Современные процессоры мобильных устройств

 

1. Мобильные и настольные процессоры

 

Центральное процессорное устройство (ЦПУ) – «сердце» современного смартфона  и планшетного компьютера. Хотя по размеру оно не больше ногтя большого пальца, по производительности такой  микрочип практически ни в чем  не уступает настольному аналогу, который в тринадцать раз больше.

Процессоры мобильных  устройств за последние несколько  лет преодолели рубеж в 1.5 ГГц, обрели многоядерность, научились декодировать видео, ускорять flash и поставили под вопрос доминирование архитектуры х86 на рынке персональных вычислений. Смартфон, который легко умещается на ладони, по уровню производительности вплотную подобрался к нетбуку.

Независимо от того, делаете  ли вы фотоснимки, записываете видео, занимаетесь интернет-серфингом, подключаете телефон к ПК или просто совершаете обычный телефонный звонок, миллионы транзисторов на процессоре обеспечивают быстрое и безупречное выполнение всех операций. Но как работает это настоящее чудо инженерной мысли? Какие инновации в этой области ожидают нас в самое ближайшее время?

Площадь мобильных чипов составляет 12×12 мм, а настольных 45×43 мм. Однако по структуре и принципу работы большинство первых радикально отличаются от вторых. По сути дела, все настольные процессоры от AMD и Intel до сих пор используют разработанную еще в далеком 1978 году (кстати, все той же корпорацией Intel) архитектуру х86 и соответствующий ей набор команд CISC (Complex Instruction Set Computer – компьютер с полным набором команд). Это означает, что при запуске, скажем, графического редактора процессор отрабатывает всю цепочку команд – он обеспечивает и загрузку всех фильтров, эффектов и прочих функций. Для этого, paзумеется, требуется немалая вычислительная мощность.

А вот в смартфонах и  планшетных ПК, которые, как правило, работают под управлением операционных систем Android, Windows Phone или iOS, напротив, используются процессоры типа RISC (Reduced Instruction Set Computer – компьютер с упрощенным набором команд). Именно такие чипы отвечают за значительно меньший объем команд, например при открытии какого-либо приложения, они загружают только его основные функции, а необходимые модули подгружают по ходу работы.

Благодаря огромному количеству небольших и точных команд смартфон обеспечивает высокую скорость работы, несмотря на то, что по производительности мобильный процессор значительно уступает настольным. В целом же все мобильные ЦПУ (например, Intel Sandy Bridge) работают медленнее настольных, хотя прямое сравнение производительности затруднительно ввиду больших различий между приложениями для настольных ПК и смартфонов. Быстродействие современных мобильных двухъядерных процессоров, например Snapdragon S3, находится приблизительно на уровне Intel Atom N550, используемого в нетбуках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Компоненты мобильных ЦПУ

 

Мобильные микрочипы состоят  из тех же элементов, что и настольные, но у них есть некоторые дополнительные компоненты, поэтому они называются «системами на кристалле» (System on Chip сокращенно SoC).

• Количество ядер. Смартфоны и планшеты начального уровня имеют, как правило, лишь один процессор с одним ядром, кэш-памятью и контроллером памяти. Устройства среднего и топового класса, напротив, оснащены двухъядерными процессорами. В самом скором времени ожидается появление процессоров с четырьмя или пятью ядрами, как на настольных ПК.
• Графический процессор. Как и в системах для настольных ПК, вывод изображения на дисплей обеспечивает размещенный на кристалле процессора графический чип.
• Процессор обработки изображения. Этот микрочип отвечает за съемку фотографий и видеороликов в смартфонах.
• Видеопроцессор. Процессор кодирования и декодирования видеоизображения отвечает за воспроизведение записанных видеороликов.
• Аудиопроцессор. Записью звука через микрофон и его дальнейшим воспроизведением через динамики или наушники ведает встроенный в чипсет аудиопроцессор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Какие задачи выполняет мобильный процессор?

 

Микрочип обеспечивает выполнение всех последовательностей команд на телефоне или планшетном ПК. Например, он выполняет быструю загрузку системы  и программ, плавное воспроизведение  видео и игр, а также показ  фотографий и фильмов.

