Mobile Chiphersteller: die Grundbausteine

Während Sie argumentieren können, dass der Markt für Desktop- und Notebook-Prozessoren in letzter Zeit relativ begrenzt und vorhersehbar geworden ist, bleibt der Markt für Anwendungsprozessoren für Mobiltelefone und Tablets mit mehr als einem Dutzend Mitbewerbern ein äußerst dynamischer Markt. Diese Prozessoren entwickeln sich recht schnell, und die große Neuerung des letzten Jahres - Quad-Core-Anwendungsprozessoren - wird in diesem Jahr alltäglich.

Ich habe verfolgt, wohin die Prozessoren gehen und wie sie sich im kommenden Jahr entwickeln sollen. In den nächsten Beiträgen werde ich auf die spezifischen Prozessoren eingehen, aber schauen wir uns zunächst die Komponenten an, die in den Chips enthalten sind.

Die Grundbausteine

Alle mobilen Prozessoren enthalten sowohl CPU-Kerne als auch Grafikkerne. Die meisten enthalten einige Konnektivitätsfunktionen und / oder Basisbandhardware für die Verbindung mit einem Mobilfunknetz. (Selbst dann benötigen Telefone normalerweise einen separaten HF-Chip für Verbindungen sowie einen separaten Konnektivitätschip für Wi-Fi und Bluetooth.)

Ein Grund für die starke Konkurrenz im mobilen Bereich ist, dass die überwiegende Mehrheit der Prozessoren für Telefone und Tablets auf einer Iteration der ARM-Architektur basiert, entweder auf Kernen, die von ARM Holdings selbst entworfen wurden, oder auf benutzerdefinierten Kernen, die unter Verwendung von a erstellt wurden "Architekturlizenz", insbesondere einschließlich Qualcomm (mit seinem "Krait" -Kern) und Apple im mobilen Bereich.

Natürlich gibt es konkurrierende Architekturen. Intel versucht, die bei Desktops und Notebooks so beliebte x86-Architektur voranzutreiben, und Imagination Technologies verfügt auch über die kürzlich erworbene MIPS-Architektur (dazu später mehr). Trotzdem dominiert ARM den Markt für mobile CPU-Kerne.

Die Grafik ist etwas vielfältiger. Der bekannteste Drittanbieter von Grafik-IP ist Imagination Technologies. Die Power VR-Familie wird in einer Vielzahl von Prozessoren verwendet, darunter auch Prozessoren von Intel und Apple. ARM konkurriert mit seiner Mali-Familie von Grafikkernen, und eine Reihe von Chipherstellern erstellen ihre eigenen Grafiken, darunter Qualcomm mit seiner Adreno-Grafik und Nvidia mit seiner GeForce-Grafik.

ARM-Kerne überall

ARM stellt tatsächlich eine Reihe verschiedener Kerne her, angefangen von winzigen kleinen Kernen, die in allen Arten von Geräten verwendet werden, bis hin zur Cortex-Serie, die typischerweise in mobilen Prozessoren zu finden ist. Auch hier gibt es eine Vielzahl von Optionen, die vom Cortex-A9 (das in den meisten heutigen Telefonen verwendet wird) bis zum neuen, leistungsstärkeren Cortex-A15 und dem winzigen, stromsparenden Cortex-A7 reichen.

Der Cortex-A9 war in den letzten Jahren das Herz der meisten Anwendungskerne von Drittanbietern, obwohl dieses Jahr viele Hersteller von Anwendungsprozessoren auf neue Designs umsteigen. Viele basieren auf dem Cortex-A15, der für eine höhere Leistung ausgelegt ist, und / oder dem Cortex-A7, der für einen geringeren Stromverbrauch ausgelegt ist. Der A15 verfügt über einen physischen 40-Bit-Adressraum, obwohl einzelne Threads nur auf 32-Bit zugreifen können, und bietet eine neue Architektur, die leistungsfähiger sein sollte. Broadcom, Nvidia, Samsung, ST-Ericsson und Texas Instruments haben Pläne für Prozessoren angekündigt, die diesen Kern verwenden.

