Підписка на новини. Для чого вам потрібна ця вся технічна інформація

Як забезпечити постійне зростання продуктивності в рамках обмежених енергоспоживанням пристроїв, якими є смартфони або планшети? Можна створити більш енергоефективну мікроархітектуру, але це можливо лише певною мірою. Можна перейти на досконаліший процес виробництва, але і цей крок сьогодні вже не дає колишніх переваг. Раніше компанії покладалися на обидва підходи, але цього вже недостатньо. Індустрія поступово йде шляхом гетерогенних обчислень: розміщення високопродуктивних ядер поруч із малопотужними, але енергоефективними побратимами, і перемикання між ними за необхідності.

NVIDIA нещодавно представила архітектуру процесора Tegra 3 (Kal-El). Компанія розповіла про те, що система на чіпі має 5 обчислювальних ядер Cortex-A9, але лише 4 їх видимі для ОС. При запуску простих фонових завдань працює лише одне енергоефективне ядро ​​Cortex A9, а високопродуктивні знаходяться у відключеному стані. Як тільки системі знадобиться продуктивність, завдання перенаправляються на потужні ядра, а енергоефективне відключається.

Рішення NVIDIA покладається на ідентичні ядра, але використовують різні транзистори (LP і G), проте підхід не надто відрізняється, якщо використовувати до того ж різні архітектури ядер. Коли NVIDIA розробляла свій чіп, ARM не могла запропонувати відповідного енергоефективного ядра, яке могло б використовуватися як саме по собі, так і як ядро-супутник в системі на чіпі з Cortex A15. Тепер таке ядро ​​є, і воно отримало ім'я Cortex A7.

Починаючи з Cortex A9, ARM перейшла на виконання команд зі зміною послідовності (інструкції можуть бути переупорядковані для покращеного паралелізму) – цей перехід архітектура x86 здійснила за часів Pentium Pro. Cortex A15 розвиває цю тенденцію, розширюючи при цьому кількість інструкцій, що виконуються за такт. Cortex A7, навпаки, є кроком назад: це ще одне ядро, що виконує команди в заданій послідовності та здатне виконати до двох інструкцій одночасно. Опис нагадує Cortex A8, проте A7 відрізняється у багатьох сферах.

Ядро A8 є дуже старою розробкою – роботи над дизайном розпочалися ще далекого 2003 року. Хоча ARM пропонувала версії ядра, що легко синтезувалися, для досягнення більш високих частот з часом виробникам довелося використовувати власну додаткову логіку. Створення окремого дизайну як подовжувала час виведення рішень ринку, а й збільшувало витрати на розробку. У Cortex A7 залишається повністю синтезованим, але пропонує хороший рівень продуктивності. ARM при розробці архітектури врахувала останні процеси виробництва, домігшись хорошого співвідношення тактових частот і продуктивності, а також переглянула архітектуру, щоб зменшити час та вартість виведення рішень на ринок.

У ядрі Cortex A7 застосовується 8-ступінчастий конвеєр, що обробляє по дві інструкції за такт (втім, деякі складні інструкції A7, на відміну від A8, виконує в режимі одну за такт). Блок цілісних операцій на A7 аналогічний A8, тоді як математичний співпроцесор має повністю конвеєрну організацію і компактніший, хоча й трохи спрощений.

Деяке спрощення архітектури дозволило значно скоротити розмір ядра. ARM стверджує, що одне ядро ​​Cortex A7 займатиме всього 0,5 мм2 при використанні 28-нм техпроцесу. При тому самому процесі виробництва клієнти ARM зможуть розмістити ядро ​​A7 на площі всього в 1/3-1/2 ядра Cortex A8. Стандартний дизайн ядер A9 за площею відповідає A8, тоді як площа A15 більша, ніж у обох.

Незважаючи на обмежені можливості виконання складних інструкцій, ARM очікує, що архітектура Cortex A7 забезпечить більш високу продуктивність у порівнянні з Cortex A8. Це частково досягається завдяки вдосконаленому модулю прогнозу розгалужень і зменшеному конвеєру, що скорочує можливість неправильного прогнозування переходу. Cortex A7 відрізняється покращеними алгоритмами вибірки команд та більш швидкісною кеш-пам'яттю L2, що також дозволяє збільшити загальну ефективність обчислень.

Втім, через деякі обмеження у певних завданнях продуктивність Cortex A7 перебуватиме на рівні з Cortex A8 або навіть поступатиметься останньому. Рейтинг очікуваної продуктивності DMIPS/МГц для різних ядер ARM виглядає так:

• ARM11 - 1,25 DMIPS/МГц;
• ARM Cortex A7 - 1,9 DMIPS/МГц;
• ARM Cortex A8 - 2 DMIPS/МГц;
• ARM Cortex A9 - 2,5 DMIPS/МГц;
• Qualcomm Scorpion - 2,1 DMIPS/МГц;
• Qualcomm Krait - 3,3 DMIPS/МГц.

Найважливіше ж те, що ядра Cortex A7 є на 100% ISA-сумісними з Cortex A15, тобто підтримують нові інструкції віртуалізації та 40-бітну адресацію пам'яті. В результаті будь-який код, написаний для Cortex A15, може виконуватися на Cortex A7 лише повільніше. Це дуже важлива характеристика, яка дозволяє виробникам проектувати системи на чіпі, що оснащені як ядрами Cortex A7, так і Cortex A15, перемикаючись між ними залежно від завдання. ARM називає це конфігурацією big.LITTLE.

