Mobile Bausteine ​​2014: Mobile Kerne

Jedes Jahr nach der CES und dem Mobile World Congress denke ich über die Ankündigungen der Shows nach und was sie für die Zukunft der Prozessoren mobiler Anwendungen bedeuten. Wir haben sicherlich einige interessante Entwicklungen gesehen, einschließlich einer Reihe von 64-Bit-Chip-Ansagen, von denen einige eher auf Telefone mit mittlerer Reichweite ausgerichtet sind, aber neue 32-Bit-Chips schienen am oberen Ende das beliebteste Gesprächsthema zu sein.

Fast jedes Unternehmen, das Chips herstellt, spricht von besseren Grafiken - mit enormen Leistungszuwächsen - und alle sprechen von mehreren Kernen, wobei 4- und sogar 8-Kern-Chips mittlerweile zur Routine werden. Was wir bisher noch nicht gesehen haben, sind wichtige Anwendungsprozessoren, die mit 20-nm-Technologie gebaut wurden (mit Ausnahme derjenigen von Intel, die das Design und die Herstellung der Chips regeln), oder die wirklich neuen High-End-64-Bit-Chips der meisten Player. Infolgedessen sind die Änderungen, die wir in den Chips für die High-End-Telefone in den nächsten Monaten wahrscheinlich sehen werden, möglicherweise nicht sehr groß, selbst wenn die Mid-Range- und Low-End-Telefone aufholen.

Ich werde später in dieser Woche auf die Details der Hauptchips eingehen, möchte aber zunächst auf die grundlegenden Bausteine ​​eingehen, die für die Erstellung von Anwendungsprozessoren erforderlich sind. Anders als in der PC-Welt tendieren Hersteller solcher Prozessoren im Allgemeinen dazu, bei der Erstellung ihrer Produkte zumindest ein Teil des geistigen Eigentums (Intellectual Property, IP) zu verwenden, entweder Architekturlizenzen oder vollständige Kerne. Denken Sie daran, dass ein typischer Anwendungsprozessor heutzutage eine CPU, einen Grafikkern, häufig ein Basisbandmodem und eine Reihe anderer Funktionen umfasst. und viele Hersteller lizenzieren die CPU-Architektur, die Grafik oder möglicherweise beides. Ein typischer Prozessorhersteller kombiniert diese Funktionen, sowohl die, die er selbst erstellt, als auch die, die er lizenziert, um einen bestimmten Chip für einen Zielmarkt zu entwerfen. In diesem Beitrag werde ich über die CPU-Architektur sprechen und morgen einen über Grafikdesign veröffentlichen.

Die vielen Geschmacksrichtungen von ARM-Designs

Die überwiegende Mehrheit der mobilen Anwendungsprozessoren, die Sie heute sehen, verwenden eine Variante der ARM-Architektur. In der Tat gibt ARM in allen Märkten an, dass mehr als 50 Milliarden Prozessoren mit seiner Technologie verkauft wurden, allein 2013 wurden mehr als 10 Milliarden verkauft. Die Telefon- und Tablet-Märkte spielen dabei eine wichtige Rolle. Laut ARM wird auf 95 Prozent der Smartphones weltweit eine Version der Architektur ausgeführt, ARM-Prozessoren sind jedoch auch in vielen anderen Produkten enthalten.

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass ARM keine Prozessoren verkauft. Stattdessen werden IP - einschließlich der eigentlichen Core-Designs und der zugrunde liegenden Basisarchitektur - verkauft, mit deren Hilfe verschiedene Chip-Anbieter, darunter Apple und Qualcomm, einzigartige Cores erstellen. Die Verwendung einer gemeinsamen Architektur - im Grunde genommen des Anweisungssatzes - ermöglicht einen gewissen Grad an Kompatibilität und erleichtert somit die Ausführung von Software auf Chips mehrerer Unternehmen.

Es gibt zwei grundlegende ARM-Architekturen, die wir heute in mobilen Prozessoren sehen - die 32-Bit-ARMv7- und die 64-Bit-ARMv8-Version.

ARMv7 ist seit Jahren der Standard auf dem Telefonmarkt. Dies ist ein 32-Bit-Design, das in einer Vielzahl von Kernen verwendet wird (einschließlich der Cortex-A9-, A7- und A15-Designs von ARM sowie der "Krait" -Architektur von Qualcomm und der Kerne, die in Apple-Prozessoren vor dem A7 verwendet wurden). Der Cortex-A9 war unglaublich beliebt, aber seine Tage scheinen gezählt zu sein. In diesem Jahr gibt es mehr Designs, die entweder einen kleineren, stromsparenderen Cortex-A7 enthalten. oder ein leistungsstärkerer Cortex-A15, der eine höhere Leistung bietet; oder eine Kombination aus beiden in der "big.LITTLE" -Konfiguration von ARM.