Der Cortex-A7 ist interessant, da er deutlich weniger Strom verbraucht und deutlich kleiner ist als der Cortex-A9. Wie Sie in der obigen Tabelle sehen können, kann eine 28-nm-Implementierung des Cortex-A7 winzig sein - weniger als ein halber Quadratmillimeter - und nur etwa ein Drittel der Leistung eines 40-nm-Cortex-A9 verbrauchen. Obwohl es durch die Implementierung ein wenig variieren kann, wird erwartet, dass jeder A7-Kern im Allgemeinen weniger als 100 Milliwatt Leistung verbraucht, verglichen mit einer 200- bis 300-Milliwatt-Spitze für einen A9 und bis zu 500 Milliwatt für einen A15.

Der größte Schub von ARM ist jedoch die so genannte big.LITTLE-Architektur, bei der A7 und A15 gepaart werden. In einem solchen Design könnte ein Chip mehrere Kerne in jeder Architektur aufweisen, wobei die Kerne mit geringerer Leistung die meiste Zeit ausgeführt werden und der Chip zu den Kernen mit höherer Leistung wechselt, wenn er die zusätzliche Leistung benötigt, möglicherweise während eine komplexe Berechnung ausgeführt wird ein Spiel oder sogar kompliziertes JavaScript in einer Webseite.

Zu den derzeit angekündigten Lizenznehmern der kombinierten Architektur zählen CSR, Fujitsu, MediaTek, Renesas Mobile und Samsung Electronics. Die erste Ankündigung war Samsungs Exynos 5 Octa, aber andere Hersteller wie Renesas scheinen dicht dahinter zu sein. ARM zeigte auf der Messe, wie mit der big.LITTLE-Kombination Energie gespart werden kann.

Auf die A15 und A7 folgen die Cortex-A57 und A53, die ebenfalls zu einem großen KLEINEN Schema zusammengefasst werden. Der A53 mit niedrigem Stromverbrauch läuft die meiste Zeit, der A57 ist jedoch verfügbar, wenn mehr Strom benötigt wird. Beide Prozessoren sind 64-Bit-fähig. Zunächst werden sie mit 32-Bit-Betriebssystemen ausgeführt, die nicht mehr als 4 GB adressieren können. Dies ist in den meisten Fällen das Limit für 32-Bit-Prozessoren. (Diese Kerne finden auch Eingang in Prozessoren, die auf den Servermarkt ausgerichtet sind, wo größerer Arbeitsspeicher erforderlich ist.)

Wir sehen aber nicht nur einen Ansatz. Es scheint, dass jeder Prozessoranbieter einen anderen Ansatz für seine High-End-Prozessoren hat. Samsung und Renesas bieten vier A15 und vier A7 an. Nvidia pusht vier A15 mit voller Leistung und einen Kern mit geringem Stromverbrauch. MediaTek und andere verwenden lediglich vier A7. ST-Ericsson fördert A9-Kerne mit einer höheren Geschwindigkeit.

Und dann gibt es die Firmen, die "Architekturlizenzen" haben. Diese ermöglichen es den Firmen im Wesentlichen, Kerne zu erstellen, die einzigartige Merkmale aufweisen, aber dennoch mit der ARM-Architektur kompatibel sind. Diese Architektur - im Grunde genommen der Befehlssatz - hat selbst mehrere Variationen gehabt, wobei A9, A7 und A15 allesamt das verwenden, was als ARMv7 bekannt ist. Die kommenden A53 und A57 verwenden eine neuere Variante, die 64-Bit-Computing unterstützt (ARMv8).

