Mobila byggstenar 2014: mobilkärnor

Varje år efter CES och Mobile World Congress funderar jag på programmeddelanden och vad de betyder för framtiden för mobilapplikationsprocessorer. Vi har säkert sett en del intressanta utvecklingar, inklusive en uppsättning 64-bitars chipmeddelanden, av vilka några riktar sig mer till mellantelefoner, men nya 32-bitars chips verkade vara det mest populära konversationsämnet i slutändan.

Nästan varje företag som tillverkar chips talar om bättre grafik - med stora resultatutvecklingar - och alla talar om flera kärnor, med 4- och till och med 8-kärniga chips som nu blir rutinmässiga. Det vi ännu inte har sett är några större applikationsprocessorer byggda med 20nm-teknik (utom de från Intel, som styr design och tillverkning för sina chips), och inte heller nya high-end 64-bitars chips från de flesta spelarna. Som ett resultat kan de förändringar som vi sannolikt kommer att se i chips för de högsta telefonerna under de närmaste månaderna kanske inte vara enorma, inte ens när mellantelefonen och low-end-telefonerna hamnar.

Jag kommer att diskutera detaljerna om de stora chips senare den här veckan, men jag skulle vilja börja med att prata om de grundläggande byggstenarna som skapar applikationsprocessorer. Till skillnad från i PC-världen brukar tillverkare av sådana processorer i allmänhet använda åtminstone vissa immateriella rättigheter (antingen arkitektoniska licenser eller fullständiga kärnor) för att skapa sina produkter. Kom ihåg att en typisk applikationsprocessor idag innehåller en CPU, grafikkärna, ofta ett basbandmodem och en mängd andra funktioner; och många tillverkare licensierar CPU-arkitekturen, grafiken eller eventuellt båda. En typisk processor tillverkare kommer att kombinera dessa funktioner, både de de skapar själva och de de licensierar, för att designa ett specifikt chip för en målmarknad. I det här inlägget kommer jag att prata om CPU-arkitektur, följ sedan i morgon med en om grafisk design.

ARM-designens många smaker

De allra flesta mobila applikationsprocessorer som du ser idag kör en variant av ARM-arkitekturen. På alla marknader hävdar ARM att mer än 50 miljarder processorer som använder dess teknik har sålts, med mer än 10 miljarder sålda under 2013 ensam. Telefon- och surfplattamarknaderna är en betydande del av detta, med ARM som hävdar att 95 procent av världens smartphones har någon version av sin arkitektur, men ARM-processorer finns också i många andra produkter.

Men det är viktigt att förstå att ARM faktiskt inte säljer processorer; istället säljer den IP - inklusive faktiska kärnkonstruktioner och den grundläggande underliggande arkitekturen, som flera chipleverantörer inklusive Apple och Qualcomm använder för att skapa unika kärnor. Att använda en gemensam arkitektur - effektivt instruktionsuppsättningen - möjliggör en grad av kompatibilitet och gör det därmed lättare att få programvara att köra på chips från flera företag.

Det finns två grundläggande ARM-arkitekturer som vi ser i mobila processorer idag - 32-bitars ARMv7 och 64-bitars ARMv8-version.

ARMv7 har varit standarden på telefonmarknaden i flera år. Detta är en 32-bitars design som används i en mängd kärnor (inklusive ARM: s Cortex-A9, A7 och A15-design, samt Qualcomms "Krait" -arkitektur och kärnorna som används i Apple-processorer före A7). Cortex-A9 har varit oerhört populär, men dess dagar verkar numrerade. I år ser vi fler mönster som innehåller antingen en mindre, mer energieffektiv Cortex-A7; eller en kraftfullare Cortex-A15, som ger högre prestanda; eller en kombination av de två i det ARM kallar sin "big.LITTLE" -konfiguration.

Cortex-A7 är faktiskt väldigt liten - mindre än en halv kvadrat millimeter vid en 28nm process - och var utformad för att använda mycket mindre kraft; mindre än 100 milliwatt jämfört med en topp på 200 till 300 milliwatt för en A9, och upp till 500 milliwatt för en A15. Cortex-A15 lägger till stöd för ett 40-bitars fysiskt adressutrymme, även om enskilda applikationer bara kan komma åt 32 bitar. Förra sommaren introducerade ARM A12, tänkt att vara en ersättning för A9 och sa att den var upp till 40 procent snabbare än en A9 och skulle passa in i utrymmet mellan A7 och A15. Tidigare i år tillkännagav företaget en uppgraderad version som heter Cortex-A17, som det säger borde erbjuda bättre effektivitet och 60 procent mer prestanda än Cortex-A9. (Hittills har bara MediaTek meddelat en telefonprocessor och Realtek en TV-processor som använder A17.) ARM anser att A17 är den sista av sina 32-bitarskonstruktioner och är tänkt att ha en lång livslängd i applikationer som TV-apparater och konsumentprodukter, medan så småningom huvuddelen av mobilmarknaden byter till 64-bitars design.

Ett antal företag har kombinerat A7 och A15 (eller senare A7 och A17) i den stora.LITTLE-kombinationen, vilket gör det möjligt för ett chip att ha lägre effektkärnor som körs mest av tiden och chipet byter till högre effekt kärnor när den behöver extra prestanda, kanske när du kör en komplex beräkning i ett spel, eller till och med komplicerat JavaScript på en webbsida. I några av dessa konstruktioner kan antingen blocket med A7-kärnor eller A15-kärnorna vara aktiva samtidigt; i andra kan alla kärnor fungera på en gång.

