Мобильные процессоры ARM. ARM процессор - мобильный процессор для смартфонов и планшетов

Мы уже давно знаем, что в конце 2013—начале 2014 года мы увидим первые процессоры ARM, поддерживающие 64-битный набор инструкций ARMv8. Однако что это будут за CPU, пока оставалось загадкой. Во время прошедшей конференции ARM TechCon британский разработчик чипов представил два своих новых процессора Cortex-A53 и Cortex-A57, которые смогут найти применение не только на мобильном рынке — прежде всего они создаются для рынка микросерверов. Кстати, этим чипам придётся столкнуться в конкурентной борьбе с Intel, которая тоже на конец 2013 или первый квартал 2014 года готовит выход специальной платформы Bay Trail (процессоры носят кодовое имя Valleyview) для рынка микросерверов.

Конференция TechCon 2012 вообще оказалась богатой на громкие анонсы, в отличие от прошлых лет. Чего стоит только анонс о поставках в 2014 году компанией AMD гибридных 64-битных процессоров x86/ARM для серверов под брендом Opteron. Хотя данных об этих чипах пока нет, можно предположить, что речь идёт о совмещении 64-битных энергоэффективных ядер Jaguar с ядрами ARMv8, использовании оптической связи SeaMicro Freedom Fabric и, вероятно, графики Volcanic Islands.

Второе заметное событие конференции — это демонстрация компаниями Cadence и IBM тестового чипа ARMv8 на базе 14-нм техпроцесса с применением FinFET (так называемых 3D-транзисторов) и FD-SOI (следующее поколение технологии «кремний на изоляторе»). Комбинация FinFET и FD-SOI рассматривается в качестве серьёзного преимущества над техпроцессами конкурирующей фабрики TSMC. Развёртывание массового 14-нм производства IBM, GlobalFoundries и Samsung Electronics можно ждать в 2014 году. Три упомянутых компании являются членами Common Platform Alliance и совместно разрабатывают новые технологические нормы. Массовое производство 14-нм кремниевых пластин FinFET/FD-SOI будет впервые налажено на фабриках IBM и GlobalFoundries в штате Нью-Йорк, а также на заводе Samsung в Техасе.

Наконец, гвоздём программы стал анонс настоящих наследников популярных процессорных ядер Cortex-A9 (2009 год) и Cortex-A15 (2012 год). Новые ядра получили имена соответственно Cortex-A53 и Cortex-A57. Это первые эталонные решения, которые основаны на восьмом поколении архитектуры ARM (64-битный набор инструкций ARMv8) и нацелены на рынок мощных смартфонов, планшетов, гибридных мобильных продуктов и, конечно, на применение в секторе высокоплотных серверов.

Согласно данным ARM, ядро Cortex-A53 является «самым эффективным процессором ARM из когда-либо созданных»: оно способно предоставить производительность на уровне Cortex-A9, имея при этом поддержку 64-битных инструкций и полную совместимость с ARMv7. При производстве на том же 32-нм техпроцессе ядро Cortex-A53 будет занимать на 40% меньше площади по сравнению с Cortex-A9. Если же сравнивать 20-нм ядро Cortex-A53 с 32-нм Cortex-A9, то первое будет в 4 раза меньше. ARM также утверждает, что на момент выхода ядро будет потреблять в 4 раза меньше энергии по сравнению с современными ядрами Cortex-A9 при условии одинаковой производительности.

При этом чип Cortex-A57 называется «наиболее совершенным высокопроизводительным процессором ARM. В это охотно верится, ибо ARM обещает утроенную по отношению к современным ядрам Cortex-A15 производительность в 32-битном режиме и 5-кратное превосходство по энергоэффективности. Масштабируемость Cortex-A57 позволяет создавать кристаллы с 16 и более ядрами. В пресс-релизе компания указывает на то, что при производительности старых ПК, ядро Cortex-A57 имеет энергопотребление мобильных устройств. Также ARM указывает на поддержку специальных инструкций, позволяющих ускорять шифрование в 10 раз.

ARM отмечает, что ядра Cortex-A57 и Cortex-A53 могут работать как отдельно, так и в связке по технологии big.LITTLE (наподобие связки Cortex-A15 и Cortex-A7), благодаря чему можно добиться оптимальной производительности и энергоэффективности.