Архітектура Cortex A15 стане значним кроком уперед із погляду продуктивності архітектур ARM. Вона спрямована на протистояння з чіпами x86 початкового рівня. Ядра Cortex A15 з'являться у майбутніх смартфонах та планшетах, поступово витісняючи Cortex A9 у рішеннях високого класу. У складних завданнях Cortex A15, як очікується, будуть енергоефективнішими, ніж A9.

Однак фонові та найпростіші завдання на смартфонах часом не потребують такої продуктивності, і їх виконання на потужному ядрі A15 не дуже ефективне з точки зору споживання енергії. Тут і виходить на перший план A7. Хоча Cortex A7 можна застосовувати як самостійні обчислювальні ядер (і, звичайно, вони і будуть так використовуватися в дешевих апаратах), партнери ARM можуть інтегрувати ядра Cortex A7 поряд з Cortex A15 в конфігурації big.LITTLE.

Оскільки A7 і A15 можуть виконувати одні й самі інструкції, системи на чіпі, оснащені ядрами обох архітектур, можуть перемикати завдання з енергоефективних на високопродуктивні, залежно від необхідності. Несуперечність вмісту кешів забезпечується зв'язком CCI-400. ARM повідомляє, що чіп може перемикатися між кластерами з різними ядрами за 20 мілісекунд.

Якщо все працюватиме так, як описує ARM, така архітектура виявиться повністю прозорою для ОС, як і у випадку з Tegra 3, і не знадобиться жодних програмних оптимізацій для збільшення енергоефективності. Втім, виробники, як зазначає ARM, зможуть повідомити ОС про реальну кількість обчислювальних ядер, якщо їм буде необхідний такий підхід.

На основі Cortex A7 можна буде створювати процесори, оснащені від 1 до 4 таких ядер, як самостійних, так і в конфігурації з A15. ARM очікує, що вже на початку наступного року вийдуть перші 40-нм чіпи, що базуються на A7. Вони будуть застосовуватися в дешевих 2-ядерних смартфонах вартістю до $100 і ще більш дешевих одноядерних. Також наступного року мають з'явитися і 28-нм чіпи, що поєднують як ядра Cortex A7, так і A15 на єдиному кристалі.

Таким чином, Cortex A7 є чудовою архітектурою, здатною не тільки забезпечити набагато більш високе співвідношення продуктивності та ціни в порівнянні з A8, але й значно збільшити час автономної роботи смартфонів як високого класу, так і початкового рівня. Епоха неоднорідних обчислень, як наступна фаза розвитку мікропроцесорів, швидко наближається.

Переважна більшість сучасних гаджетів використовують процесори на архітектурі ARM, розробкою якої займається однойменна компанія ARM Limited. Що цікаво, компанія сама не виробляє процесори, лише ліцензує свої технології для сторонніх виробників чіпів. Крім цього, компанія також розробляє процесорні ядра Cortex та графічні прискорювачі Mali, яких ми обов'язково торкнемося у цьому матеріалі.

Компанія ARM фактично є монополістом у своїй області, і переважна більшість сучасних смартфонів і планшетів на різних мобільних операційних системах використовують процесори саме на архітектурі ARM. Виробники чіпів ліцензують у ARM окремі ядра, набори інструкцій та супутні технології, причому вартість ліцензій значно відрізняється залежно від типу процесорних ядер (це можуть бути як малопотужні бюджетні рішення, так і ультрасучасні чотириядерні і навіть восьмиядерні чіпи) та додаткових компонентів. Річний звіт про прибуток ARM Limited за 2006 рік показав виручку в 161 мільйон доларів за ліцензування близько 2,5 мільярда процесорів (у 2011 році цей показник склав уже 7,9 млрд), що означає приблизно 0,067 доларів за один чіп. Втім, з озвученої вище причини, це дуже усереднений показник через різницю в цінах на різні ліцензії, і з того часу прибуток компанії повинен був зрости багаторазово.

В даний час ARM-процесори мають дуже широке поширення. Чіпи на цій архітектурі використовуються всюди, аж до серверів, але найчастіше ARM можна зустріти у вбудовуваних та мобільних системах, починаючи з контролерів для жорстких дисків та закінчуючи сучасними смартфонами, планшетами та іншими гаджетами.

ARM розробляє кілька сімейства ядер, які використовуються для різних завдань. Наприклад, процесори, засновані на Cortex-Mx і Cortex-Rx (де "х" - цифра або число, що позначає точний номер ядра) використовуються у системах, що вбудовуються, і навіть побутових пристроях, наприклад, роутерах або принтерах.

Докладно на них ми зупинятися не будемо, адже нас насамперед цікавить сімейство Cortex-Ax — чіпи з такими ядрами використовуються в найбільш продуктивних пристроях, зокрема смартфонах, планшетах та ігрових консолях. ARM постійно працює над новими ядрами з лінійки Cortex-Ax, але на момент написання цієї статті у смартфонах використовуються такі:

Cortex-A5;
Cortex-A7;
Cortex-A8;
Cortex-A9;
Cortex-A12;
Cortex-A15;
Cortex-A53;

Чим більша цифра — тим вища продуктивність процесора і, відповідно, дорожчий клас пристроїв, у яких він використовується. Втім, варто зазначити, що це правило не завжди дотримується: наприклад, чіпи на ядрах Cortex-A7 мають більшу продуктивність, ніж на Cortex-A8. Тим не менш, якщо процесори на Cortex-A5 вже вважаються чи не застарілими і майже не використовуються в сучасних пристроях, то CPU на Cortex-A15 можна знайти у флагманських комунікаторах та планшетах. Нещодавно ARM офіційно оголосила про створення нових, потужніших і, одночасно, енергоефективних ядер Cortex-A53 і Cortex-A57, які будуть об'єднані на одному чіпі із застосуванням технології ARM big.LITTLE і підтримувати набір команд ARMv8 (“версію архітектури”) , але нині вони застосовуються у масових споживчих пристроях. Більшість чіпів з ядрами Cortex можуть бути багатоядерними, і в сучасних топових смартфонах поширення отримали чотириядерні процесори.

