Mobile building blocks 2014: nuclei mobili

Ogni anno dopo il CES e il Mobile World Congress, medito sugli annunci degli spettacoli e sul loro significato per il futuro dei processori di applicazioni mobili. Abbiamo sicuramente visto alcuni sviluppi interessanti, tra cui una serie di annunci di chip a 64 bit, alcuni dei quali rivolti più ai telefoni di fascia media, ma i nuovi chip a 32 bit sembravano essere l'argomento di conversazione più popolare nella fascia alta.

Quasi ogni azienda che produce chip parla di una grafica migliore - con enormi guadagni in termini di prestazioni - e tutti parlano di più core, con i chip a 4 e persino a 8 core che stanno diventando di routine. Ciò che non abbiamo ancora visto sono i principali processori di applicazioni costruiti utilizzando la tecnologia a 20 nm (ad eccezione di quelli di Intel, che controlla la progettazione e la produzione per i suoi chip), né chip di fascia alta a 64 bit davvero nuovi dalla maggior parte dei giocatori. Di conseguenza, i cambiamenti che probabilmente vedremo nei chip per i telefoni di fascia alta nei prossimi mesi potrebbero non essere enormi, anche se i telefoni di fascia media e di fascia bassa stanno recuperando terreno.

Discuterò i dettagli dei principali chip alla fine di questa settimana, ma vorrei iniziare parlando dei mattoni di base che vanno nella creazione di processori applicativi. A differenza del mondo dei PC, in generale, i produttori di tali processori tendono a utilizzare almeno una parte della proprietà intellettuale (PI), licenze di architettura o core completi, per creare i propri prodotti. Ricordiamo che oggi un tipico processore di applicazioni include una CPU, un core grafico, spesso un modem in banda base e una serie di altre funzionalità; e molti produttori concedono in licenza l'architettura della CPU, la grafica o potenzialmente entrambi. Un tipico produttore di processori combinerà queste funzionalità, sia quelle create da loro stessi sia quelle autorizzate, per progettare un chip specifico per un mercato target. In questo post, parlerò dell'architettura della CPU, quindi seguirò domani con uno sulla progettazione grafica.

I molti sapori di ARM Designs

La stragrande maggioranza dei processori di applicazioni mobili che vedi oggi esegue una variante dell'architettura ARM. In effetti, in tutti i mercati, ARM afferma che sono stati venduti oltre 50 miliardi di processori che utilizzano la sua tecnologia, con oltre 10 miliardi venduti solo nel 2013. I mercati di telefoni e tablet sono una parte significativa di ciò, con ARM che afferma che il 95 percento degli smartphone del mondo utilizza una versione della sua architettura, ma i processori ARM sono presenti anche in molti altri prodotti.

Ma è importante capire che ARM non vende processori; invece vende IP - compresi i progetti di base effettivi e l'architettura di base sottostante, che diversi produttori di chip tra cui Apple e Qualcomm utilizzano per creare core unici. L'utilizzo di un'architettura comune - efficacemente il set di istruzioni - consente un certo grado di compatibilità e quindi semplifica l'esecuzione del software su chip di più aziende.

Esistono due architetture ARM di base che vediamo oggi nei processori mobili: ARMv7 a 32 bit e ARMv8 a 64 bit.

ARMv7 è stato lo standard nel mercato della telefonia per anni. Questo è un design a 32 bit che viene utilizzato in una varietà di core (inclusi i progetti ARM Cortex-A9, A7 e A15, così come l'architettura "Krait" di Qualcomm e i core utilizzati nei processori Apple prima dell'A7). Il Cortex-A9 è stato incredibilmente popolare, ma i suoi giorni sembrano numerati. Quest'anno vedremo più progetti che includono un Cortex-A7 più piccolo e più efficiente dal punto di vista energetico; o un Cortex-A15 più potente, che offre prestazioni più elevate; o una combinazione dei due in ciò che ARM chiama la sua configurazione "big.LITTLE".