Återigen verkar det troligt att de flesta av de framtida mobilchips designade med ARM-kärnor kommer att flytta till 64-bitarsarkitekturen, även om vi verkar vara i de tidiga dagarna av den migrationen. ARMv8-instruktionsuppsättningen verkar användas i Apples A7-processor, som finns i iPhone 5s och iPad Air, och förväntas också vara i ett antal andra egna konstruktioner. Och naturligtvis har ARM två kärnor som den har meddelat med hjälp av denna arkitektur: en mindre Cortex-A53 och en kraftfullare Cortex-A57, igen med möjligheten att kombinera dem i en stor.LITTLE konfiguration. 64-bitarsversionen är bakåtkompatibel, men innehåller större register för allmänna syften och mediainstruktioner (vilket kan göra det snabbare i vissa operationer), stöd för minne utöver 4 GB (särskilt viktigt i serverapplikationer); och nya krypterings- och kryptografinstruktioner.

Cortex-A53-kärnan ligger lite längre, med företag som MediaTek, Qualcomm och Marvell som alla annonserar chips med flera A53-kärnor. ARM säger att de förväntar sig att de första sådana marker kommer att vara ute i sommar. A57 borde vara mer kraftfull, och ARM förväntar sig att mobilchips med den kärnan ska vara ute senare under året. (AMD har tillkännagett ett serverchip med A57-arkitekturen, på grund av att den kommer i full produktion mot slutet av året.)

ARM erbjuder också ett antal mycket mindre kärnor som används i mikrokontroller och andra enheter i sin M-serie; dessa skulle inte köra applikationsprocessorer på egen hand, men kan komma att användas i flera andra marker i det mobila ekosystemet och används alltmer för att göra mobila SoC: er smartare. Till exempel har Apples A7 SoC en M7-rörelsecoprocessor enligt uppgift baserad på ARM Cortex-M3 och tillverkad av NXP, och Motorola X8 SoC i Moto X kombinerar en Snapdragon S4 Pro dual-core CPU med två lågkraftscoprocessorer baserade på Texas Instruments DSP: er för naturlig språkbearbetning och sammanhangsberäkning.

Som nämnts tidigare har ett antal företag det som kallas en "arkitektonisk licens", som gör det möjligt för dem att skapa sina egna kärnor med hjälp av instruktionsuppsättningen, som de tror gör att de kan göra chips som sticker ut för marknaden genom bättre prestanda, strömhantering, eller båda. Dessa inkluderar företag som Qualcomm, Marvell, Nvidia och Apple. Å andra sidan, genom att erbjuda standardkärnor kan företagen skapa design snabbare och lättare; många av de företag som har en arkitektonisk licens använder standard ARM-kärnor i vissa produkter. Noterbart har Qualcomm nu några versioner av sin Snapdragon-serie av processorer som använder sina Krait-kärnor, medan andra använder standard ARM-kärnor.

Intel och MIPS erbjuder alternativ

Medan ARM fortsätter att dominera marknaden för mobilprocessorer har Intel gjort ett stort tryck också, även om de flesta av sina framgångar kommer i surfplattor som kör Windows och några få Android. Intels nuvarande erbjudande verkar mer riktad mot surfplattor än telefoner, även om företaget har två nya processorer som verkar bättre lämpade för telefoner som kommer ut senare i år (som jag kommer att diskutera när jag kommer in i processorer från specifika företag i nästa inlägg). På mobilarenan driver Intel sin Atom-serie av processorer, även om det finns vissa Windows-surfplattor som använder den större Core-familjen som också används i bärbara datorer och stationära datorer.

Även inom x86-familjen har AMD visat några tabletter som kör sin x86-baserade CPU: er med lägre effekt. Återigen kommer jag att diskutera detaljer senare när jag pratar om de specifika tillverkarna. I båda fallen kör naturligtvis processorerna den fullständiga versionen av Microsoft Windows, även om båda företagen nu också adresserar Android. Speciellt Intel har gjort ett stort tryck för att få Android att köra på sina chips, medan AMD har mer fokuserat på BlueStacks-emulatorn för sina x86-produkter eftersom den också förbereder sig för att lansera ARM-kompatibla chips senare i år.

Ett annat alternativ skulle vara MIPS-processorer, en RISC-baserad familj av processorer som förvärvades av Imagination Technologies för lite över ett år sedan. MIPS har erbjudit en 64-bitarsarkitektur under en tid, som en del av Aptiv-kärnan. Tidigare i år tillkännagav företaget sin serie 5 "Warrior" CPU-generation, som inkluderar tre klasser av MIPS-processorer - M-serien för inbäddade marknader, I-klassen designad för hög effektivitet och mycket integrerade enheter; och P-klassen utformad för mer prestanda, inklusive applikationsprocessorer. Nya funktioner inkluderar integrerat stöd för OpenCL-grafik och förbättrad säkerhet. Fantasi säger att dessa marker använder upp till 40 procent mindre area än sina konkurrenter, med bättre multigängning för flerkärnig användning.

MIPS-processorer har varit ganska framgångsrika på ett antal marknader, inklusive nätverksprocessorer och andra realtidsapplikationer och set-top-boxar, men hittills har vi inte sett dem i många traditionella surfplattor eller smartphones. Ett kinesiskt företag som heter Ingenic har en rad processorer som kör Xburst-arkitekturen baserad på den tidigare MIPS-kärnan, och den användes i vissa Android-surfplattor. För en stund tillbaka testade jag en, men företaget som nu gjorde det verkar fokusera på ARM-baserade tabletter. Det är fortfarande möjligt att MIPS kan vara en konkurrent i framtiden, särskilt med sin nya serie kärnor.