Video: How Do CPUs Use Multiple Cores? (Listopad 2024)
Každý rok po CES a mobilním světovém kongresu přemýšlím o představení show ao tom, co znamenají pro budoucnost mobilních aplikačních procesorů. Určitě jsme viděli některé zajímavé události, včetně sady 64bitových oznámení o čipech, z nichž některé jsou zaměřeny spíše na telefony střední třídy, ale nové 32bitové čipy se zdály nejoblíbenějším tématem konverzace na špičkové úrovni.
Téměř každá společnost, která vyrábí čipy, hovoří o lepší grafice - s obrovským nárůstem výkonu - a všichni mluví o více jádrech, přičemž 4 až 8jádrové čipy se nyní stávají rutinou. To, co jsme dosud neviděli, jsou žádné hlavní procesory aplikací postavené pomocí technologie 20nm (kromě procesorů Intel, které řídí návrh a výrobu svých čipů), ani opravdu nové špičkové 64bitové čipy od většiny hráčů. V důsledku toho změny, které pravděpodobně uvidíme na čipech u telefonů s nejvyšším koncem v příštích několika měsících, nemusí být obrovské, a to i v případě, že telefony středního a dolního konce dohoní.
Podrobnosti o hlavních čipech budu diskutovat později tento týden, ale rád bych začal mluvením o základních stavebních blocích, které se týkají vytváření procesorů aplikací. Na rozdíl od světa počítačů obecně mají výrobci takových procesorů při vytváření svých produktů tendenci používat alespoň nějaké duševní vlastnictví (IP), buď architektonické licence nebo plná jádra. Připomeňme, že typický aplikační procesor dnes zahrnuje procesor, grafické jádro, často modem v základním pásmu a řadu dalších funkcí; a mnoho výrobců licencuje architekturu CPU, grafiku nebo potenciálně obojí. Typický zpracovatel procesor bude kombinovat tyto funkce, a to jak ty, které sami vytvoří, a ty, na které udělují licenci, aby navrhl konkrétní čip pro cílový trh. V tomto příspěvku budu hovořit o architektuře CPU a poté zítra následovat grafický design.
Mnoho příchutí návrhů ARM
Drtivá většina mobilních aplikačních procesorů, které dnes vidíte, provozuje nějakou variantu architektury ARM. Ve skutečnosti na všech trzích ARM tvrdí, že bylo prodáno více než 50 miliard procesorů využívajících tuto technologii, přičemž více než 10 miliard bylo prodáno pouze v roce 2013. Trhy s telefonem a tablety jsou významnou součástí, přičemž ARM tvrdí, že 95 procent světových smartphonů provozuje nějakou verzi své architektury, ale procesory ARM jsou také v mnoha dalších produktech.
Je však důležité pochopit, že ARM ve skutečnosti prodává procesory; místo toho prodává IP - včetně skutečných základních návrhů a základní základní architektury, kterou několik dodavatelů čipů, včetně společností Apple a Qualcomm, používá k vytvoření jedinečných jader. Použití společné architektury - efektivně sada instrukcí - umožňuje určitý stupeň kompatibility, a tak usnadňuje spuštění softwaru na čipech od více společností.
V mobilních procesorech dnes vidíme dvě základní architektury ARM - 32bitovou verzi ARMv7 a 64bitovou verzi ARMv8.
ARMv7 je standardem na telefonním trhu po celá léta. Jedná se o 32bitový design, který se používá v celé řadě jader (včetně návrhů Cortex-A9, A7 a A15 ARM, stejně jako architektury „Krait“ společnosti Qualcomm a jader používaných v procesorech Apple před A7). Cortex-A9 byl neuvěřitelně populární, ale jeho dny se zdají očíslované. V letošním roce vidíme další návrhy, které zahrnují buď menší, energeticky účinnější Cortex-A7; nebo výkonnější Cortex-A15, který nabízí vyšší výkon; nebo kombinaci dvou v tom, co ARM nazývá svou konfigurací „big.LITTLE“.
Cortex-A7 je ve skutečnosti velmi malý - méně než půl milimetru čtverečního při 28nm procesu - a byl navržen tak, aby používal mnohem méně energie; méně než 100 miliwattů ve srovnání s vrcholem 200 až 300 miliwattů pro A9 a až 500 miliwattů pro A15. Cortex-A15 přidává podporu 40bitového fyzického adresového prostoru, i když jednotlivé aplikace mají přístup pouze k 32 bitům. Minulé léto ARM představil A12, který měl být náhradou za A9, přičemž uvedl, že byl až o 40 procent rychlejší než A9 a zapadl do prostoru mezi A7 a A15. Začátkem tohoto roku společnost oznámila upgradovanou verzi s názvem Cortex-A17, která by měla nabídnout lepší účinnost a 60% vyšší výkon než Cortex-A9. (Doposud pouze společnost MediaTek oznámila telefonní procesor a Realtek televizní procesor využívající A17.) ARM se domnívá, že A17 je posledním ze svých 32bitových návrhů a má mít dlouhou životnost v aplikacích, jako jsou televizory a spotřebitelských produktů, zatímco nakonec se většina mobilního trhu přepne na 64bitové designy.
Mnoho společností spojilo A7s a A15s (nebo nověji A7s a A17s) do této velké kombinace.LITTLE, která umožňuje čipu mít většinu času běžet jádra s nižším výkonem a čip přepínat na vyšší výkon jádra, když to vyžaduje další výkon, snad při provádění složitého výpočtu uvnitř hry nebo dokonce komplikovaného JavaScriptu na webové stránce. V některých z těchto návrhů může být aktivní buď blok jader A7 nebo blok A15; v jiných mohou všechna jádra pracovat najednou.