Il Cortex-A7 è in realtà molto piccolo - meno di mezzo millimetro quadrato con un processo a 28 nm - ed è stato progettato per consumare molta meno energia; meno di 100 milliwatt rispetto a un picco da 200 a 300 milliwatt per un A9 e fino a 500 milliwatt per un A15. Cortex-A15 aggiunge il supporto per uno spazio di indirizzi fisico a 40 bit, sebbene le singole applicazioni possano accedere solo a 32 bit. L'estate scorsa, ARM ha introdotto la A12, destinata a sostituire la A9, affermando che era fino al 40 percento più veloce di una A9 e si adattava allo spazio tra la A7 e la A15. All'inizio di quest'anno, la società ha annunciato una versione aggiornata denominata Cortex-A17, che dovrebbe offrire una migliore efficienza e prestazioni del 60 percento in più rispetto alla Cortex-A9. (Finora, solo MediaTek ha annunciato un processore per telefono e Realtek un processore per TV che utilizza A17.) ARM ritiene che A17 sia l'ultimo dei suoi progetti a 32 bit ed è destinato a durare a lungo, in applicazioni come TV e prodotti di consumo, mentre alla fine la maggior parte del mercato mobile passa a design a 64 bit.

Un certo numero di aziende hanno combinato A7 e A15 (o più recentemente A7 e A17) in quella grande combinazione PICCOLA, che consente a un chip di avere i core a bassa potenza in esecuzione la maggior parte del tempo e il chip passa alla potenza superiore core quando ha bisogno di prestazioni aggiuntive, magari durante l'esecuzione di un calcolo complesso all'interno di un gioco, o persino di JavaScript complicato in una pagina web. In alcuni di questi progetti, il blocco di core A7 o quello di A15 core possono essere attivi contemporaneamente; in altri, tutti i core possono lavorare contemporaneamente.

Ancora una volta, sembra probabile che la maggior parte dei futuri chip mobili progettati con core ARM passerà all'architettura a 64 bit, sebbene sembriamo esserci nei primi giorni di quella migrazione. Il set di istruzioni ARMv8 sembra essere utilizzato nel processore A7 di Apple, che si trova nell'iPhone 5s e nell'iPad Air, e dovrebbe essere presente anche in molti altri design proprietari. E, naturalmente, ARM ha due core che ha annunciato usando questa architettura: un Cortex-A53 più piccolo e un Cortex-A57 più potente, sempre con la possibilità di combinarli in una configurazione big.LITTLE. La versione a 64 bit è retrocompatibile, ma include registri più grandi per scopi generici e istruzioni multimediali (che potrebbero renderlo più veloce in alcune operazioni), supporto per memoria oltre i 4 GB (particolarmente importante nelle applicazioni server); e nuove istruzioni di crittografia e crittografia.

Il core Cortex-A53 è un po 'più avanti, con aziende come MediaTek, Qualcomm e Marvell che annunciano tutti chip con più core A53. ARM afferma di aspettarsi che il primo chip di questo tipo uscirà quest'estate. L'A57 dovrebbe essere notevolmente più potente e ARM si aspetta che i chip mobili con quel core siano disponibili entro la fine dell'anno. (AMD ha annunciato un chip server utilizzando l'architettura A57, a causa dell'entrata in produzione completa verso la fine dell'anno.)

ARM offre anche una serie di nuclei molto più piccoli utilizzati nei microcontrollori e altri dispositivi nella sua serie M; questi non eseguono i processori applicativi da soli, ma possono essere utilizzati in più altri chip nell'ecosistema mobile e sono sempre più utilizzati per rendere i SoC mobili più intelligenti. Ad esempio, il SoC A7 di Apple ha un coprocessore di movimento M7 basato su ARM Cortex-M3 e prodotto da NXP, e il SoC Motorola X8 in Moto X combina una CPU dual core Snapdragon S4 Pro con due coprocessori a basso consumo basati su DSP di Texas Instruments per l'elaborazione in linguaggio naturale e l'elaborazione contestuale.

