Исчерпывающий гайд: все, что нужно знать о мобильных процессорах (системах на кристалле)
Относительно недавно тема процессоров, их производителей и сроков выхода новых моделей была интересна узкой группе гиков. Сейчас гораздо большее количество людей знает, чем Qualcomm лучше MediaTek, какой конкретно чип подходит для тех или иных задач и когда не стоит смотреть на количество ядер или частоту.
Это же сопровождается большим количеством мифов, неточностей и недосказанностей. В этом материале мы расскажем все, что вам нужно знать о системах-на-кристалле, которые большая часть пользователей привыкла называть просто «процессорами»; научим определять их возможности точнее чем «Qualcomm лучше MediaTek»; и рассмотрим на примерах самые популярные чипы.
Развеивая мифы
Qualcomm Snapdragon 845 – это процессор? A Apple A11? Нет, это микросхемы, состоящие из нескольких элементов, включая тот самый микрочип, о которым мы привыкли говорить, рассуждая о компьютерных процессорах, таких как Intel i7-7700 и других.
Названные выше чипы и другие известные вам названия (Kirin 970 или Helio P60) – это системы на кристалле, однокристальные системы или системы на чипе (от англ. system on a chip). В английском используется аббревиатура SoC.
Тем не менее понятие «процессор» так плотно вошло в употребление, что даже специализированные СМИ, точно знающие значения этих терминов, используют их, ведь так понятнее потребителям. Правильнее же говорить чип или система с дальнейшим указанием ее названия.
Состав чипа
Профессиональный инженер видит в типичном чипе сотни элементов, но нам важно разбирать лишь основные его составляющие, особенно, если мы говорим о мобильной системе:
Процессорный модуль, состоящий из нескольких ядер. Их тип и производительность во многом определяют возможности системы. Именно этот единственный элемент стоит называть процессором
Графический модуль, определяющий возможности устройства в играх и других задачах с обработкой графики. Можно встретить сокращения GPU (Graphical Processing Unit) или VPS (Visual Processing Sybsystem)
Сотовый модем влияет на возможности устройства в вопросах связи: интернета и телефонии
Аудиочип отвечает за качество звучания устройства
Здесь можно было бы затронуть модуль DSP (digital signal processor), обрабатывающий цифровые сигналы, процессор данных изображений (ISP) и процессор безопасности (secure processing unit), контроллеры памяти, регулятор напряжения и еще более мелкие элементы, но чаще всего производители даже не упоминают их в «материалах для всех»,а знание таких подробностей не сделает ваш выбор конкретного чипа осознаннее.
Характеристики чипа
Мы добрались до самого интересного раздела — как научиться определять возможности системы и сравнивать ее с остальными. Вам нужно хотя бы в основе разбирать типы комплектующих, чтобы корректно их сопоставлять между собой. Хотя игроков на рынке систем на кристалле не так уж и много, так что если вы заинтересуетесь, разберетесь за один присест.
1. Архитектура
В процессе написания этого материала мы столкнулись с тем, что определение архитектуры отличается и при этом довольно спокойно принимается в самых разных значениях.
Условно говоря, архитектура — это способность чипа исполнять определенный машинный код. Это методы взаимодействия аппаратных составляющих и софта. На рынке компьютеров преобладает архитектура x86 авторства Intel, а в мобильном мире — ARM.
ARM – это и архитектура, построенная на платформе RISC, и название компании, которая ее лицензирует. Последняя предоставляет сторонним производителям возможность самостоятельно создавать чипы.
На ARM работают, грубо говоря, все современные смартфоны или планшеты.
Актуальной версией архитектуры считается ARMv8.4-A. Этот факт вряд ли будет упоминаться в описаниях чипов, но запомнить его стоит.
Напоследок стоит отметить, что переход с ARMv7 на ARMv8 обозначил смену архитектуры с 32-битной на 64-битную. Говоря простым языком, с того момента как произошла смена, чипы смартфонов научились работать с числами, имеющими не 32, а 64 разряда. Это не только увеличило их производительность, но и позволило использовать в связке с ними бóльшие объемы оперативной памяти.