Opět se zdá pravděpodobné, že většina budoucích mobilních čipů navržených s jádry ARM se přesune do 64bitové architektury, i když se zdá, že jsme v prvních dnech této migrace. Instrukční sada ARMv8 se zdá být používána v procesoru Apple A7, který se nachází v iPhone 5s a iPad Air, a očekává se, že bude také v řadě dalších proprietárních návrhů. A ARM má samozřejmě dvě jádra, která oznámila pomocí této architektury: menší Cortex-A53 a silnější Cortex-A57, opět s možností jejich kombinace ve velké konfiguraci LITTLE. 64bitová verze je zpětně kompatibilní, ale zahrnuje větší registry pro obecné účely a instrukce pro média (což by mohlo v některých operacích zrychlit), podporu paměti nad 4 GB (zvláště důležité v serverových aplikacích); a nové pokyny pro šifrování a kryptografii.
Jádro Cortex-A53 je o kousek dál a společnosti jako MediaTek, Qualcomm a Marvell oznamují čipy s více jádry A53. ARM říká, že očekává, že první takové čipy budou venku v létě. A57 by měl být výrazně výkonnější a ARM očekává, že mobilní čipy s tímto jádrem budou vyprodány později v roce. (AMD oznámila serverový čip využívající architekturu A57, který má do konce roku vstoupit do plné produkce.)
ARM také nabízí řadu mnohem menších jader používaných v mikrokontrolérech a dalších zařízeních řady M; tyto by nespustily aplikační procesory samy o sobě, ale mohou být zvyklé na několik dalších čipů v mobilním ekosystému a stále častěji se používají k tomu, aby mobilní SoC byly chytřejší. Například, Apple A7 SoC má M7 pohybový koprocesor údajně založený na ARM Cortex-M3 a vyráběný NXP, a Motorola X8 SoC v Moto X kombinuje dvoujádrový procesor Snapdragon S4 Pro se dvěma nízko-výkonovými koprocesory založenými na Texas Instruments DSP pro zpracování v přirozeném jazyce a kontextové zpracování.
Jak již bylo zmíněno, řada společností má tzv. „Architektonickou licenci“, která jim umožňuje vytvářet si vlastní jádra pomocí sady instrukcí, což jim podle jejich názoru umožňuje vyrábět čipy, které vynikají lepším výkonem na trhu, řízení napájení nebo obojí. Patří sem společnosti jako Qualcomm, Marvell, Nvidia a Apple. Na druhou stranu, nabídka standardních jader umožňuje společnostem vytvářet návrhy rychleji a snadněji; mnoho společností, které mají architektonickou licenci, používá u některých produktů standardní jádra ARM. Pozoruhodně, Qualcomm nyní má některé verze jeho Snapdragon řady procesorů, které používají jeho jádra Krait, zatímco jiní používají standardní ARM jádra.
Intel a MIPS nabízejí alternativy
Přestože ARM nadále dominuje na trhu s mobilními procesory, Intel se rovněž výrazně posunul, i když s většinou svých úspěchů přicházejí v tabletech se systémem Windows a několika se systémem Android. Současná nabídka společnosti Intel se zdá více zaměřena na tablety než telefony, ačkoli společnost má dva nové procesory, které se zdají být vhodnější pro telefony, které vyjdou později v tomto roce (o kterých se budu bavit, až se v příštím příspěvku dostanu k procesorům od konkrétních společností). V mobilní aréně tlačí Intel svou řadu procesorů Atom, ačkoli existují i tablety Windows, které používají větší rodinu Core, která se používá také v notebookech a stolních počítačích.
Také v rámci rodiny x86 AMD ukazuje některé tablety, které provozují své procesory založené na procesorech x86 s nižším výkonem. Podrobnosti budu znovu diskutovat později, když mluvím o konkrétních výrobcích. V obou případech samozřejmě procesory provozují plnou verzi systému Microsoft Windows, i když obě společnosti nyní řeší i systém Android. Zejména společnost Intel učinila velký krok, aby nativně běžela na svých čipech Android, zatímco AMD se více zaměřila na emulátor BlueStacks pro své produkty x86, protože se chystá připravit na spuštění čipů kompatibilních s ARM koncem tohoto roku.
Další možností by byly procesory MIPS, rodina procesorů založená na RISC, kterou získala společnost Imagination Technologies před více než rokem. MIPS již nějakou dobu nabízí 64bitovou architekturu jako součást své řady jader Aptiv. Počátkem letošního roku společnost oznámila svou generaci procesorů řady 5 „Warrior“, která zahrnuje tři třídy procesorů MIPS - řadu M pro vestavěné trhy, třídu I navrženou pro vysoce efektivní a velmi integrovaná zařízení; a třída P navržená pro vyšší výkon, včetně aplikačních procesorů. Mezi nové funkce patří integrovaná podpora grafiky OpenCL a vylepšené zabezpečení. Představivost říká, že tyto čipy využívají až o 40 procent méně plochy než jejich konkurenti, s lepším vícevláknovým zpracováním pro vícejádrové použití.
Procesory MIPS byly na mnoha trzích docela úspěšné, včetně síťových procesorů a dalších aplikací v reálném čase a set-top boxů, ale dosud jsme je neviděli v mnoha tradičních tabletech nebo smartphonech. Čínská společnost s názvem Ingenic má řadu procesorů provozujících architekturu Xburst založenou na dřívějším jádru MIPS, což bylo použito v některých tabletech Android. Chvíli zpátky jsem to vyzkoušel, ale společnost, která to vytvořila, se nyní zdá, že se zaměřuje na tablety založené na ARM. Přesto je možné, že MIPS by mohl být v budoucnu konkurentem, zejména s novou řadou jader.