Come accennato in precedenza, un certo numero di aziende possiede quella che è nota come "licenza architettonica", che consente loro di creare i propri core utilizzando il set di istruzioni, che a loro avviso consente loro di realizzare chip che si distinguono per il mercato attraverso prestazioni migliori, gestione dell'alimentazione o entrambi. Questi includono aziende come Qualcomm, Marvell, Nvidia e Apple. D'altro canto, l'offerta di core standard consente alle aziende di creare progetti più rapidamente e più facilmente; molte aziende che dispongono di una licenza di architettura utilizzano core ARM standard in alcuni prodotti. In particolare, Qualcomm ora ha alcune versioni della sua linea di processori Snapdragon che usano i suoi core Krait, mentre altri usano core ARM standard.

Intel e MIPS offrono alternative

Mentre ARM continua a dominare il mercato dei processori mobili, anche Intel ha fatto una grande spinta, anche se con la maggior parte dei suoi successi arriva su tablet con Windows e alcuni con Android. L'attuale offerta di Intel sembra più rivolta ai tablet che ai telefoni, anche se la società ha due nuovi processori che sembrano più adatti ai telefoni che usciranno entro la fine dell'anno (di cui parlerò quando entrerò nei processori di aziende specifiche nel prossimo post). Nell'arena mobile, Intel sta spingendo la sua linea di processori Atom, anche se ci sono alcuni tablet Windows che utilizzano la famiglia Core più grande utilizzata anche su laptop e desktop.

Sempre all'interno della famiglia x86, AMD ha mostrato alcuni tablet con CPU x86 a basso consumo. Ancora una volta, discuterò i dettagli più avanti quando parlerò dei produttori specifici. In entrambi i casi, ovviamente, i processori eseguono la versione completa di Microsoft Windows, anche se entrambe le società si rivolgono anche ad Android. Intel in particolare ha fatto una grande spinta per far funzionare nativamente Android sui suoi chip, mentre AMD si è maggiormente focalizzato sull'emulatore BlueStacks per i suoi prodotti x86 mentre si prepara anche a lanciare chip compatibili con ARM entro la fine dell'anno.

Un'altra opzione sarebbero i processori MIPS, una famiglia di processori basata su RISC che è stata acquisita da Imagination Technologies poco più di un anno fa. MIPS ha offerto un'architettura a 64 bit per qualche tempo, come parte della sua linea di core Aptiv. All'inizio di quest'anno, la società ha annunciato la generazione di CPU "Warrior" serie 5, che comprende tre classi di processori MIPS: la serie M per i mercati embedded, la classe I progettata per dispositivi ad alta efficienza e molto integrati; e la classe P progettata per maggiori prestazioni, inclusi i processori di applicazioni. Le nuove funzionalità includono il supporto integrato per la grafica OpenCL e una maggiore sicurezza. L'immaginazione afferma che questi chip utilizzano fino al 40 percento in meno di area rispetto ai loro concorrenti, con un migliore multi-threading per l'uso multi-core.

I processori MIPS hanno avuto un discreto successo in numerosi mercati, inclusi processori di rete e altre applicazioni in tempo reale e set-top box, ma ad oggi non li abbiamo visti in molti tablet o smartphone tradizionali. Una società cinese chiamata Ingenic ha una linea di processori che eseguono l'architettura Xburst basata sul core MIPS precedente, e questo è stato utilizzato in alcuni tablet Android. Qualche tempo fa, ne ho provato uno, ma la società che lo ha realizzato ora sembra concentrarsi su tablet basati su ARM. Tuttavia, è possibile che MIPS possa essere un concorrente in futuro, in particolare con la sua nuova linea di core.