Mobiele bouwstenen 2014: mobiele kernen

Elk jaar na CES en Mobile World Congress denk ik na over de aankondigingen van de shows en wat ze betekenen voor de toekomst van mobiele applicatieprocessors. We hebben zeker een aantal interessante ontwikkelingen gezien, waaronder een reeks 64-bit-chipaankondigingen, waarvan sommige meer gericht zijn op mid-range telefoons, maar nieuwe 32-bit-chips leken het populairste gespreksonderwerp in het hogere segment.

Bijna elk bedrijf dat chips maakt, heeft het over betere graphics - met enorme prestatieverbeteringen - en ze hebben het allemaal over meerdere cores, waarbij 4- en zelfs 8-core chips nu routine worden. Wat we nog niet hebben gezien, zijn belangrijke applicatieprocessors die zijn gebouwd met behulp van 20nm-technologie (behalve die van Intel, die het ontwerp en de productie van zijn chips aanstuurt), noch echt nieuwe high-end 64-bits chips van de meeste spelers. Als gevolg hiervan zijn de veranderingen die we de komende maanden waarschijnlijk zullen zien in de chips voor de allerbeste telefoons niet groot, zelfs niet als de middellange en lage telefoons inhalen.

Ik zal later deze week de details van de belangrijkste chips bespreken, maar ik zou willen beginnen met te praten over de basisbouwstenen voor het maken van applicatieprocessors. Anders dan in de pc-wereld, gebruiken makers van dergelijke processors in het algemeen ten minste een deel van hun intellectueel eigendom (architecturale licenties of volledige kernen) bij het maken van hun producten. Bedenk dat een typische applicatieprocessor tegenwoordig een CPU, grafische kern, vaak een basisbandmodem en een hele reeks andere functies omvat; en veel makers licentiëren de CPU-architectuur, grafische afbeeldingen of mogelijk beide. Een typische processormaker combineert deze functies, zowel die ze zelf maken als die waarvoor ze een licentie hebben, om een ​​specifieke chip voor een doelmarkt te ontwerpen. In dit bericht zal ik het hebben over CPU-architectuur en dan morgen volgen met een over grafisch ontwerp.

De vele smaken van ARM-ontwerpen

De overgrote meerderheid van mobiele applicatieprocessors die u vandaag ziet, voeren een variant van de ARM-architectuur uit. In alle markten beweert ARM inderdaad dat meer dan 50 miljard processors die zijn technologie gebruiken zijn verkocht, met meer dan 10 miljard alleen al in 2013. De telefoon- en tabletmarkten maken daar een belangrijk deel van uit, waarbij ARM beweert dat 95 procent van 's werelds smartphones een versie van de architectuur gebruiken, maar ARM-processors zitten ook in veel andere producten.

Maar het is belangrijk om te begrijpen dat ARM eigenlijk geen processors verkoopt; in plaats daarvan verkoopt het IP - inclusief werkelijke kernontwerpen en de onderliggende onderliggende architectuur, die verschillende chipleveranciers, waaronder Apple en Qualcomm, gebruiken om unieke cores te maken. Het gebruik van een gemeenschappelijke architectuur - in feite de instructieset - zorgt voor een zekere compatibiliteit en maakt het dus gemakkelijker om software op chips van meerdere bedrijven te laten draaien.

Er zijn twee standaard ARM-architecturen die we tegenwoordig in mobiele processors zien: de 32-bit ARMv7 en de 64-bit ARMv8-versie.

ARMv7 is al jaren de standaard in de telefoonmarkt. Dit is een 32-bits ontwerp dat wordt gebruikt in verschillende cores (waaronder ARM's Cortex-A9, A7 en A15-ontwerpen, evenals de "Krait" -architectuur van Qualcomm en de cores die vóór de A7 in Apple-processors werden gebruikt). De Cortex-A9 is ongelooflijk populair geweest, maar de dagen lijken genummerd. Dit jaar zien we meer ontwerpen met een kleinere, energiezuinige Cortex-A7; of een krachtigere Cortex-A15, die hogere prestaties biedt; of een combinatie van de twee in wat ARM zijn "big.LITTLE" -configuratie noemt.

