Khối xây dựng di động 2014: lõi di động

Mỗi năm sau CES và Mobile World Congress, tôi suy ngẫm về các thông báo của chương trình và ý nghĩa của chúng đối với tương lai của các bộ xử lý ứng dụng di động. Chúng tôi chắc chắn đã thấy một số phát triển thú vị, bao gồm một tập hợp các thông báo chip 64 bit, một số trong đó nhắm đến các điện thoại tầm trung, nhưng chip 32 bit mới dường như là chủ đề trò chuyện phổ biến nhất ở cấp cao .

Hầu như mọi công ty sản xuất chip đều nói về đồ họa tốt hơn - với hiệu suất rất lớn - và tất cả đang nói về nhiều lõi, với các chip 4 và thậm chí 8 lõi giờ trở thành thói quen. Những gì chúng ta chưa thấy là bất kỳ bộ xử lý ứng dụng lớn nào được xây dựng bằng công nghệ 20nm (ngoại trừ những bộ xử lý của Intel, điều khiển thiết kế và sản xuất chip của nó), cũng không phải là chip 64 bit cao cấp thực sự mới từ hầu hết các trình phát. Do đó, những thay đổi mà chúng ta có thể thấy trong các chip dành cho điện thoại cao cấp nhất trong vài tháng tới có thể không lớn, ngay cả khi các điện thoại tầm trung và cấp thấp bắt kịp.

Tôi sẽ thảo luận chi tiết về các chip chính vào cuối tuần này, nhưng tôi muốn bắt đầu bằng cách nói về các khối xây dựng cơ bản đi vào việc tạo ra các bộ xử lý ứng dụng. Không giống như trong thế giới PC, nói chung, các nhà sản xuất bộ xử lý như vậy có xu hướng sử dụng ít nhất một số tài sản trí tuệ (IP), hoặc giấy phép kiến ​​trúc hoặc lõi đầy đủ, để tạo ra các sản phẩm của họ. Hãy nhớ lại rằng một bộ xử lý ứng dụng điển hình ngày nay bao gồm CPU, lõi đồ họa, thường là modem cơ sở và một loạt các tính năng khác; và nhiều nhà sản xuất cấp phép kiến ​​trúc CPU, đồ họa hoặc có khả năng cả hai. Một nhà sản xuất bộ xử lý điển hình sẽ kết hợp các tính năng này, cả những tính năng mà họ tự tạo và những người họ cấp phép, để thiết kế một con chip cụ thể cho thị trường mục tiêu. Trong bài đăng này, tôi sẽ nói về kiến ​​trúc CPU, sau đó tiếp theo với một bài về thiết kế đồ họa.

Nhiều hương vị của thiết kế ARM

Phần lớn các bộ xử lý ứng dụng di động mà bạn thấy ngày nay chạy một số biến thể của kiến ​​trúc ARM. Thật vậy, trên tất cả các thị trường, ARM tuyên bố rằng hơn 50 tỷ bộ vi xử lý sử dụng công nghệ của họ đã được bán, với hơn 10 tỷ được bán trong năm 2013. Thị trường điện thoại và máy tính bảng là một phần quan trọng trong đó, với ARM tuyên bố rằng 95% điện thoại thông minh trên thế giới chạy một số phiên bản kiến ​​trúc của nó, nhưng bộ xử lý ARM cũng có trong rất nhiều sản phẩm khác.

Nhưng điều quan trọng là phải hiểu rằng ARM không thực sự bán bộ xử lý; thay vào đó, họ bán IP - bao gồm các thiết kế lõi thực tế và kiến ​​trúc cơ bản, mà một số nhà cung cấp chip bao gồm Apple và Qualcomm sử dụng để tạo ra các lõi độc đáo. Sử dụng một kiến ​​trúc chung - hiệu quả là tập lệnh - cho phép mức độ tương thích và do đó giúp phần mềm chạy trên chip từ nhiều công ty dễ dàng hơn.

Có hai kiến ​​trúc ARM cơ bản mà chúng ta thấy trong các bộ xử lý di động ngày nay - ARMv7 32 bit và phiên bản ARMv8 64 bit.

ARMv7 đã trở thành tiêu chuẩn trong thị trường điện thoại trong nhiều năm. Đây là thiết kế 32 bit được sử dụng trong nhiều loại lõi (bao gồm các thiết kế Cortex-A9, A7 và A15 của ARM, cũng như kiến ​​trúc "K Eo" của Qualcomm và các lõi được sử dụng trong bộ xử lý của Apple trước A7). Cortex-A9 đã rất phổ biến, nhưng ngày của nó dường như được đánh số. Năm nay, chúng ta sẽ thấy nhiều thiết kế hơn bao gồm Cortex-A7 nhỏ hơn, tiết kiệm điện hơn; hoặc Cortex-A15 mạnh hơn, mang lại hiệu năng cao hơn; hoặc kết hợp cả hai trong cái mà ARM gọi là cấu hình "big.LITTLE" của nó.