2. Количество ядер
Все-таки об архитектурах речь заходит не так часто, как о ядрах. В эпоху компьютеров многие судили по их количеству о том, насколько мощный ПК. Теперь почти все знают, что это не главное.
В случае с SoC значение имеет тип каждого отдельного ядра. Производители часто объединяют в одном модуле несколько производительных ядер, которые будут использоваться для производительных задач, в частности, ресурсоемких игр, и некое число энергоэффективных ядер. Последние уменьшат энергопотребление в тех ситуациях, когда пользователь работает с простыми программами. Такой принцип называется big.LITTLE.
3. Тактовая частота
Этот пункт также часто вызывает недоразумения. Частота всегда указывается в герцах. Средний показатель современного чипа: 1.5-2.2 ГГц.
ГГц — расшифровывается как «гигагерц». Гига — миллиард, герц — один цикл в секунду. Частота чипа — это то, сколько операций (или тактов) он способен выполнить в секунду.
Но стоит понимать, что более высокая частота (2,4 ГГц) среднепроизводительного чипа хуже чем средняя частота (1,8 ГГц) производительной системы, если речь идет о сложных задачах.
4. Кэш (сверхоперативная память)
Это миниатюрный модуль, предоставляющий процессору некий объем памяти. Он дает возможность не обращаться каждый раз к оперативной памяти (которая работает медленнее, чем чип) и таким образом увеличить скорость исполнения простых программ.
5. Технологический процесс
Технологический процесс полупроводникового производства определяется разрешающей способностью оборудования для производства. Проще объяснить будет довольно сложно, но если упростить - это разрешение электронного пучка, используемого в литографии.
Флагманские чипы 2018 года выполнены по 10нм процессу, однако уже в конца года ожидается ряд чипов, построенных по 7нм.
Уменьшение разрешающей способности дает возможность уместить ту же систему на физическом кристалле меньшего размера или, соответственно, большую систему на кристалле такого же размера.
Топовые производители
Как мы уже знаем, почти все процессоры построены на архитектуре ARM. Но компания абсолютно лояльно относится ко всем остальным и предлагает им широкие возможности в плане создания собственных решений. Те же Apple и Samsung не просто создают на базе ARM собственные чипы, но даже уникальные версии ядер.
В лидерах по производству однокристальных систем такие компании как Apple (серия Apple A), Qualcomm (Snapdragon), MediaTek (Helio), Samsung (Exynos), Huawei (Kirin).
Некоторое время назад в мобильных устройствах можно было встретить чипы Intel. Этот тот редкий случай, когда вместо архитектуры ARM использовалась x86. Правда, подобное положение вещей создавало проблемы для производителей смартфонов, ведь другая архитектура предусматривает иные принципы работы с софтом, и поэтому часто даже очень оптимизированные игры и программы хуже работали на таких системах. В свое время в пользу Intel свой выбор сделала компания Asus, представившая линейку из трех смартфонов Asus Zenfone 4, 5 и 6, а потом и Zenfone 2 на Intel Atom. На этом эксперимент был окончен, а сейчас Zenfone комплектуется чипами Snapdragon.
Отдельно стоит отметить компанию Nvidia, которая лишь экспериментирует на мобильном рынке, но не пытается с кем-то конкурировать. Nvidia Tegra использовался в минимальном количестве устройств, а сейчас на нем работает портативная консоль Nintendo Switch, и неизвестно, есть ли у компании дальнейшие планы в этом направлении.
Кое-какие шаги в этом направлении предпринимает и китайская Xiaomi. Зимой прошлого года она показала первое поколение Surge S1. Многие ждали продолжения в этом году и ожидали, что он предстанет в Xiaomi Mi A2, но компания пока хранит молчание.
О составляющих на примерах
Теперь, когда мы разобрали, что из себя представляет типичная система на кристалле, из чего она состоит и чем характеризуется, можем рассказать о тех же вещах, но уже называя конкретные имена.