Великі виробники смартфонів і планшетів зазвичай використовують процесори відомих чіпмейкерів на кшталт Qualcomm або власні рішення, які вже встигли стати досить популярними (наприклад, Samsung та її сімейство чіпсетів Exynos), але серед технічних характеристик гаджетів більшості невеликих компаній найчастіше можна зустріти опис на кшталт “процесор Cortex-A7 із тактовою частотою 1 ГГц” або “двоядерний Cortex-A7 із частотою 1 ГГц”, яке звичайному користувачеві нічого не скаже. Для того, щоб розібратися, у чому полягає відмінність таких ядер між собою, зупинимося на основних.

Cortex-A5

Ядро Cortex-A5 використовується у недорогих процесорах для найбільш бюджетних пристроїв. Такі пристрої призначені тільки для виконання обмеженого кола завдань і запуску простих додатків, але не розраховані на ресурсомісткі програми і, тим більше, ігри. Як приклад гаджета з процесором на Cortex-A5 можна назвати Highscreen Blast, який отримав чіп Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225, що містить два ядра Cortex-A5 із тактовою частотою 1,2 ГГц.

Cortex-A7

Процесори на Cortex-A7 більш потужні, ніж чіпи Cortex-A5, а крім того, більш поширені. Такі чіпи виконуються за 28-нанометровим техпроцесом і мають великий кеш другого рівня до 4 мегабайт. Ядра Cortex-A7 зустрічаються, переважно, в бюджетних смартфонах і недорогих пристроях середнього сегмента на зразок iconBIT Mercury Quad, а також, як виняток, у Samsung Galaxy S IV GT-i9500 з процесором Exynos 5 Octa - цей чіпсет при виконанні невибагливих завдань використовує енергозберігання Чотирьохядерний процесор на Cortex-A7.

Cortex-A8

Ядро Cortex-A8 не так поширене, як його "сусіди", Cortex-A7 і Cortex-A9, але все ж таки використовується в різних гаджетах початкового рівня. Робоча тактова частота чіпів на Cortex-A8 може становити від 600 МГц до 1 ГГц, але іноді виробники розганяють процесори до більш високих частот. Особливістю ядра Cortex-A8 є відсутність підтримки багатоядерних конфігурацій (тобто процесори на цих ядрах можуть бути тільки одноядерними), а виконуються вони за 65-нанометровим техпроцесом, який вже вважається застарілим.

Сortex-A9

Ще кілька років тому ядра Cortex-A9 вважалися топовим рішенням і використовувалися як у традиційних одноядерних, так і потужніших двоядерних чіпах, наприклад Nvidia Tegra 2 і Texas Instruments OMAP4. В даний час процесори на Cortex-A9, виконані за 40-нанометровим техпроцесом, не втрачають популярності і використовуються в багатьох смартфонах середнього сегменту. Робоча частота таких процесорів може становити від 1 до 2 і більше гігагерц, але вона обмежується 1,2-1,5 ГГц.

Cortex-A12

У червні 2013 року компанія ARM офіційно представила ядро ​​Cortex-A12, яке виконується за новим 28-нанометровим техпроцесом і покликане замінити ядра Cortex-A9 у смартфонах середнього сегмента. Розробник обіцяє збільшення продуктивності на 40% у порівнянні з Cortex-A9, а крім того, ядра Cortex-A12 зможуть брати участь в архітектурі ARM big.LITTLE як продуктивні разом з енергозберігаючими Cortex-A7, що дозволить виробникам створювати недорогі восьмиядерні чіпи. Правда, на момент написання статті все це тільки в планах, і масове виробництво чипів на Cortex-A12 ще не налагоджено, хоча компанія RockChip вже оголосила про свій намір випустити чотириядерний процесор на Cortex-A12 із частотою 1,8 ГГц.

Cortex-A15

На 2013 рік ядро ​​Cortex-A15 та його похідні є топовим рішенням та використовується у чіпах флагманських комунікаторів різних виробників. Серед нових процесорів, виконаних за 28-нм техпроцесом і заснованих на Cortex-A15 – Samsung Exynos 5 Octa та Nvidia Tegra 4, а також це ядро ​​нерідко є платформою для модифікацій інших виробників. Наприклад, останній процесор Apple A6X використовує ядра Swift, які є модифікацією Cortex-A15. Чіпи на Cortex-A15 здатні працювати на частоті 1,5-2,5 ГГц, а підтримка безлічі стандартів сторонніх компаній і можливість адресувати до 1 ТБ фізичної пам'яті уможливлює застосування таких процесорів в комп'ютерах (як тут не згадати міні-комп'ютер розміром з банківську карту Raspberry Pi).