Viele Unternehmen verfügen über Architekturlizenzen. Das vielleicht bekannteste ist Qualcomm, das in den meisten seiner aktuellen Prozessoren seinen "Krait" -Kern verwendet (obwohl es im unteren Bereich A7s verwendet). Krait ist ein ARMv7-kompatibler Kern. Marvell entwirft seine eigenen Kerne in der Armada-Prozessorserie. Apple legt die meisten Details seiner Prozessoren nicht offen, es wird jedoch angenommen, dass es eigene Kerne für seine A6- und A6X-Prozessoren für das iPhone und iPad entwickelt hat. Die ersten ARMv8-kompatiblen Prozessorkerne befinden sich wahrscheinlich in Serverchips wie dem AppliedMicro X-Gene, aber es ist wahrscheinlich, dass viele der anderen Unternehmen, die ARM-kompatible Kerne herstellen, diesem Beispiel folgen werden. Zum Beispiel hat Nvidia Pläne angekündigt, einen eigenen Core mit dem Namen "Project Denver" für einen mobilen Prozessor zu entwickeln, der im Jahr 2015 erscheinen soll.

Die x86- und MIPS-Alternativen

Während die ARM-Architektur Mobiltelefone und Tablets dominiert, gibt es Alternativen. Intel hat in letzter Zeit mit einer Reihe von Produkten und einer Roadmap für seine Atom-Familie, die sich an mobile Geräte richtet, am meisten Lärm gemacht. Das Unternehmen präsentierte auf der CES im Januar einen neuen Prozessor für das untere Ende des Smartphone-Marktes, den Z2420 (Codename Lexington), und stellte auf dem Mobile World Congress seine Clover Trail + -Plattform vor, die von der Dual-Core / Four-Core-Plattform geführt wird. Thread Atom Z2580, läuft mit bis zu 2 GHz.

Während das Unternehmen bereits seit einiger Zeit Atom-basierte Telefone vorstellt, haben es solche Telefone erst im vergangenen Jahr wirklich auf den Markt gebracht. Intel gibt an, dass es mittlerweile in mehr als 20 Ländern 10 Mobiltelefondesigns auf der Basis seines Atom-Chips gibt, und wirbt für Funktionen wie die Unterstützung von HDR-Kameras ohne Bewegungsunschärfe. Die aktuellen Atom-Prozessoren von Intel werden mit 32-nm-Technologie hergestellt. Das Unternehmen plant jedoch, gegen Ende des Jahres auf die 22-nm-FinFET-Technologie umzusteigen, die in seinen Core-Prozessoren zum Einsatz kommt. Natürlich hat Intel das Notebook-Segment lange Zeit dominiert und auch in diesem Jahr einige Fortschritte bei Atom- und Core-basierten Tablets und Convertibles erzielt. Ich werde die Details besprechen, wenn ich im nächsten Beitrag zu den einzelnen Prozessoranbietern komme.

Intels traditioneller Rivale bei x86-Prozessoren, AMD, war ebenfalls auf dem Mobile World Congress vertreten und zeigte Temash, seinen neuen Prozessor für Windows-Tablets und -Hybride. Dies wird sowohl in der Dual-Core- als auch in der Quad-Core-Version verfügbar sein. AMD zeigte Demos, wie es die vorhandene Clover Trail-Plattform übertraf. Dies wird voraussichtlich in der ersten Jahreshälfte 2013 herauskommen. AMD verfügt noch nicht über eine Telefonplattform.

Die andere CPU-Architektur, die wir bei Mobilgeräten gesehen haben, stammt von MIPS, das kürzlich von Imagination Technologies übernommen wurde. MIPS bietet mit seiner Aptiv-Familie von Prozessorkernen drei Stufen, einschließlich der Pro-Aptiv-Reihe für Anwendungsprozessoren. Imaginationsbeamte stellen fest, dass MIPS seit 20 Jahren 64-Bit-Kerne verkauft, und sagen, das Unternehmen habe sich zum Ziel gesetzt, in den nächsten vier bis fünf Jahren 25 Prozent aller CPU-Kerne auszuliefern. Derzeit ist der Großteil der MIPS-Prozessoren auf Märkte wie Netzwerke, Infrastruktur und Set-Top-Boxen spezialisiert. Ingenic stellt jedoch einen Prozessor für mobile Geräte her, und das Unternehmen geht davon aus, dass in diesem Bereich weitere Akzente gesetzt werden. MIPS hat kürzlich eine neue Version der Architektur mit dem Namen V5 angekündigt. Die ersten Chips werden voraussichtlich noch in diesem Jahr verfügbar sein.

