Blok bangunan seluler 2014: inti seluler

Setiap tahun setelah CES dan Mobile World Congress, saya merenungkan pengumuman acara dan apa artinya bagi masa depan prosesor aplikasi mobile. Kami tentu telah melihat beberapa perkembangan yang menarik, termasuk serangkaian pengumuman chip 64-bit, beberapa di antaranya lebih ditujukan pada ponsel kelas menengah, tetapi chip 32-bit baru tampaknya menjadi topik pembicaraan paling populer di kelas atas..

Hampir setiap perusahaan yang membuat chip berbicara tentang grafik yang lebih baik - dengan keuntungan besar dalam kinerja - dan semua berbicara tentang banyak core, dengan chip 4-dan bahkan 8-core sekarang menjadi rutin. Apa yang belum kita lihat adalah prosesor aplikasi besar apa pun yang dibangun menggunakan teknologi 20nm (kecuali yang dari Intel, yang mengontrol desain dan manufaktur untuk chip-chipnya), atau chip 64-bit high-end yang benar-benar baru dari sebagian besar pemain. Akibatnya, perubahan yang mungkin kita lihat dalam chip untuk ponsel high-end selama beberapa bulan ke depan mungkin tidak besar, bahkan ketika ponsel mid-range dan low-end mengejar ketinggalan.

Saya akan membahas detail chip utama akhir minggu ini, tetapi saya ingin memulai dengan berbicara tentang blok bangunan dasar yang digunakan untuk pembuatan prosesor aplikasi. Tidak seperti di dunia PC, secara umum, pembuat prosesor semacam itu cenderung menggunakan setidaknya beberapa kekayaan intelektual (IP), baik lisensi arsitektur atau core penuh, dalam menciptakan produk mereka. Ingatlah bahwa prosesor aplikasi khas sekarang ini mencakup CPU, inti grafis, sering kali modem baseband, dan sejumlah fitur lainnya; dan banyak pembuat lisensi arsitektur CPU, grafik, atau berpotensi keduanya. Pembuat prosesor biasanya akan menggabungkan fitur-fitur ini, baik yang mereka buat sendiri dan yang mereka lisensikan, untuk merancang chip tertentu untuk target pasar. Dalam posting ini, saya akan berbicara tentang arsitektur CPU, kemudian ikuti besok dengan arsitektur grafis.

Banyak Rasa Desain ARM

Sebagian besar prosesor aplikasi seluler yang Anda lihat hari ini menjalankan beberapa varian arsitektur ARM. Memang, di semua pasar, ARM mengklaim bahwa lebih dari 50 miliar prosesor yang menggunakan teknologinya telah terjual, dengan lebih dari 10 miliar dijual pada 2013 saja. Pasar ponsel dan tablet adalah bagian penting dari itu, dengan ARM mengklaim bahwa 95 persen smartphone di dunia menjalankan beberapa versi arsitekturnya, tetapi prosesor ARM juga ada di banyak produk lain.

Tetapi penting untuk dipahami bahwa ARM tidak benar-benar menjual prosesor; sebaliknya ia menjual IP - termasuk desain inti aktual dan arsitektur dasar yang mendasarinya, yang digunakan oleh beberapa vendor chip termasuk Apple dan Qualcomm untuk membuat core unik. Menggunakan arsitektur umum - secara efektif set instruksi - memungkinkan untuk tingkat kompatibilitas dan dengan demikian membuatnya lebih mudah untuk mendapatkan perangkat lunak untuk berjalan pada chip dari beberapa perusahaan.

Ada dua arsitektur ARM dasar yang kita lihat dalam prosesor mobile saat ini - ARMv7 32-bit dan versi ARMv8 64-bit.

ARMv7 telah menjadi standar di pasar ponsel selama bertahun-tahun. Ini adalah desain 32-bit yang digunakan dalam berbagai inti (termasuk desain ARM Cortex-A9, A7, dan A15, serta arsitektur "Krait" Qualcomm dan inti yang digunakan dalam prosesor Apple sebelum A7). Cortex-A9 telah sangat populer, tetapi hari-harinya tampak bernomor. Tahun ini, kami melihat lebih banyak desain yang mencakup Cortex-A7 yang lebih kecil, lebih hemat daya; atau Cortex-A15 yang lebih kuat, yang menawarkan kinerja lebih tinggi; atau kombinasi keduanya dalam apa yang disebut ARM sebagai konfigurasi "big.LITTLE".