Cortex-A50 series

У першій половині 2013 року ARM представила нову лінійку чіпів, яка дістала назву Cortex-A50 series. Ядра цієї лінійки будуть виконані за новою версією архітектури, ARMv8, і підтримуватимуться нові набори команд, а також стануть 64-бітними. Перехід на нову розрядність вимагатиме оптимізації мобільних операційних систем та додатків, але, зрозуміло, збережеться підтримка десятків тисяч 32-бітових додатків. Першою на 64-бітну архітектуру перейшла компанія Apple. Останні пристрої компанії, наприклад, iPhone 5S, працюють саме на такому ARM-процесорі Apple A7. Примітно, що він не використовує ядра Cortex – замінені на власні ядра виробника під назвою Swift. Одна з очевидних причин необхідності переходу до 64-бітових процесорів — підтримка понад 4 ГБ оперативної пам'яті, а, крім того, можливість оперувати при обчисленні значно більшими числами. Звичайно, поки що це актуально, насамперед, для серверів та ПК, але ми не здивуємося, якщо через кілька років на ринку з'являться смартфони та планшети з таким обсягом ОЗУ. На сьогоднішній день про плани випуску чіпів на новій архітектурі та смартфонів з їх використанням нічого не відомо, але, ймовірно, саме такі процесори і отримають флагмани в 2014 році, про що вже заявила компанія Samsung.

Cortex-A53

Відкриває серію ядро ​​Cortex-A53, яке буде прямим спадкоємцем Cortex-A9. Процесори на Cortex-A53 помітно перевершують чіпи на Cortex-A9 у продуктивності, але при цьому зберігається низьке енергоспоживання. Такі процесори можуть бути використані як поодинці, так і в конфігурації ARM big.LITTLE, об'єднані на одному чіпсеті з процесором на Cortex-A57

Процесори на Cortex-A57, які будуть виконані за 20-нанометровим техпроцесом, повинні стати найпотужнішими ARM-процесорами у найближчому майбутньому. Нове ядро ​​значно перевершує свого попередника, Cortex-A15 за різними параметрами продуктивності (порівняння ви можете бачити вище), і, за словами ARM, яка серйозно націлена на ринок ПК, стане вигідним рішенням для звичайних комп'ютерів (включаючи лептопи), а не тільки мобільних пристроїв.

Як високотехнологічне вирішення проблеми енергоспоживання сучасних процесорів ARM пропонує технологію big.LITTLE, суть якої полягає в об'єднанні на одному чіпі ядер різних типів, як правило, однакової кількості енергозберігаючих та високопродуктивних.

Існує три схеми роботи ядер різного типу на одному чіпі: big.LITTLE (міграція між кластерами), big.LITTLE IKS (міграція між ядрами) та big.LITTLE MP (гетерогенний мультипроцесинг).

big.LITTLE (міграція між кластерами)

Першим чіпсетом на архітектурі ARM big.LITTLE став процесор Samsung Exynos 5 Octa. У ньому використовується оригінальна схема big.LITTLE “4+4”, що означає об'єднання у два кластери (звідси і назва схеми) на одному кристалі чотирьох високопродуктивних ядер Cortex-A15 для ресурсоємних додатків та ігор та чотирьох енергозберігаючих ядер Cortex-A7 для повсякденної роботи з більшістю програм, причому одночасно можуть працювати ядра лише одного типу. Перемикання між групами ядер відбувається практично миттєво і непомітно для користувача повністю автоматичному режимі.

Більш складна реалізація архітектури big.LITTLE — об'єднання кількох реальних ядер (як правило двох) в одне віртуальне, кероване ядром операційної системи, яке вирішує, які ядра — енергоефективні або продуктивні. Вочевидь, віртуальних ядер також кілька — на ілюстрації наведено приклад схеми IKS, де у кожному з чотирьох віртуальних ядер перебувають у одному ядру Cortex-A7 і Cortex-A15.

Схема big.LITTLE MP є найбільш "просунутою" - у ній кожне ядро ​​є незалежним і може включатися ядром ОС за потребою. Це означає, що якщо використовуються чотири ядра Cortex-A7 і стільки ж ядер Cortex-A15, у чіпсеті, побудованому на архітектурі ARM big.LITTLE MP, зможуть працювати одночасно всі 8 ядер, навіть незважаючи на те, що вони мають різні типи. Одним з перших процесорів такого типу став восьмиядерний чіп компанії, який може працювати на тактовій частоті 2 ГГц, а також записувати та відтворювати відео в роздільній здатності UltraHD.

Майбутнє

За наявною зараз інформацією, найближчим часом ARM спільно з іншими компаніями планує налагодити випуск big.LITTLE чіпів наступного покоління, які будуть використовувати нові ядра Cortex-A53 і Cortex-A57. Крім того, бюджетні процесори на ARM big.LITTLE збирається випускати китайський виробник MediaTek, які будуть працювати за схемою "2+2", тобто використовувати дві групи по два ядра.

Крім процесорів, ARM також розробляє графічні прискорювачі сімейства Mali. Подібно до процесорів, графічні прискорювачі характеризуються безліччю параметрів, наприклад, рівнем згладжування, інтерфейсом шини, кешем (надшвидка пам'ять, що використовується для підвищення швидкості роботи) та кількістю “графічних ядер” (хоча, як ми писали в минулій статті, цей показник, незважаючи на схожість терміном, що використовується при описі CPU, практично не впливає на продуктивність при порівнянні двох GPU).

Першим графічним прискорювачем ARM став Mali 55, який нині не використовується, який був використаний в сенсорному телефоні LG Renoir (так-так, найзвичайнішому стільниковому телефоні). GPU не використовувався в іграх - тільки для малювання інтерфейсу, і мав примітивні за нинішніми мірками характеристики, але саме він став "родоначальником" серії Mali.