Основные особенности Cortex-A53:

• 40-битная виртуальная адресация памяти;
• поддержка до 1 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4);
• от 8 до 64 Кбайт кеш-памяти L1 для инструкций и 8—64 Кбайт кеш-памяти L1 для данных;
• математический сопроцессор

Основные особенности Cortex-A57:

• поддержка исполнения команд с изменением последовательности;
• ядро ARMv8 с поддержкой 32- и 64-битных расчётов;
• 44-битная виртуальная адресация памяти;
• поддержка до 16 Тбайт ОЗУ (от LPDDR3 до DDR4);
• 48 Кбайт кеш-памяти L1 для инструкций и 32 Кбайт кеш-памяти L1 для данных;
• мультимедийный SIMD-движок NEON;
• математический сопроцессор;
• от 128 Кбайт до 2 Мбайт кеш-памяти L2 (с поддержкой ECC);
• 128-бит CoreLink Interconnect (CCI-400 и CCN-504).

ARM сообщила имена шести компаний, которые будут использовать ядра Cortex-A53/A57 в своих чипах: это AMD, Broadcom, Calxeda, HiSilicon/Huawei, Samsung Electronics и STMicroelectronics. Таким образом, как минимум можно ждать новых мобильных чипов с Cortex-A53/A57 и графикой Mali-T600 от Huawei и Samsung. Ожидать появления первых таких процессоров следует в 2014 году.

Подавляющее большинство современных гаджетов используют процессоры на архитектуре ARM, разработкой которой занимается одноимённая компания ARM Limited. Что интересно, компания сама не производит процессоры, а только лицензирует свои технологии для сторонних производителей чипов. Помимо этого, компания также разрабатывает процессорные ядра Cortex и графические ускорители Mali, которых мы обязательно коснёмся в этом материале.

ARM Limited

Компания ARM, фактически, является монополистом в своей области, и подавляющее большинство современных смартфонов и планшетов на различных мобильных операционных системах используют процессоры именно на архитектуре ARM. Производители чипов лицензируют у ARM отдельные ядра, наборы инструкций и сопутствующие технологии, причём стоимость лицензий значительно разнится в зависимости от типа процессорных ядер (это могут быть как маломощные бюджетные решения, так и ультрасовременные четырёхъядерные и даже восьмиядерные чипы) и дополнительных компонентов. Годовой отчёт о прибыли ARM Limited за 2006 год показал выручку в 161 миллион долларов за лицензирование около 2,5 миллиардов процессоров (в 2011 году этот показатель составил уже 7,9 млрд), что означает примерно 0,067 долларов за один чип. Впрочем, по озвученной выше причине, это очень усреднённый показатель из-за разницы в ценах на различные лицензии, и с тех пор прибыль компании должна была вырасти многократно.

В настоящее время ARM-процессоры имеют очень широкое распространение. Чипы на этой архитектуре используются повсюду, вплоть до серверов, но чаще всего ARM можно встретить во встраиваемых и мобильных системах, начиная с контроллеров для жёстких дисков и заканчивая современными смартфонами, планшетами и прочими гаджетами.

Ядра Cortex

ARM разрабатывает несколько семейств ядер, которые используются для различных задач. К примеру, процессоры, основанные на Cortex-Mx и Cortex-Rx (где “х” — цифра или число, обозначающее точный номер ядра) используются во встраиваемых системах и даже бытовых устройствах, к примеру, роутерах или принтерах.

Подробно на них мы останавливаться не будем, ведь нас, в первую очередь, интересует семейство Cortex-Ax — чипы с такими ядрами используются в наиболее производительных устройствах, в том числе смартфонах, планшетах и игровых консолях. ARM постоянно работает над новыми ядрами из линейки Cortex-Ax, но на момент написания этой статьи в смартфонах используются следующие из них:

