-generation, der inkluderer tre klasser af MIPS-processorer - M-serien til indlejrede markeder, I-klassen designet til høj effektivitet og meget integrerede enheder; og P-klassen designet til mere ydelse, inklusive applikationsprocessorer. Nye funktioner inkluderer integreret support til OpenCL-grafik og forbedret sikkerhed. Fantasi siger, at disse chips bruger op til 40 procent mindre areal end deres konkurrenter, med bedre multetråde til multi-core brug.

MIPS-processorer har været ret succesrige på en række markeder, herunder netværksprocessorer og andre realtidsapplikationer og set-top-bokse, men indtil videre har vi ikke set dem i mange traditionelle tablets eller smartphones. Et kinesisk firma kaldet Ingenic har en række processorer, der kører Xburst-arkitekturen baseret på den tidligere MIPS-kerne, og denne blev brugt i nogle Android-tabletter. For et stykke tid tilbage prøvede jeg en, men det firma, der gjorde det nu, ser ud til at fokusere på ARM-baserede tabletter. Det er stadig muligt, at MIPS kan være en konkurrent i fremtiden, især med sin nye serie af kerner.