З тих пір прогрес зробив крок далеко вперед, і зараз чимале значення мають підтримувані API і ігрові стандарти. Наприклад, підтримка OpenGL ES 3.0 зараз заявлена ​​тільки в найпотужніших процесорах на кшталт Qualcomm Snapdragon 600 і 800, а якщо говорити про продукцію ARM, то стандарт підтримують такі прискорювачі, як Mali-T604 (саме він став першим графічним процесором ARM, виконаним на нової мікроархітектури Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 та деякі інші близькі до них за характеристиками чіпи. Той чи інший GPU, як правило, тісно пов'язаний з ядром, але, проте, вказується окремо, а, отже, якщо вам важлива якість графіки в іграх, то варто подивитися на назву прискорювача в специфікаціях смартфона або планшета.

Є у ARM у лінійці та графічні прискорювачі для смартфонів середнього сегмента, найбільш поширеними серед яких є Mali-400 MP та Mali-450 MP, які відрізняються від своїх старших братів порівняно невеликою продуктивністю та обмеженим набором API та підтримуваних стандартів. Незважаючи на це, зазначені GPU продовжують використовуватися в нових смартфонах, наприклад, Zopo ZP998, який отримав графічний прискорювач Mali-450 MP4 (покращену модифікацію Mali-450 MP) до восьмиядерного процесора MTK6592.

Імовірно, наприкінці 2014 року мають з'явитися смартфони з найновішими графічними прискорювачами ARM: Mali-T720, Mali-T760 та Mali-T760 MP, які були представлені у жовтні 2013 року. Mali-T720 має стати новим GPU для недорогих смартфонів та першим графічним процесором цього сегмента з підтримкою Open GL ES 3.0. Mali-T760, у свою чергу, стане одним з найбільш потужних мобільних графічних прискорювачів: за заявленими характеристиками, GPU має 16 обчислювальних ядер і має воістину величезну обчислювальну потужність, 326 Гфлопс, але, в той же час, у чотири рази меншим енергоспоживанням, ніж згаданий вище Mali-T604.

Роль CPU та GPU від ARM на ринку

Незважаючи на те, що компанія ARM є автором та розробником однойменної архітектури, яка, повторимося, зараз використовується в переважній більшості мобільних процесорів, її рішення у вигляді ядер та графічних прискорювачів не користуються популярністю у великих виробників смартфонів. Наприклад, справедливо вважається, що флагманські комунікатори на Android OS повинні мати процесор Snapdragon з ядрами Krait і графічний прискорювач Adreno від Qualcomm, чіпсети цієї компанії використовуються в смартфонах на Windows Phone, а деякі виробники гаджетів, наприклад, Apple, розробляють власні ядра . Чому ж нині склалася саме така ситуація?

Можливо, частина причин може лежати глибше, але одна з них – відсутність чіткого позиціонування CPU та GPU від ARM серед продуктів інших компаній, внаслідок чого розробки компанії сприймаються як базові компоненти для використання у пристроях B-брендів, недорогих смартфонах та створення на їх основі. зрілих рішень. Наприклад, компанія Qualcomm майже на кожній своїй презентації повторює, що однією з її головних цілей при створенні нових процесорів є зменшення енергоспоживання, а її ядра Krait, будучи доопрацьованими ядрами Cortex, стабільно показують вищі результати продуктивності. Аналогічне твердження справедливе і для чіпсетів Nvidia, які орієнтовані на ігри, а щодо процесорів Exynos від Samsung і A-серії від Apple, то вони мають свій ринок за рахунок установки в смартфони цих же компаній.

Вищесказане зовсім не означає, що розробки ARM значно гірші за процесори та ядер сторонніх компаній, але конкуренція на ринку в кінцевому підсумку йде покупцям смартфонів тільки на користь. Можна сказати, що ARM пропонує деякі заготівлі, купуючи ліцензію на які, виробники вже можуть самостійно їх доопрацювати.

Висновок

Мікропроцесори на архітектурі ARM успішно завоювали ринок мобільних пристроїв завдяки низькому енергоспоживання та порівняно великій обчислювальній потужності. Раніше з ARM конкурували інші RISC-архітектури, наприклад, MIPS, але зараз у неї залишився лише один серйозний конкурент - компанія Intel з архітектурою x86, яка, до речі, хоч і активно бореться за свою частку ринку, доки не сприймається ні споживачами, ні більшістю виробників серйозно, особливо за фактичної відсутності флагманів на ній (Lenovo K900 зараз уже не може конкурувати з останніми топовими смартфонами на ARM-процесорах).

Здрастуйте наші улюблені читачі. Сьогодні ми розповімо вам про архітектуру процесорів Cortex a53.

Ви навіть не підозрюєте, як багато ваших гаджетів працює завдяки цьому процесору. Мало хто знає про особливості ядер техніки і що відрізняє їх один від одного. У цій статті ви дізнаєтесь про особливості конкретного популярного Cortex a53.

Характеристики

Дані процесори можуть мати від 1 до 8 ядер, систему пам'яті типу L1 та загальний кеш L2. Щоб розуміти, що відрізняє основну складову практично усієї техніки цієї моделі від інших, потрібно знати її переваги:

• Високопродуктивність (підтримка широкого спектру мобільних програм, DTV, аерокосмічних машин, сховищ та іншої техніки подібного зразка);
• Високоякісна архітектура Army8-A для автономних конструкцій початкового рівня;
• Універсальність (може бути пов'язана з будь-якими процесорами, такими як Cortex-A72, Cortex-A57 та інші);
• Якісний продукт із великим обсягом завантаження.