Мобильные процессоры отвечают также за работу всех компонентов, размещенных  на системной плате смартфонов и  планшетов.

• UMTS/WLAN. Данные беспроводные модули установлены на системной плате смартфона или планшетного ПК – они необходимы для подключения к Интернету.
• Bluetooth. Этот модуль служит для беспроводного обмена данными между, например, смартфоном и компьютером.
• USB-контроллер. Когда пользователь подключает свой планшет к ПК посредством USB-кабеля, центральный процессор устанавливает соединение, используя USB-контроллер.
• Кардридер. Микрочип управляет также операциями чтения/ записи данных на карту памяти, например формата microSD.
• HDMI. Благодаря этому разъему мультимедийный контент при непосредственном участии процессора попадает со смартфона на телевизор.
• Камера. Независимо оттого, что вы снимаете – фото или видео, чип управляет всеми процессами, сопровождающими эти операции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Миниатюрный размер и низкое энергопотребление – как это возможно?

 

Производители мобильной  техники предъявляют к микрочипам гораздо более высокие требования, чем к настольным процессорам. Так, мобильные чипы не должны потреблять много энергии, иначе аккумулятор  разрядится уже через несколько  часов. Кроме того, смартфон или планшетный ПК не допускают установку активного  охлаждения (кулера), поскольку имеют  слишком тонкий корпус. Посему производители  волей-неволей должны выпускать  такие чипы, которые выделяют мало тепла: толщина токопроводящих соединений в мобильных кристаллах постоянно  уменьшается. Это, в свою очередь, благоприятно сказывается на производительности, поскольку на кристалле удается  разместить больше транзисторов. Кроме  того, миниатюрные полупроводниковые  элементы пропускают меньший ток, в  результате меньше энергии преобразуется  в тепло. Вот красноречивый пример стремительного развития технологий: ширина токопроводящих дорожек процессора (технологический процесс) Snapdragon S1 QSD8650 от Qualcomm, представленного в 2008 году, составляла 65 нм. У его преемника Snapdragon S2 (2010 год) ширина соединений доведена уже до 45 нм, благодаря чему этот процессор потребляет почти на 30% меньше энергии; Snapdragon S3 (2011) – 45 нм, а на некоторых моделях Snapdragon S4 – 28 нм.

Кстати говоря, энергопотребление  практически не зависит от количества встроенных ядер. Это можно пояснить так: одноядерный процессор при  воспроизведении HD-видео работает на максимальной тактовой частоте (например, на 1 ГГц), двухъядерному процессору достаточно для этого 500 МГц. А при  работе на низкой частоте современные  процессоры способны автоматически  снижать рабочее напряжение.

Как результат новейшие двухъядерные процессоры с тактовой частотой 500 МГц  выполняют любые операции намного  быстрее, потребляя при этом приблизительно столько же энергии, что и одноядерные микрочипы частотой в 1 ГГц.

 

 

 

 

3.  Производители

 

Мобильные процессоры состоят  из компонентов разных производителей. Главный элемент почти всех моделей  – это центральный процессор  на архитектуре ARM. А такие гиганты, как Apple или NVIDIA, дополняют их соответствующими графическими и аудиопроцессорами, разрабатывают дизайн всего чипа и поручают конечное изготовление другим компаниям. На мобильном рынке до сих пор доминируют две силы: Samsung, выпускающий чипы Exynos (рис.1) для собственных смартфонов и планшетных ПК, А6 для iPad 2 и iPhone 5, и компания TSMC, которая производит процессоры для Qualcomm, NVIDIA (рис.3) и Marvell. Компании Intel и AMD, известные своими настольными чипами, на рынке мобильных процессоров представлены в незначительной степени. И хотя они тоже изготавливают мобильные чипы, эти изделия не подходят для мобильных устройств под управлением Android или iOS.