De Cortex-A7 is eigenlijk heel klein - minder dan een halve vierkante millimeter bij een proces van 28 nm - en is ontworpen om veel minder stroom te verbruiken; minder dan 100 milliwatt vergeleken met een piek van 200 tot 300 milliwatt voor een A9 en tot 500 milliwatt voor een A15. Cortex-A15 voegt ondersteuning toe voor een 40-bits fysieke adresruimte, hoewel afzonderlijke toepassingen slechts toegang hebben tot 32 bits. Afgelopen zomer introduceerde ARM de A12, bedoeld als vervanging voor de A9, die zei dat hij tot 40 procent sneller was dan een A9 en in de ruimte tussen de A7 en de A15 zou passen. Eerder dit jaar kondigde het bedrijf een verbeterde versie aan, Cortex-A17 genaamd, die volgens hem een ​​betere efficiëntie en 60 procent meer prestaties moet bieden dan de Cortex-A9. (Tot nu toe heeft alleen MediaTek een telefoonprocessor aangekondigd en Realtek een tv-processor die de A17 gebruikt.) ARM gelooft dat de A17 de laatste van zijn 32-bits ontwerpen is en een lange levensduur heeft, in toepassingen zoals tv's en consumentenproducten, terwijl uiteindelijk het grootste deel van de mobiele markt overschakelt naar 64-bits ontwerpen.

Een aantal bedrijven hebben A7's en A15's (of meer recentelijk A7's en A17's) gecombineerd in die big.LITTLE-combinatie, waardoor een chip meestal de kernen met een lager vermogen laat draaien en de chip overschakelt naar een hoger vermogen wanneer het de extra prestaties nodig heeft, misschien tijdens het uitvoeren van een complexe berekening in een spel, of zelfs gecompliceerde JavaScript in een webpagina. In sommige van deze ontwerpen kan het blok van A7-kernen of dat van A15-kernen tegelijkertijd actief zijn; in andere kunnen alle kernen tegelijk werken.

Nogmaals, het lijkt waarschijnlijk dat de meeste van de toekomstige mobiele chips die zijn ontworpen met ARM-cores zullen overstappen naar de 64-bit architectuur, hoewel we ons in de vroege dagen van die migratie lijken te bevinden. De ARMv8-instructieset lijkt te worden gebruikt in de A7-processor van Apple, die te vinden is in de iPhone 5s en iPad Air en naar verwachting ook in een aantal andere eigen ontwerpen. En natuurlijk heeft ARM twee cores die het met deze architectuur heeft aangekondigd: een kleinere Cortex-A53 en een krachtigere Cortex-A57, wederom met de optie om ze te combineren in een big.LITTLE-configuratie. De 64-bits versie is achterwaarts compatibel, maar bevat grotere registers voor algemene doeleinden en media-instructies (die het in sommige bewerkingen sneller kunnen maken), ondersteuning voor geheugen van meer dan 4 GB (vooral belangrijk in servertoepassingen); en nieuwe codering en cryptografie-instructies.

De Cortex-A53-kern ligt iets verder, met bedrijven zoals MediaTek, Qualcomm en Marvell die allemaal chips met meerdere A53-kernen aankondigen. ARM zegt dat het verwacht dat de eerste dergelijke chips deze zomer uitkomen. De A57 zou aanzienlijk krachtiger moeten zijn, en ARM verwacht dat mobiele chips met die kern later in het jaar uitkomen. (AMD heeft een serverchip aangekondigd die de A57-architectuur gebruikt, die tegen het einde van het jaar volledig in productie zal gaan.)

ARM biedt ook een aantal veel kleinere kernen die worden gebruikt in microcontrollers en andere apparaten in de M-serie; deze zouden geen applicatieprocessors op zichzelf draaien, maar kunnen worden gebruikt in meerdere andere chips in het mobiele ecosysteem en worden steeds vaker gebruikt om mobiele SoC's slimmer te maken. De A7 SoC van Apple heeft bijvoorbeeld een M7 motion coprocessor die naar verluidt is gebaseerd op de ARM Cortex-M3 en is vervaardigd door NXP, en de Motorola X8 SoC in de Moto X combineert een Snapdragon S4 Pro dual-core CPU met twee low-power coprocessors op basis van Texas Instruments DSP's voor verwerking in natuurlijke taal en contextueel computergebruik.