Це основні сильні сторони цього продукту, проте далеко не всі його переваги. Ядро цієї марки виконує безліч функцій:

• Підтримує до 64bit та архітектури найновіших версій;
• Технологія безпеки TrustZone;
• Розширення DSP та SIMD;
• 8-ступінчастий конвеєр з двома виходами та покращеним цілим числом;
• Може працювати на частоті від 1,5 ГГц;
• Підтримка віртуалізації обладнання.

Це стандартний набір функцій цієї технічної складової, проте це далеко не всі функції, які виконує цей складний механізм.

Де найчастіше використовується

Процесори даного типу зустрічаються не тільки в смартфонах середнього класу (Xiaomi redmi 4, Redmi 3s, Meizu m3/m5 Note та ін), а й у наступних технологіях:

• Авіаційно-космічна техніка;
• Мережа;
• Сховища даних (типу HDD, SDD);
• Автомобільна інформаційно-розважальна система;

Додаткові можливості

• Трубопровід, що відповідає за низьке енергоспоживання;
• Висока пропускна здатність, що дозволяє виконувати одночасно кілька команд;
• Розширені функції енергозбереження.

Процесор пов'язаний з різними IP

Дана техніка використовується в SoC, а також у технологіях типу Arm, графічних IP, системних IP та фізичних IP. Ми надаємо повний список інструментів, в яких може бути використаний з ядром цієї марки :

• Mali-T860/Mali-T880;
• Mali-DP550;
• Mali-V550;
• CoreLink;
• Контролер пам'яті;
• Контролер переривань;
• Студія розробки DS-5;
• ARM компілятор;
• Дошки розробки;
• Швидкі моделі.

Існує 2 типи процесорів Cortex a53:

• AArch64 – дає можливість встановлювати та використовувати 64-бітові програми;
• AArch32 – дає можливість використовувати лише наявні програми Armv7-A.

Для чого вам потрібна ця вся технічна інформація

Якщо ви нічого не знаєте в техніці і параметрах, то більш простими словами Cortex a53 забезпечує набагато більшу продуктивність, ніж його попередники з більш високим рівнем енергоефективності. Продуктивність ядра навіть вища, ніж у марки Cortex-A7, що стоїть на багатьох популярних смартфонах.

Архітектура Armv8-A це те, що визначає функціональність технологій. У цієї марки ядра стоїть 64-бітна обробка даних, розширена віртуальна адресація та 64-розрядні регістри загального призначення. Всі ці функції зробили цей процесор першим, який був призначений для забезпечення енергоефективної 64-бітної обробки.

Таким чином, ви зрозуміли, що процесор Cortex a53 є іменною технічною складовою, яку не потрібно пропускати, вибираючи техніку. Якщо у вашому смартфоні стоїть такий процесор з використанням даної архітектури, вам не потрібно турбуватися про нестачу пам'яті або про швидке розрядження телефону. Усі ці проблеми у минулому.

Ми сподіваємось, що наша стаття була вам корисною. Якщо це так – підписуйтесь на наші групи в соціальних мережах і стежте за новими статтями, які можуть вам стати у нагоді. Не забувайте про наш канал YouTube.

У цьому матеріалі йтиметься про процесорну архітектуру. Напівпровідникові продукти на її основі можна зустріти у смартфонах, роутерах, планшетних ПК та інших мобільних пристроях, де вона донедавна займала провідні позиції у цьому сегменті ринку. Зараз її поступово витісняють нові й свіжі процесорні рішення.

Коротка довідка про компанію ARM

Історія компанії ARM почалася в 1990 році, коли вона була заснована Робін Саксбі. Основою для її створення стала нова мікропроцесорна архітектура. Якщо до цього панівні позиції над ринком ЦПУ займала х86 чи CISC , то після створення цієї компанії з'явилася гідна альтернатива як RISC. У першому випадку виконання програмного коду зводилося до 4 етапів:

Одержання машинних вказівок.

Виконує перетворення мікрокоду.

Одержання мікроінструкцій.

Поетапне виконання мікроінструкцій.

Про основна ж ідея архітектуриRISЗ полягала в тому, що обробку програмного коду можна звести до 2 етапів:

Отримання RISC-інструкції.

Обробка RISC-інструкції.

До ак у першому, і у другий випадок є як плюси, і істотні недоліки. х86 успішно завоювала комп'ютерний ринок, аRISC (у тому числі й , представлена ​​2011) - ринок мобільних пристроїв.

Історія появи архітектури Cortex A7. Ключові особливості

Як основу для «Кортекс А7» виступала «Кортекс А8». Основна ідея розробників у цьому випадку зводилася до того, щоб збільшити продуктивність та значно покращити енергоефективність процесорного рішення. Саме це зрештою і вийшло у інженерів компанії ARM. Ще однією важливою особливістю в даному випадку стало те, що з'явилася можливість створення ЦПУ з технологією big.LITTLE. Тобто напівпровідниковий кристал міг включати 2 обчислювальні модулі. Один із них був націлений на вирішення найпростіших завдань із мінімальним енергоспоживанням і, як правило, у цій ролі й виступали ядра «Кортекс А7». Другий був призначений для запуску найбільш складного софту і базувався на обчислювальних блоках «Кортекс А15» або «Кортекс А17». Офіційно «Кортекс А7» було представлено, як було зазначено раніше, у 2011 році. А перший процесор ARM Cortex A7 побачив світло роком пізніше, тобто у 2012 році.