Der Cortex-A7 ist eigentlich sehr klein - weniger als einen halben Quadratmillimeter bei einem 28-nm-Prozess - und wurde so konzipiert, dass er viel weniger Strom verbraucht. weniger als 100 Milliwatt im Vergleich zu einem Spitzenwert von 200 bis 300 Milliwatt für einen A9 und bis zu 500 Milliwatt für einen A15. Cortex-A15 bietet Unterstützung für einen physischen 40-Bit-Adressraum, obwohl einzelne Anwendungen nur auf 32 Bit zugreifen können. Letzten Sommer stellte ARM den A12 vor, der als Ersatz für den A9 gedacht war. Er sei bis zu 40 Prozent schneller als ein A9 und würde in den Raum zwischen dem A7 und dem A15 passen. Anfang des Jahres kündigte das Unternehmen eine aktualisierte Version mit dem Namen Cortex-A17 an, die eine höhere Effizienz und 60 Prozent mehr Leistung als die Cortex-A9 bieten soll. (Bisher hat nur MediaTek einen Telefonprozessor angekündigt und Realtek einen TV-Prozessor, der den A17 verwendet.) ARM ist der Ansicht, dass der A17 das letzte seiner 32-Bit-Designs ist und eine lange Lebensdauer in Anwendungen wie TVs und hat Verbraucherprodukte, während schließlich der Großteil des Mobilfunkmarktes auf 64-Bit-Designs umstellt.

Eine Reihe von Unternehmen hat A7s und A15s (oder in jüngerer Zeit A7s und A17s) zu dieser big.LITTLE-Kombination zusammengefasst, die es einem Chip ermöglicht, die Kerne mit niedrigerer Leistung die meiste Zeit laufen zu lassen und den Chip auf die höhere Leistung umzuschalten Kerne, wenn zusätzliche Leistung benötigt wird, beispielsweise beim Ausführen einer komplexen Berechnung innerhalb eines Spiels oder sogar bei kompliziertem JavaScript auf einer Webseite. In einigen dieser Designs kann entweder der Block der A7-Kerne oder der Block der A15-Kerne gleichzeitig aktiv sein. In anderen Fällen können alle Kerne gleichzeitig arbeiten.

Wiederum ist es wahrscheinlich, dass die meisten zukünftigen mobilen Chips, die mit ARM-Kernen entworfen wurden, auf die 64-Bit-Architektur umsteigen werden, obwohl wir in den frühen Tagen dieser Migration zu sein scheinen. Der ARMv8-Befehlssatz wird anscheinend in Apples A7-Prozessor verwendet, der in iPhone 5s und iPad Air zu finden ist, und es wird erwartet, dass er auch in einer Reihe anderer proprietärer Designs verwendet wird. Selbstverständlich verfügt ARM über zwei Kerne, die mit dieser Architektur angekündigt wurden: einen kleineren Cortex-A53 und einen leistungsstärkeren Cortex-A57, die ebenfalls in einer big.LITTLE-Konfiguration kombiniert werden können. Die 64-Bit-Version ist abwärtskompatibel, enthält jedoch größere Register für allgemeine Zwecke und Medienanweisungen (was sie bei einigen Vorgängen beschleunigen könnte) sowie Unterstützung für Speicher über 4 GB (besonders wichtig bei Serveranwendungen). und neue Verschlüsselungs- und Kryptografieanweisungen.

Der Cortex-A53-Kern ist etwas weiter entfernt, und Unternehmen wie MediaTek, Qualcomm und Marvell kündigen Chips mit mehreren A53-Kernen an. ARM geht davon aus, dass die ersten Chips in diesem Sommer herauskommen werden. Der A57 dürfte deutlich leistungsstärker sein, und ARM geht davon aus, dass mobile Chips mit diesem Kern im Laufe des Jahres erhältlich sein werden. (AMD hat einen Serverchip mit der A57-Architektur angekündigt, der gegen Ende des Jahres die volle Produktion aufnehmen soll.)

ARM bietet in seiner M-Serie auch eine Reihe kleinerer Kerne an, die in Mikrocontrollern und anderen Geräten verwendet werden. Diese lassen keine eigenen Anwendungsprozessoren laufen, werden jedoch möglicherweise in mehreren anderen Chips des mobilen Ökosystems verwendet und werden zunehmend verwendet, um mobile SoCs intelligenter zu machen. Zum Beispiel hat Apples A7 SoC einen M7 Motion Coprozessor, der angeblich auf dem ARM Cortex-M3 basiert und von NXP hergestellt wird, und der Motorola X8 SoC in der Moto X kombiniert eine Snapdragon S4 Pro Dual-Core-CPU mit zwei stromsparenden Coprozessoren auf Basis von Texas Instruments DSPs für die Verarbeitung natürlicher Sprache und für das Kontext-Computing.