рис. 1. Мобильные процессоры Samsung Exynos и Apple A6X

рис. 2. Мобильный процессор  NVIDIA Tegra 3

В некоторых планшетах, работающих под Windows 7, можно найти процессоры Intel Core і, пример тому – ASUS Еее Slate. То же самое относится и к процессорам Fusion от AMD: и здесь, хотя и редко, встречаются модели под управлением Windows 7, оснащенные этим чипом, например Acer Iconia W500. Однако планшетные ПК с этой операционной системой используются, как правило, только в корпоративной среде. В настоящее время оба чипмейкера не имеют в своем арсенале подходящих процессоров для смартфонов, но в 2013 году Intel намерена устранить этот изъян, представив новинку под названием Medfield. Компания же AMD пока не планирует залезать на чужое поле, ограничиваясь производством процессоров для планшетов под управлением Windows: так, новый двухъядерный Z-03 работает на тактовой частоте 1 ГГц и имеет встроенный графический чип Radeon HD 6250.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Сравнительный анализ устройств и процессоров.

 

Появления более мощных и  производительных процессоров для  мобильных устройств долго ждать  не приходится. В таблице 1 приведены основные характеристики для сравнения 8 ведущих моделей разных компаний. Списки, приведенные в столбце «Применение в устройствах», далеко не полные. На момент составления таблицы, ожидается выход процессоров последнего поколения от NVIDIA (Tegra 4) и восьмиядерный Exynos от компании Samsung Electronics.

Таблица 1.

Компания, модель	ТП*	Процессор	Графика	Связь		Память	Цена**
Quallcomm Snapdragon
S4 PRO APQ8064	28 nm	До 1.7 GHz quad-core Krait	Adreno 320 (QXGA/1080p)	BT 4.0, WiFi 802.11ac		Dual-channel 533 MHz (8.5 GB/sec)	25000-30000
S4 Plus MSM8960	28 nm	До 1.7 GHz Dual-core Krait	Adreno 225 (WUXGA/1080p)	LTE, WiFi 802.11ac		Dual-channel 500 MHz LPDDR2	17000-25000
800	28 nm	До 2.4 GHz Quad-core Krait	Adreno 330 (UHD/4K)	LTE, WiFi 802.11ac		LPDDR3	25000-30000
Устройства	Nexus 4, HTC Butterfly, ZTE Nubia Z5, Sony Xperia Z, HTC Windows Phone 8X, HTC One X, Nokia Lumia 920, Sony Xperia V, ZTE P897A10
NVIDIA
Tegra 2	40 nm	До 1 GHz Dual-core ARM Cortex-A9 MPCore	OpenGL ES 2.0	WiFi 802.11ac		LP-DDR2 (32 бит)	15000-20000
Tegra 3	40 nm	До 1.7 GHz Quad-core Cortex-A9 MPCore, пятое ядро компаньон	ULP GeForce	BT 4.0, 802.11ac/a/b/g/n (2.4/5 GHz)		DDR3-L 1500, LPDDR2-1066	20000-25000
Устройства	Samsung Galaxy R, HTC One X+, Boxer8 Ouya, LG Optimus 4X HD
Samsung Electronics
Exynos 4412	32 nm	1.4-1.8  GHz Четырех-ядерный ARM Cortex-A9	ARM Mali-400 MP4	LTE, WiFi 802.11ac	LPDDR2 DDR2 or DDR3		25000-30000
Exynos 5250	32 nm	1.7 GHz Двух-ядерный ARM Cortex-A15 MPCore	ARM Mali-T604	LTE, WiFi 802.11ac	LPDDR2, DDR2 or DDR3		25000-30000
Устройства	Samsung Galaxy Note II, Samsung Galaxy Note 8,  Samsung Galaxy S3
Apple & Samsung Electronics
Apple A6 APL0598	32 nm HKMG	1,3 GHz, два ядра Apple Swift	PowerVR SGX543MP3, три ядра, 266 МГц (25,5 GFLOPS	LTE, WiFi 802.11ac	LPDDR2, 533 МГц (более 8,5 ГБ/с) (2 канала)			~29000
Apple A6X APL5598	32 nm HKMG	1,4 GHz, два ядра Apple Swift	PowerVR SGX554MP4, 4 ядра, более 280 МГц (76,8 GFLOPS)	LTE, WiFi 802.11ac	LPDDR2 (4 канала)			~40000
Устройства	iPhone 5, iPad 4

Сравнение флагманских процессоров. * ТП – технологический процесс. ** Цена (руб.) на устройства, на которые установлены представленные процессоры.