Cortex-A7 sebenarnya sangat kecil - kurang dari setengah milimeter persegi pada proses 28nm - dan dirancang untuk menggunakan daya yang jauh lebih sedikit; kurang dari 100 miliwatt dibandingkan dengan puncak 200 hingga 300 miliwatt untuk A9, dan hingga 500 miliwatt untuk A15. Cortex-A15 menambahkan dukungan untuk ruang alamat fisik 40-bit, meskipun aplikasi individual hanya dapat mengakses 32 bit. Musim panas lalu, ARM memperkenalkan A12, yang dimaksudkan untuk menjadi pengganti A9, mengatakan itu hingga 40 persen lebih cepat dari A9 dan akan masuk ke ruang antara A7 dan A15. Awal tahun ini, perusahaan ini mengumumkan versi upgrade yang disebut Cortex-A17, yang katanya harus menawarkan efisiensi yang lebih baik dan kinerja 60 persen lebih banyak daripada Cortex-A9. (Sejauh ini, hanya MediaTek yang telah mengumumkan prosesor telepon dan Realtek prosesor TV menggunakan A17.) ARM percaya bahwa A17 adalah yang terakhir dari desain 32-bitnya, dan dimaksudkan untuk memiliki umur yang panjang, dalam aplikasi seperti TV dan produk konsumen, sementara sebagian besar pasar ponsel beralih ke desain 64-bit.

Sejumlah perusahaan telah menggabungkan A7s dan A15s (atau lebih baru-baru ini A7s dan A17s) ke dalam kombinasi yang besar. LITTLE, yang memungkinkan chip memiliki core dengan daya lebih rendah yang menjalankan sebagian besar waktu dan chip beralih ke daya yang lebih tinggi. core saat itu membutuhkan kinerja tambahan, mungkin saat menjalankan perhitungan yang rumit di dalam gim, atau bahkan JavaScript yang rumit di laman web. Dalam beberapa desain ini, baik blok A7 core atau salah satu core A15 dapat aktif pada satu waktu; pada yang lain, semua inti dapat bekerja sekaligus.

Sekali lagi, sepertinya sebagian besar chip mobile masa depan yang dirancang dengan core ARM akan pindah ke arsitektur 64-bit, meskipun kita tampaknya berada di masa awal migrasi itu. Set instruksi ARMv8 tampaknya digunakan dalam prosesor A7 Apple, yang ditemukan di iPhone 5s dan iPad Air, dan diharapkan juga ada di sejumlah desain berpemilik lainnya. Dan tentu saja, ARM memiliki dua inti yang telah diumumkannya menggunakan arsitektur ini: Cortex-A53 yang lebih kecil dan Cortex-A57 yang lebih kuat, sekali lagi dengan opsi untuk menggabungkannya dalam konfigurasi big.LITTLE. Versi 64-bit kompatibel mundur, tetapi mencakup register yang lebih besar untuk keperluan umum dan instruksi media (yang dapat membuatnya lebih cepat dalam beberapa operasi), dukungan untuk memori melebihi 4GB (terutama penting dalam aplikasi server); dan instruksi enkripsi dan kriptografi baru.

Inti Cortex-A53 sedikit lebih jauh, dengan perusahaan-perusahaan seperti MediaTek, Qualcomm, dan Marvell semua mengumumkan chip dengan beberapa inti A53. ARM mengatakan mereka mengharapkan chip pertama akan keluar musim panas ini. A57 harus lebih kuat, dan ARM mengharapkan chip ponsel dengan inti itu keluar akhir tahun ini. (AMD telah mengumumkan chip server menggunakan arsitektur A57, yang akan memasuki produksi penuh menjelang akhir tahun.)

ARM juga menawarkan sejumlah inti yang jauh lebih kecil yang digunakan dalam mikrokontroler dan perangkat lain dalam seri M-nya; ini tidak akan menjalankan prosesor aplikasi sendiri, tetapi dapat digunakan di banyak chip lain di ekosistem seluler dan semakin sering digunakan untuk membuat SoC seluler lebih pintar. Sebagai contoh, Apple A7 SoC memiliki coprocessor gerak M7 yang dilaporkan berdasarkan ARM Cortex-M3 dan diproduksi oleh NXP, dan Motorola X8 SoC di Moto X menggabungkan CPU dual-core Snapdragon S4 Pro dengan dua coprocessor berdaya rendah berdasarkan DSP Texas Instruments untuk pemrosesan bahasa alami dan komputasi kontekstual.