Wie bereits erwähnt, verfügen einige Unternehmen über eine sogenannte "Architekturlizenz", die es ihnen ermöglicht, ihre eigenen Kerne mithilfe des Befehlssatzes zu erstellen, mit dem sie ihrer Meinung nach Chips herstellen können, die sich durch eine bessere Leistung vom Markt abheben. Energieverwaltung oder beides. Dazu gehören Unternehmen wie Qualcomm, Marvell, Nvidia und Apple. Auf der anderen Seite können Unternehmen durch das Angebot von Standardkernen Designs schneller und einfacher erstellen. Viele der Unternehmen, die über eine Architekturlizenz verfügen, verwenden in einigen Produkten Standard-ARM-Kerne. Insbesondere verfügt Qualcomm jetzt über einige Versionen der Snapdragon-Prozessoren, die Krait-Kerne verwenden, während andere Standard-ARM-Kerne verwenden.

Intel und MIPS bieten Alternativen

Während ARM weiterhin den Markt für mobile Prozessoren dominiert, hat Intel ebenfalls einen großen Schub gemacht, obwohl die meisten Erfolge bei Tablets mit Windows und einigen mit Android zu verzeichnen sind. Intels aktuelles Angebot scheint eher auf Tablets als auf Telefone ausgerichtet zu sein, obwohl das Unternehmen zwei neue Prozessoren hat, die besser für Telefone geeignet zu sein scheinen, die später in diesem Jahr herauskommen (worauf ich im nächsten Beitrag noch näher eingehen werde). Auf dem Gebiet der Mobilgeräte stellt Intel seine Atom-Prozessoren vor, obwohl es einige Windows-Tablets gibt, die die größere Core-Familie verwenden, die auch in Laptops und Desktops verwendet wird.

Auch innerhalb der x86-Familie hat AMD einige Tablets vorgestellt, auf denen x86-basierte CPUs mit geringerer Leistung ausgeführt werden. Ich werde später noch einmal auf Details eingehen, wenn ich über die einzelnen Hersteller spreche. In beiden Fällen wird auf den Prozessoren natürlich die Vollversion von Microsoft Windows ausgeführt, obwohl beide Unternehmen jetzt auch Android ansprechen. Insbesondere Intel hat große Anstrengungen unternommen, um Android nativ auf seinen Chips laufen zu lassen, während sich AMD verstärkt auf den BlueStacks-Emulator für seine x86-Produkte konzentriert, da die Einführung von ARM-kompatiblen Chips im Laufe dieses Jahres vorbereitet wird.

Eine weitere Option wären MIPS-Prozessoren, eine auf RISC basierende Prozessorfamilie, die vor etwas mehr als einem Jahr von Imagination Technologies erworben wurde. MIPS bietet seit einiger Zeit eine 64-Bit-Architektur als Teil seiner Aptiv-Kernserie an. Anfang dieses Jahres kündigte das Unternehmen seine "Warrior" -CPU-Generation der Serie 5 an, die drei Klassen von MIPS-Prozessoren umfasst: die M-Serie für eingebettete Märkte, die I-Klasse für hocheffiziente und sehr integrierte Geräte; und die P-Klasse für mehr Leistung, einschließlich Anwendungsprozessoren. Zu den neuen Funktionen gehören die integrierte Unterstützung von OpenCL-Grafiken und eine verbesserte Sicherheit. Laut der Vorstellung belegen diese Chips bis zu 40 Prozent weniger Fläche als ihre Konkurrenten, wobei Multi-Threading für Multi-Core-Anwendungen besser ist.

MIPS-Prozessoren waren in einer Reihe von Märkten recht erfolgreich, darunter Netzwerkprozessoren und andere Echtzeitanwendungen und Set-Top-Boxen. Bisher haben wir sie jedoch in vielen herkömmlichen Tablets oder Smartphones noch nicht gesehen. Eine chinesische Firma namens Ingenic verfügt über eine Reihe von Prozessoren, auf denen die Xburst-Architektur auf der Grundlage des früheren MIPS-Kerns ausgeführt wird. Dies wurde in einigen Android-Tablets verwendet. Vor einiger Zeit habe ich eines ausprobiert, aber das Unternehmen, das es hergestellt hat, scheint sich nun auf ARM-basierte Tablets zu konzentrieren. Dennoch ist es möglich, dass MIPS in Zukunft ein Konkurrent sein wird, insbesondere mit seiner neuen Kernserie.