Cortex-A7 thực sự rất nhỏ, nhỏ hơn nửa milimet vuông trên quy trình 28nm và được thiết kế để sử dụng ít năng lượng hơn; ít hơn 100 milliwatts so với mức đỉnh 200 đến 300 milliwatt cho A9 và lên tới 500 milliwatts cho A15. Cortex-A15 bổ sung hỗ trợ cho không gian địa chỉ vật lý 40 bit, mặc dù các ứng dụng riêng lẻ chỉ có thể truy cập 32 bit. Mùa hè năm ngoái, ARM đã giới thiệu A12, có nghĩa là một sự thay thế cho A9, nói rằng nó nhanh hơn tới 40% so với A9 và sẽ phù hợp với khoảng trống giữa A7 và A15. Đầu năm nay, công ty đã công bố một phiên bản nâng cấp có tên Cortex-A17, theo đó nó sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn và hiệu suất cao hơn 60% so với Cortex-A9. (Cho đến nay, chỉ có MediaTek đã công bố bộ xử lý điện thoại và Realtek là bộ xử lý TV sử dụng A17.) ARM tin rằng A17 là thiết kế 32 bit cuối cùng của nó và có tuổi thọ cao, trong các ứng dụng như TV và sản phẩm tiêu dùng, trong khi cuối cùng phần lớn thị trường di động chuyển sang thiết kế 64 bit.

Một số công ty đã kết hợp A7 và A15 (hay gần đây là A7 và A17) vào tổ hợp big.LITTLE đó, cho phép chip có lõi năng lượng thấp hơn chạy hầu hết thời gian và chip chuyển sang công suất cao hơn lõi khi cần hiệu năng bổ sung, có thể trong khi chạy một phép tính phức tạp trong trò chơi hoặc thậm chí là JavaScript phức tạp trong trang web. Trong một số thiết kế này, khối lõi A7 hoặc lõi A15 có thể hoạt động cùng một lúc; ở những người khác, tất cả các lõi có thể hoạt động cùng một lúc.

Một lần nữa, có vẻ như hầu hết các chip di động trong tương lai được thiết kế với lõi ARM sẽ chuyển sang kiến ​​trúc 64 bit, mặc dù chúng ta dường như đang ở những ngày đầu của quá trình di chuyển đó. Bộ hướng dẫn ARMv8 dường như được sử dụng trong bộ xử lý A7 của Apple, được tìm thấy trong iPhone 5s và iPad Air, và dự kiến ​​cũng sẽ có một số thiết kế độc quyền khác. Và tất nhiên, ARM có hai lõi được công bố sử dụng kiến ​​trúc này: Cortex-A53 nhỏ hơn và Cortex-A57 mạnh hơn, một lần nữa với tùy chọn kết hợp chúng trong cấu hình big.LITTLE. Phiên bản 64 bit tương thích ngược, nhưng bao gồm các thanh ghi lớn hơn cho mục đích chung và hướng dẫn phương tiện (có thể làm cho nó nhanh hơn trong một số thao tác), hỗ trợ bộ nhớ vượt quá 4GB (đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng máy chủ); và hướng dẫn mã hóa và mật mã mới.

Lõi Cortex-A53 còn xa hơn một chút, với các công ty như MediaTek, Qualcomm và Marvell đều công bố chip có nhiều lõi A53. ARM cho biết họ hy vọng những con chip đầu tiên như vậy sẽ ra mắt vào mùa hè này. A57 sẽ mạnh hơn đáng kể và ARM hy vọng chip di động có lõi đó sẽ ra mắt vào cuối năm nay. (AMD đã công bố chip máy chủ sử dụng kiến ​​trúc A57, do được đưa vào sản xuất đầy đủ vào cuối năm nay.)

ARM cũng cung cấp một số lõi nhỏ hơn nhiều được sử dụng trong các bộ vi điều khiển và các thiết bị khác trong dòng M của nó; chúng không tự chạy bộ xử lý ứng dụng, nhưng có thể được sử dụng trong nhiều chip khác trong hệ sinh thái di động và ngày càng được sử dụng để làm cho SoC di động thông minh hơn. Ví dụ, A7 SoC của Apple có bộ đồng xử lý chuyển động M7 được báo cáo dựa trên ARM Cortex-M3 và do NXP sản xuất, và Motorola X8 SoC trong Moto X kết hợp CPU lõi kép Snapdragon S4 Pro với hai bộ đồng xử lý công suất thấp dựa trên Texas DSP DSP cho xử lý ngôn ngữ tự nhiên và tính toán theo ngữ cảnh.