Zoals eerder vermeld, hebben een aantal bedrijven een zogenaamde "bouwkundige licentie", waarmee ze hun eigen cores kunnen maken met behulp van de instructieset, waarvan ze denken dat ze chips kunnen maken die zich onderscheiden door betere prestaties, energiebeheer, of beide. Deze omvatten bedrijven zoals Qualcomm, Marvell, Nvidia en Apple. Anderzijds stelt het aanbieden van standaardkernen bedrijven in staat om ontwerpen sneller en gemakkelijker te maken; veel van de bedrijven die een architecturale licentie hebben, gebruiken standaard ARM-kernen in sommige producten. Met name heeft Qualcomm nu enkele versies van zijn Snapdragon-lijn van processors die zijn Krait-cores gebruiken, terwijl anderen standaard ARM-cores gebruiken.

Intel en MIPS bieden alternatieven

Hoewel ARM de markt voor mobiele processoren blijft domineren, heeft Intel ook een grote duw in de rug, hoewel de meeste successen werden behaald in tablets met Windows en enkele met Android. Het huidige aanbod van Intel lijkt meer gericht op tablets dan op telefoons, hoewel het bedrijf twee nieuwe processors heeft die beter geschikt lijken voor telefoons die later dit jaar uitkomen (wat ik zal bespreken wanneer ik in de volgende post in processors van specifieke bedrijven kom). In de mobiele arena zet Intel zijn Atom-lijn van processors verder, hoewel er enkele Windows-tablets zijn die de grotere Core-familie gebruiken die ook in laptops en desktops wordt gebruikt.

Ook binnen de x86-familie heeft AMD enkele tablets laten zien met x86-gebaseerde CPU's met een lager vermogen. Nogmaals, ik zal later details bespreken als ik het over de specifieke makers heb. In beide gevallen voeren de processors natuurlijk de volledige versie van Microsoft Windows uit, hoewel beide bedrijven nu ook Android gebruiken. Vooral Intel heeft een grote duw gedaan om Android native op zijn chips te laten werken, terwijl AMD zich meer op de BlueStacks-emulator voor zijn x86-producten heeft gericht, terwijl het zich ook voorbereidt om later dit jaar ARM-compatibele chips te lanceren.

Een andere optie zou MIPS-processors zijn, een op RISC gebaseerde processorfamilie die iets meer dan een jaar geleden door Imagination Technologies werd overgenomen. MIPS biedt al geruime tijd een 64-bit-architectuur als onderdeel van de Aptiv-reeks cores. Eerder dit jaar kondigde het bedrijf zijn Series 5 "Warrior" CPU-generatie aan, die drie klassen MIPS-processors omvat - de M-serie voor ingebedde markten, de I-klasse ontworpen voor hoge efficiëntie en zeer geïntegreerde apparaten; en de P-klasse ontworpen voor meer prestaties, inclusief applicatieprocessors. Nieuwe functies zijn onder meer geïntegreerde ondersteuning voor OpenCL-graphics en verbeterde beveiliging. Verbeelding zegt dat deze chips tot 40 procent minder oppervlakte gebruiken dan hun concurrenten, met betere multi-threading voor multi-core gebruik.

MIPS-processors zijn behoorlijk succesvol geweest in een aantal markten, waaronder netwerkprocessors en andere realtime-applicaties en settopboxen, maar tot op heden hebben we ze niet in veel traditionele tablets of smartphones gezien. Een Chinees bedrijf genaamd Ingenic heeft een lijn van processors die de Xburst-architectuur gebruiken op basis van de eerdere MIPS-kern, en deze werd in sommige Android-tablets gebruikt. Een tijdje terug heb ik er een geprobeerd, maar het bedrijf dat het nu heeft gemaakt, lijkt zich te concentreren op ARM-gebaseerde tablets. Toch is het mogelijk dat MIPS in de toekomst een concurrent kan worden, met name met zijn nieuwe reeks aders.