Первым делом речь всегда заходит о ядрах. В случае с процессорами ARM это почти всегда Cortex. Например, в топовом на 2018 год Kirin 970 используются самые производительные ядра ARM Cortex-73. Всего их 4, несмотря на то что система восьмиядерная. Еще 4 ядра — это Cortex-A53, более энергоэффективные. Это тот самый принцип big.LITTLE, когда система включает в себя несколько ядер для разных задач.
Хоть ARM и является повсеместной архитектурой, компания дает возможность сторонним производителям максимально кастомизировать свои чипы. Так, Qualcomm в топовых чипах предлагает собственные решения (основанные на тех же Cortex) — Kryo. У флагманского Snapdragon 845, например, стоит 8 ядер Kryo 385. В данном случае используются одни и те же ядра с разной частотой: для требовательных задач до 2,8 ГГц, а в простых — до 1,8 ГГц.
Со следующими названиями графических ускорителей вы также наверняка знакомы. Qualcomm использует собственную разработку Adreno, у Apple стоят решения от PowerVR, а у всех остальных ARM Mali – разработка той же компании, которой принадлежит архитектура. Возможности каждого ускорителя можно определить количеством ядер, но намного важнее смотреть на поддерживаемые технологии: OpenGL ES 3.2, DirectX 12 и так далее.
В скобочках с уточнением техпроцесса часто указывается название компании, которая производит чипы (Samsung или TSMC).
Названия сетевых модемов вам вряд ли что-то скажут, поэтому всегда смотрите на максимальные показатели скорости, достижимые при их использовании в устройствах.
Тенденции
Тик-так
Большинству интересующихся сферой информационных технологий известно понятие «Тик-так». Это стратегия производства микропроцессоров компании Intel, которая распределена на 2 стадии: «Тик» - уменьшение технологического процесса; «Так» - оптимизация текущего поколения. У топовых производителей мобильных чипов есть аналогичные подходы, которые не так давно были нарушены. Это связано с тем, что изначально каждая стадия должна занимать год, но из-за физических ограничений, связанных с невозможностью так быстро уменьшать техпроцесс, компании работают с одной технологией чуть дольше. К слову, первые 7нм чипы должны показать в конце 2018 года, а вот когда ждать следующего обновления неизвестно.
Искусственный интеллект
Эту тему также эксплуатируют почти все производители.
У Huawei есть NPU (neural processing unit) для задач, связанных с работой нейронных сетей, искусственного интеллекта и так далее. У A11, который имеет приставку Bionic в названии, за это отвечает Neural Engine. А вот у Qualcomm пока нет выделенного решения. За ИИ в чипах компании отвечает сигнальный процессор Hexagon.
В скором времени стоит ожидать появления отдельных модулей даже в среднебюджетных и недорогих чипах. Пока этим может похвастаться лишь Helio P60.
Модем
Здесь речь идет уже больше не о чипах, а о производителях устройств, которые успеют использовать их раньше остальных, застолбив за собой звание первых со связью нового поколения.
Новое поколение связи не только обеспечит большую скорость данных, но и даст возможность использовать режим «device-to-device», минуя сервера. Что касается чипов, то они постепенно начнут появляться сначала в дорогих устройствах, со временем становясь решением для всех.
Резюмируя
В отличие от микропроцессоров, устанавливаемых в компьютеры и ноутбуки, системы на кристалле (SoC) состоят из множества элементов и представляют из себя целые устройства, размещенные, тем не менее, на одной интегральной схеме.
Основные элементы любой такой схемы: процессорный модуль из нескольких ядер, графический процессор, модем, аудиочип и цифровой сигнальный процессор. Достаточно знать только их, чтобы составить впечатление о производительности чипа.
Все современные мобильные системы построены на архитектуре ARM, но сторонние производители добавляют в них собственные элементы, начиная с ядер и заканчивая графическими ускорителями. Двигателями отрасли являются Qualcomm, MediaTek, Huawei, Samsung и Apple.
В конце этого года мы ожидаем появления первых систем, построенных по 7нм техпроцессу, увеличения роли модулей для работы с искусственным интеллектом и перехода на связь нового поколения (5G).