По таблице видно, что  Qualcomm незначительно, но все же превосходят своих конкурентов. Однако устройства с предустановленным процессором от компании NVIDIA выглядят более привлекательными в ценовом варианте. Один из минусов так называемой «тегры» - отсутствие поддержки LTE – четвертого поколения сотовой связи с усовершенствованным продолжением третьего поколения CDMA и UMTS (скорость передачи в сетях LTE составляет примерно 173 Мбит/с на прием и 58 Мбит/с на передачу). В пресс-релизе процессора NVIDIA Tegra 4 (выпуск которой намечен на август 2013 года) было указано, что поддержки LTE также не предусмотрено. Однако процессор уже назван «убийцей» Snapdragon (Частота ЦП 1.9 GHz, пятое ядро-компаньон с максимальной частотой 500 МГц, 72-ядерный видеоускоритель NVIDIA GeForce ULP с поддержкой 3D-Стерео изображения, а также двухканальный контроллер памяти). Согласно заявлениям NVIDIA, видеочип Tegra 4 в шесть раз быстрее чипа, интегрированного в Tegra 3 (рис. 3). Так или иначе, по мере укрепления своих позиций в обозримом будущем «облачных» сервисов, данная технология передачи данных просто необходима. В свою очередь, процессоры от Apple (разработанные, кстати, совместно с Samsung Electronics) не наделены излишней мощностью, что не мешает главным разработкам Стива Джобса работать сверх быстро: устройства на iOS порядком быстрее чем их собратья на Android или иных ОС.

рис.3. Возможности Tegra 4 на примере игры Zombie Driver (слева – Tegra 4, справа – Tegra 3)

Конечно, приобретать устройство (будь то планшетный ПК или смартфон) опираясь лишь на параметры процессора не стоит. В таблице 2 сравнены 4 смартфона от разных производителей с разными предустановленными процессорами в ценовом промежутке 17000-25000 рублей. Для сравнения использовался сервис «Яндекс.Маркет»

 

Таблица 2.

Параметр	HTC One X	Sony Xperia V	Samsung Galaxy S3	Apple iPhone 5
Средняя цена	17 770 руб.	21 990 руб.	19 790 руб.	24 990 руб.
Процессор	NVIDIA Tegra 3	Qualcomm MSM8960	Samsung Exynos 4412	Apple A6
Ядер процессора	4	2	4	2
Частота (МГц)	1500	1500	1400	1200
Видеопроцессор	NVIDIA ULP GeForce	Adreno 225	Mali-400 MP	PowerVR SGX 543
Оперативная память (мб)	1024	1024	1024	1024
ОС	Android 4.0	Android 4.0	Android 4.0	iOS 6
Тип SIM-карты	Micro-SIM	Micro-SIM	Micro-SIM	Nano-SIM
Тип экрана	Super LCD 2	TFT	HD Super AMOLED	Retina
Диагональ, дюйм	4.7	4.3	4.8	4
Разрешение экрана (пикселов)	1280x720	1280x720	1280x720	1136x640
Пикселов на дюйм	312	342	306	326
Bluetooth 4.0	•	•	•	•
GPS-модуль	•	•	•	•
A-GPS	-	•	-	•
ГЛОНАСС	-	•	•	•
Wi-Fi (Direct)	• (•)	• (•)	• (•)	• (-)
Слот для карты памяти	-	•	•	-
Фотокамера	8 Мпикс	13 Мпикс	8 Мпикс	8 Мпикс
Разрешение при видеосъемке, макс	1920x1080	1920x1080	1920x1080	1920x1080
Фронтальная камера	• (1.3 Мпикс)	• (0.3 Мпикс)	• (1.9 Мпикс)	• (1.2 Мпикс)
Радиоприёмник	•	•	•	-
LTE	-	•	-	•
Гироскоп	•	•	•	•