Grafik: Überraschender Wettbewerb

Wenn ARM in mobilen Anwendungskernen dominiert, hat Imagination Technologies in mobilen Grafikkernen dominiert, obwohl es einem zunehmenden Wettbewerb ausgesetzt war.

Imagination wird heute hauptsächlich durch die PowerVR-Serie 5 dargestellt, einschließlich der 5XT-Erweiterung, die einige Funktionen für OpenGL ES 3.0 bietet. Das High-End ist heute der SGX 544MP4 - die "4" gibt die Anzahl der Grafikkerne an. Viele Unternehmen unterstützen Imagination-Grafiken, darunter Apple, Intel, MediaTek, ST-Ericsson, Ingenic, Allwinner und Texas Instruments. Obwohl Apple dies im Allgemeinen nicht bestätigt, verfügt der aktuelle A6X-Prozessor des iPads über eine PowerVR SGX 554MP4-Grafikkarte mit vier Kernen. (Imagination zeigte dies an seinem Stand auf dem Mobile World Congress.) Das Unternehmen bestätigte später, dass das Samsung Exynos 5410 Octa auch diese Grafiken verwendet.

In Zukunft stellt das Unternehmen die PowerVR-Serie 6 vor, die DirectX 10 und Open GL ES 3.0 nativ unterstützen wird. Dies wird mit einem bis sechs Grafikclustern angeboten, die vom G6100 bis zum 6630 der Spitzenklasse reichen. Imagination gibt an, 10 Lizenznehmer für VR6-Grafiken zu haben.

Imagination forciert auch eine separate Grafikfunktion in Form seiner PowerVR-Videokerne, die Videodecodierung und -codierung umfasst. Das Unternehmen gibt an, dass seine Lizenznehmer mehr als 500 Millionen dieser Kerne ausgeliefert haben.

Unter den lizenzierbaren Grafiken ist ARM der größte Konkurrent von Imagination, der seine Mali-GPUs (Grafikprozessorkerne) anbietet. ARM gibt an, 75 Lizenznehmer für diese Technologie zu haben, und geht davon aus, dass 2013 240 Millionen Prozessoren mit dieser Technologie ausgeliefert werden. Das Unternehmen hat insbesondere die Verwendung der Kombination für Aufgaben wie GPU-Computing, Demonstration von Computerfotografie, Gesichtserkennung und Computeranalyse hervorgehoben. und Echtzeit-Gaming.

Innerhalb der Mali-Familie gibt es mehrere Abstufungen, darunter die Mali-400- und -450-Familien, die sich hauptsächlich an Smartphones für den Massenmarkt richten, und die Mali-T600-Familie, die sich mehr an das High-End-Segment richtet.

Zu den Unternehmen, die Mali-Kerne verwenden, gehören Samsung Electronics, Leadcore, MediaTek, Spreadtrum, ST-Ericsson, AllWinner und Rockchip. Wenn Sie eine Überschneidung mit der Imaginationsliste bemerken, liegt dies daran, dass einige Unternehmen unterschiedliche Grafiken in verschiedenen Prozessoren verwenden.

Aber die vielleicht größte Konkurrenz zu lizenzierbaren Grafikkernen sind die einzigartigen Grafiken, die viele Hersteller von Anwendungsprozessoren verwenden. Qualcomm war wahrscheinlich das erfolgreichste Unternehmen, das seine Adreno-Grafiken ausgiebig in seiner Snapdragon-Prozessorfamilie einsetzte. Dies gibt es auch in verschiedenen Geschmacksrichtungen, je nachdem, für welchen Markt der Chip bestimmt ist. Nvidia hat wahrscheinlich am meisten daran gearbeitet, Grafiken als Unterscheidungsmerkmal zu verwenden. Dabei ging es um die GeForce-Grafik und darum, wie das Erbe der PC-Spiele auf mobile Prozessoren übertragen wurde. Broadcom hat auch eine eigene Multimediatechnologie namens VideoCore.

Ich werde in meinem nächsten Beitrag mehr über die spezifischen Chiphersteller berichten.