Seperti disebutkan sebelumnya, sejumlah perusahaan memiliki apa yang dikenal sebagai "lisensi arsitektur, " yang memungkinkan mereka untuk membuat core sendiri menggunakan set instruksi, yang menurut mereka memungkinkan mereka membuat chip yang menonjol untuk pasar melalui kinerja yang lebih baik, manajemen daya, atau keduanya. Ini termasuk perusahaan seperti Qualcomm, Marvell, Nvidia, dan Apple. Di sisi lain, menawarkan core standar memungkinkan perusahaan untuk membuat desain lebih cepat dan lebih mudah; banyak perusahaan yang memiliki lisensi arsitektur menggunakan core ARM standar di beberapa produk. Khususnya, Qualcomm sekarang memiliki beberapa versi jajaran prosesor Snapdragon yang menggunakan core Krait, sementara yang lain menggunakan core ARM standar.

Alternatif Penawaran Intel dan MIPS

Sementara ARM terus mendominasi pasar prosesor mobile, Intel telah membuat dorongan besar juga, meskipun dengan sebagian besar keberhasilannya datang di tablet yang menjalankan Windows dan beberapa menjalankan Android. Penawaran Intel saat ini tampaknya lebih ditujukan untuk tablet daripada ponsel, meskipun perusahaan memiliki dua prosesor baru yang tampaknya lebih cocok untuk ponsel yang keluar akhir tahun ini (yang akan saya bahas ketika saya masuk ke prosesor dari perusahaan tertentu di posting berikutnya). Di arena mobile, Intel mendorong jajaran prosesor Atom-nya, meskipun ada beberapa tablet Windows yang menggunakan keluarga Core yang lebih besar juga digunakan di laptop dan desktop.

Juga di dalam keluarga x86, AMD telah menunjukkan beberapa tablet menjalankan CPU berbasis x86 dengan daya lebih rendah. Sekali lagi, saya akan membahas detail nanti ketika berbicara tentang pembuat tertentu. Dalam kedua kasus, tentu saja, prosesor menjalankan versi lengkap dari Microsoft Windows, meskipun kedua perusahaan sekarang menangani Android juga. Intel khususnya telah membuat dorongan besar untuk membuat Android berjalan secara native pada chip-nya, sementara AMD lebih fokus pada emulator BlueStacks untuk produk x86-nya karena ia juga bersiap untuk meluncurkan chip yang kompatibel dengan ARM akhir tahun ini.

Pilihan lain adalah prosesor MIPS, keluarga prosesor berbasis RISC yang diakuisisi oleh Imagination Technologies sedikit lebih dari setahun yang lalu. MIPS telah menawarkan arsitektur 64-bit untuk beberapa waktu, sebagai bagian dari garis inti Aptiv. Awal tahun ini, perusahaan ini mengumumkan generasi CPU Seri 5 "Warrior", yang mencakup tiga kelas prosesor MIPS - seri M untuk pasar tertanam, kelas-I yang dirancang untuk efisiensi tinggi dan perangkat yang sangat terintegrasi; dan P-class yang dirancang untuk kinerja lebih, termasuk prosesor aplikasi. Fitur-fitur baru termasuk dukungan terintegrasi untuk grafis OpenCL dan peningkatan keamanan. Imajinasi mengatakan chip ini menggunakan area hingga 40 persen lebih sedikit daripada pesaing mereka, dengan multi-threading yang lebih baik untuk penggunaan multi-core.

Prosesor MIPS telah cukup sukses di sejumlah pasar, termasuk prosesor jaringan dan aplikasi waktu nyata lainnya dan set-top box, tetapi hingga saat ini, kami belum melihatnya di banyak tablet atau smartphone tradisional. Sebuah perusahaan Cina bernama Ingenic memiliki sederetan prosesor yang menjalankan arsitektur Xburst berdasarkan pada inti MIPS sebelumnya, dan ini digunakan di beberapa tablet Android. Beberapa waktu yang lalu, saya memang mencobanya, tetapi perusahaan yang membuatnya sekarang tampaknya berfokus pada tablet berbasis ARM. Namun, mungkin saja MIPS bisa menjadi pesaing di masa depan, terutama dengan lini inti yang baru.