Như đã đề cập trước đó, một số công ty có cái gọi là "giấy phép kiến ​​trúc", cho phép họ tạo ra lõi của mình bằng cách sử dụng bộ hướng dẫn, họ nghĩ rằng họ cho phép họ tạo ra những con chip nổi bật trên thị trường thông qua hiệu suất tốt hơn, quản lý điện năng, hoặc cả hai. Chúng bao gồm các công ty như Qualcomm, Marvell, Nvidia và Apple. Mặt khác, việc cung cấp lõi tiêu chuẩn cho phép các công ty tạo ra các thiết kế nhanh hơn và dễ dàng hơn; nhiều công ty có giấy phép kiến ​​trúc sử dụng lõi ARM tiêu chuẩn trong một số sản phẩm. Đáng chú ý, Qualcomm hiện có một số phiên bản của bộ vi xử lý Snapdragon sử dụng lõi K Eo của nó, trong khi các phiên bản khác sử dụng lõi ARM tiêu chuẩn.

Các lựa chọn thay thế cho Intel và MIPS

Trong khi ARM tiếp tục thống trị thị trường bộ xử lý di động, Intel cũng đang tạo ra một cú hích lớn, mặc dù với hầu hết những thành công của nó là máy tính bảng chạy Windows và một số chạy Android. Việc cung cấp hiện tại của Intel dường như nhắm vào máy tính bảng nhiều hơn điện thoại, mặc dù công ty có hai bộ xử lý mới có vẻ phù hợp hơn với điện thoại ra mắt vào cuối năm nay (mà tôi sẽ thảo luận khi tôi vào bộ xử lý từ các công ty cụ thể trong bài tiếp theo). Trong lĩnh vực di động, Intel đang đẩy mạnh dòng vi xử lý Atom của mình, mặc dù có một số máy tính bảng Windows sử dụng họ Core lớn hơn cũng được sử dụng trong máy tính xách tay và máy tính để bàn.

Cũng trong gia đình x86, AMD đã cho thấy một số máy tính bảng chạy CPU dựa trên x86 công suất thấp hơn. Một lần nữa, tôi sẽ thảo luận chi tiết sau khi nói về các nhà sản xuất cụ thể. Tất nhiên, trong cả hai trường hợp, bộ xử lý đều chạy phiên bản Microsoft Windows đầy đủ, mặc dù cả hai công ty hiện cũng đang xử lý Android. Đặc biệt, Intel đã nỗ lực để Android chạy trên chip của mình, trong khi AMD tập trung hơn vào trình giả lập BlueStacks cho các sản phẩm x86 của mình khi hãng cũng chuẩn bị ra mắt chip tương thích ARM vào cuối năm nay.

Một lựa chọn khác là bộ xử lý MIPS, một nhóm bộ xử lý dựa trên RISC đã được Imagination Technologies mua lại cách đây một năm. MIPS đã cung cấp kiến ​​trúc 64 bit trong một thời gian, như là một phần của dòng lõi Aptiv của nó. Đầu năm nay, công ty đã công bố thế hệ CPU "Chiến binh" Series 5, bao gồm ba loại bộ xử lý MIPS - dòng M dành cho thị trường nhúng, loại I được thiết kế cho các thiết bị tích hợp hiệu quả cao và rất tích hợp; và lớp P được thiết kế để có hiệu năng cao hơn, bao gồm cả bộ xử lý ứng dụng. Các tính năng mới bao gồm hỗ trợ tích hợp cho đồ họa OpenCL và bảo mật được cải thiện. Tưởng tượng cho biết những con chip này sử dụng diện tích ít hơn tới 40% so với các đối thủ của chúng, với khả năng đa luồng tốt hơn để sử dụng đa lõi.

Bộ xử lý MIPS đã khá thành công ở một số thị trường, bao gồm bộ xử lý mạng và các ứng dụng thời gian thực khác và hộp giải mã, nhưng cho đến nay, chúng ta vẫn chưa thấy chúng trên nhiều máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh truyền thống. Một công ty Trung Quốc có tên Ingenic có một dòng bộ xử lý chạy kiến ​​trúc Xburst dựa trên lõi MIPS trước đó và điều này đã được sử dụng trong một số máy tính bảng Android. Một thời gian trước, tôi đã thử một lần, nhưng công ty sản xuất nó bây giờ dường như đang tập trung vào máy tính bảng dựa trên ARM. Tuy nhiên, MIPS có thể là đối thủ cạnh tranh trong tương lai, đặc biệt là với dòng lõi mới.