Технологія виробництва

Спочатку напівпровідникові продукти на основі А7 вироблялися за технологічними нормами 65 нм. Нині ця технологія безнадійно застаріла. Надалі було випущено ще два покоління процесорів А7 за нормами допуску вже 40 нм та 32 нм. Але й вони вже стали неактуальними. Найсвіжіші моделі ЦПУ на основі цієї архітектури виготовляються вже за нормами 28 нм, і саме їх поки що можна зустріти у продажу. Подальший перехід на нові з новими нормами допуску і застарілою архітектурою чекати навряд чи варто. Чіпи на базі А7 зараз займають найбюджетніший сегмент ринку мобільних пристроїв і їх поступово витісняють вже гаджети на основі А53, яка практично при тій же енергоефективності параметрах має більш високий рівень швидкодії.

Архітектура мікропроцесорного ядра

1, 2, 4 чи 8 ядер може входити до складу ЦПУ на базі ARM Cortex A7. Характеристики процесорів у разі вказують те що, що до складу чіпа входять, сутнісно, ​​2 кластери по 4 ядра.2-3 роки процесорні продукти початкового рівня грунтувалися на чіпах з 1-м або 2-ма обчислювальними модулями. Середній рівень займали 4-ядерні рішення. Ну а преміум-сегмент був за 8-ядерними чіпами. Кожне мікропроцесорне ядро ​​на основі такої архітектури включало такі модулі:

Б лок обробки чисел з плаваючою комою (FPU).

Кеш 1-го рівня.

Блок NEONдля оптимізації роботи ЦПУ

Обчислювальний модульARMv7.

Також були такі загальні компоненти для всіх ядер у складі ЦПУ:

Кеш L2.

Блок керування ядрами CoreSight.

Контролер шин управління даними АМВА з розрядністю 128 біт.

Можливі частоти

Максимальне значення тактової частоти для мікропроцесорної архітектури може змінюватися від 600 МГц до 3 ГГц. Також необхідно зазначити, що цей параметр, який вказує на максимальний вплив на продуктивність обчислювальної системи, змінюється. Причому на частоту впливає відразу три фактори:

Рівень складності задачі.

Ступінь оптимізації програмного забезпечення під багатопоточність.

Поточне значення температури напівпровідникового кристала.

Як приклад розглянемо алгоритм роботи чіпа МТ6582, який базується на А7 і включає 4 обчислювальні блоки, частота яких змінюється від 600 МГц до 1,3 ГГц. У режимі простою у цього процесорного пристрою може бути лише один блок обчислень, і він функціонує на мінімально можливій частоті в 600 МГц. Аналогічна ситуація буде і в тому випадку, коли буде запущено просте програмне забезпечення на мобільному гаджеті. Але коли ж у списку завдань з'явиться ресурсомістка іграшка з оптимізацією під багатопоточність, то автоматично ввійдуть у роботу всі 4 блоки обробки програмного коду на частоті 1,3 ГГц. У міру нагрівання ЦПУ найбільш гарячі ядра знижуватимуть значення частоти або навіть відключатимуться. З одного боку, такий підхід забезпечує енергоефективність, з другого — прийнятний рівень швидкодії чіпа.

Кеш-пам'ять

Лише 2 рівні кешу передбачено в ARM Cortex A7. Характеристики напівпровідникового кристала, у свою чергу, вказують на те, що перший рівень обов'язково розділений на 2 рівні половинки. Одна з нихповинна зберігати дані, а інша – інструкції.Сумарний розмір кеша на 1-му рівніза специфікаціями може дорівнювати 64 Кб. Як результат, отримуємо 32 Кб для даних та 32 Кб для коду.Кеш 2-го рівня в цьому випадку буде зависе ть від конкретної моделі ЦПУ. Найменший обсяг його може дорівнювати 0 Мб (тобто бути відсутнім), а найбільший - 4 Мб.

Контролер оперативної пам'яті. Його особливості

Вбудований контролер оперативної пам'яті комплектується будь-яким процесором ARM Cortex A7. Характеристики технічного плану вказують на те, що він орієнтований на роботу у зв'язці із ОЗУ стандарту LPDDR3. Рекомендовані частоти функціонування оперативної пам'яті у разі рівні 1066 МГц чи 1333 МГц. Максимальний розмір ОЗУ, який можна зустріти на практиці, для даної моделі чіпа дорівнює 2 Гб.



Інтегрована графіка

Як і належить, дані мікропроцесорні пристрої мають інтегровану графічну підсистему. Компанія-виробник ARM рекомендує використовувати у поєднанні з цим ЦПУ графічну карту власної розробки Mali-400MP2. Але її продуктивності найчастіше замало у тому, щоб розкрити потенціал мікропроцесорного устройства. Тому розробники чіпів застосовують у поєднанні з цим чіпом продуктивніші адаптери, наприклад, Power VR6200.

Програмні особливості

Три види операційних систем націлено на процесори ARM:

Android від пошукового гіганта Google.

iOS від APPLE.

Windows Mobile від "Майкрософт".

Все інше системне програмне забезпечення поки не набуло великого поширення. Найбільшу частку ринку такого софту, як не складно здогадатися, займає саме Android. Ця система має простий і зрозумілий інтерфейс і пристрої на її основі початкового рівня є дуже доступними. До версії 4.4 включно вона була 32-бітною, а з 5.0 почала підтримувати 64-розрядні обчислення. Ця ОС успішно функціонує будь-якому сімействі ЦПУ архітектури RISC , зокрема і ARM Cortex A7. Інженерне меню – це ще одна важлива особливість цього системного софту. З її допомогою можна суттєво переналаштувати можливості ОС. Доступ до цього меню можна отримати за допомогою коду, який для кожної моделі ЦПУ індивідуальний.

Ще вона важлива особливість цієї ОС – встановлення всіх можливих оновлень автоматично. Тому навіть нові можливості можуть з'явитися на чіпах ARM Cortex A7. Прошивка може додати. Друга система орієнтована на мобільні гаджети компанії APPLE. Такі пристрої в основному займають преміум-сегмент і мають відповідні рівні швидкодії та вартість. Остання ОС в особі Windows Mobile поки не набула великого поширення. Пристрої на її основі є в будь-якому сегменті мобільних гаджетів, але мала кількість прикладного софту в даному випадку є стримуючим фактором для її поширення.



Моделі процесорів

Найбільш доступними та найменш продуктивними в цьому випадку є 1-ядерні чіпи. Найбільшого поширення серед них набув МТ6571 від компанії МедіаТек. На сходинку вище розташовані двоядерні ЦПУ ARM Cortex A7 Dual Core. Як приклад можна навести МТ6572 від того самого виробника. Ще більший рівень швидкодії забезпечували Quad Core ARM Cortex A7. Найбільш популярним чіпом із цього сімейства є МТ6582, який зараз навіть можна зустріти у мобільних гаджетах початкового рівня. А найбільший рівень швидкодії забезпечували 8-ядерні центральні процесори, яких належав МТ6595.

Подальші перспективи розвитку

Поки що можна зустріти на прилавках магазинів мобільні пристрої, в основі яких лежить напівпровідниковий процесорний пристрій на базі 4X ARM Cortex A7. Це і МТ6580, МТ6582 та «Снапдрагон 200». Всі ці чіпи включають 4 обчислювальні блоки і мають відмінний рівень енергоефективності. Також ціна в цьому випадку дуже і дуже скромна. Але все ж таки найкращі часи це мікропроцесорної архітектури вже позаду. Пік продажів продукції на її основі припав на 2013-2014 роки, коли на ринку мобільних гаджетів вона практично не мала альтернативи. Причому в цьому випадку йдеться як про бюджетні пристрої з 1 або 2 обчислювальними модулями, так і з флагманськими гаджетами з 8-ядерним ЦПУ. На даний момент її поступово з ринку витісняє "Кортекс А53", яка по суті є модифікованою 64-бітною версією А7. При цьому основні переваги своєї попередниці вона зберегла цілком і повністю, і майбутнє вже точно за нею.



Думка експертів та користувачів. Реальні відгуки про чіпи на основі даної архітектури. Сильні і слабкі сторони

Безумовно, знаковою подією світу мобільних пристроїв стала поява архітектури мікропроцесорних пристроїв ARM Cortex A7. Найкращим доказом цього є те, що пристрої на її базі вже успішно продаються понад 5 років. Звичайно, зараз уже можливостей ЦПУ на основі А7 вже недостатньо навіть для вирішення завдань середнього рівня, але найпростіший програмний код на таких чіпах і до цього дня успішно функціонує. У перелік такого софту входить відтворення відео, прослуховування аудіозаписів, читання книг, веб-серфінг і навіть найпростіші іграшки у цьому випадку запустяться без особливих проблем. Саме на цьому і акцентують увагу на провідних тематичних порталах, присвячених мобільним гаджетам та девайсам як провідні фахівці такого плану, так і звичайні користувачі. Ключовий мінус А7 - відсутність підтримки 64-бітних обчислень. Ну а до основних плюсів її можна віднести ідеальне поєднання енергоефективності та продуктивності.



Підсумки

Безумовно, Cortex A7 це ціла епоха у світі мобільних пристроїв. Саме з її появою мобільні пристрої стали доступними та досить продуктивними. І один той факт, що вона вже понад 5 років успішно продається, зайве тому підтвердження. Але якщо спочатку гаджети на її базі займали середній та преміум сегменти ринку, то зараз за ними залишився лише бюджетний клас. Ця архітектура застаріла і поступово відходить у минуле.

ARM Cortex-A7 MPCore - процесорне ядро ​​для мобільних пристроїв, спеціально для бюджетного сектору ринку, розроблене ARM Holdings та реалізує архітектуру ARM v7. Було анонсовано у жовтні 2011 року на ARM TechCon, кодове ім'я розробки – Cortex-A7 «Kingfisher».
Основні завдання ядра: стати швидшою, енергоефективною і меншою за розміром заміною Cortex A8; використання у рішеннях архітектури big.LITTLE, що комбінує одне або кілька ядер Cortex A7 з одним або декількома ядрами Cortex A15 у гетерогенній обчислювальній системі. Для подібного використання ядро ​​було створено повністю сумісним за архітектурними настройками з Cortex A15. Іншими словами, ARM Cortex-A7 MPCore перейняв деякі особливості моделі процесора Cortex-A15 і може похвалитися високими показниками енергоефективності.
Частота центрального процесора від 0.6 до 3 ГГц, хоча максимальна частота ARM Cortex-A7 встановлена ​​на значенні 1.5 ГГц. Технологія виробництва – від 65 до 28 нм. Набір інструкцій користувача ARMv7. Число ядер від 1 до 4 у кластері, до 2 кластерів на кристал. Кеш-пам'ять першого рівня (L1): 8-64 Кбайт I, 8-64 Кбайт D та кеш-пам'ять другого рівня (L2): 0–1024 Кбайт (конфігурується спільно з контролером L2-кешу)