Чем больше цифра — тем выше производительность процессора и, соответственно, дороже класс устройств, в которых он используется. Впрочем, стоит отметить, что это правило соблюдается не всегда: к примеру, чипы на ядрах Cortex-A7 имеют большую производительность, нежели на Cortex-A8. Тем не менее, если процессоры на Cortex-A5 уже считаются чуть ли не устаревшими и почти не используются в современных устройствах, то CPU на Cortex-A15 можно найти во флагманских коммуникаторах и планшетах. Не так давно ARM официально объявила о разработке новых, более мощных и, одновременно, энергоэффективных ядер Cortex-A53 и Cortex-A57, которые будут объединены на одном чипе с применением технологии ARM big.LITTLE и поддерживать набор команд ARMv8 (“версию архитектуры”), но в настоящее время они не применяются в массовых потребительских устройствах. Большинство чипов с ядрами Cortex могут быть многоядерными, и в современных топовых смартфонах повсеместное распространение получили четырёхъядерные процессоры.

Крупные производители смартфонов и планшетов обычно используют процессоры известных чипмейкеров вроде Qualcomm или собственные решения, которые уже успели стать довольно популярными (к примеру, Samsung и её семейство чипсетов Exynos), но среди технических характеристик гаджетов большинства небольших компаний зачастую можно встретить описание вроде “процессор на Cortex-A7 с тактовой частотой 1 ГГц” или “двухъядерный Cortex-A7 с частотой 1 ГГц”, которое обычному пользователю ничего не скажет. Для того, чтобы разобраться, в чём заключаются отличия таких ядер между собой, остановимся на основных.

Ядро Cortex-A5 используются в недорогих процессорах для наиболее бюджетных устройств. Такие устройства предназначены только для выполнения ограниченного круга задач и запуска простых приложений, но совершенно не рассчитаны на ресурсоёмкие программы и, тем более, игры. В качестве примера гаджета с процессором на Cortex-A5 можно назвать Highscreen Blast, который получил чип Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225, содержащий два ядра Cortex-A5 с тактовой частотой 1,2 ГГц.

Процессоры на Cortex-A7 являются более мощными, чем чипы Cortex-A5, а кроме того, больше распространены. Такие чипы выполняются по 28-нанометровому техпроцессу и имеют большой кэш второго уровня до 4 мегабайт. Ядра Cortex-A7 встречаются, преимущественно, в бюджетных смартфонах и недорогих устройствах среднего сегмента вроде iconBIT Mercury Quad, а также, в качестве исключения, в Samsung Galaxy S IV GT-i9500 с процессором Exynos 5 Octa — этот чипсет при выполнении нетребовательных задач использует энергосберегающий четырёхъядерный процессор на Cortex-A7.

Ядро Cortex-A8 не так распространено, как его “соседи”, Cortex-A7 и Cortex-A9, но всё же используется в различных гаджетах начального уровня. Рабочая тактовая частота чипов на Cortex-A8 может составлять от 600 МГц до 1 ГГц, но иногда производители разгоняют процессоры и до более высоких частот. Особенностью ядра Cortex-A8 является отсутствие поддержки многоядерных конфигураций (то есть, процессоры на этих ядрах могут быть только одноядерными), а выполняются они по 65-нанометровому техпроцессу, который уже считается устаревшим.

Сortex-A9

Ещё пару лет назад ядра Cortex-A9 считались топовым решением и использовались как в традиционных одноядерных, так и более мощных двухъядерных чипах, например Nvidia Tegra 2 и Texas Instruments OMAP4. В настоящее время процессоры на Cortex-A9, выполненные по 40-нанометровому техпроцессу не теряют популярность и используются во многих смартфонах среднего сегмента. Рабочая частота таких процессоров может составлять от 1 до 2 и более гигагерц, но обычно она ограничивается 1,2-1,5 ГГц.

В июне 2013 года компания ARM официально представила ядро Cortex-A12, которое выполняется по новому 28-нанометровому техпроцессу и призвано заменить ядра Cortex-A9 в смартфонах среднего сегмента. Разработчик обещает увеличение производительности на 40% по сравнению с Cortex-A9, а кроме того, ядра Cortex-A12 смогут участвовать в архитектуре ARM big.LITTLE в качестве производительных вместе с энергосберегающими Cortex-A7, что позволит производителям создавать недорогие восьмиядерные чипы. Правда,на момент написания статьи всё это только в планах, и массовое производство чипов на Cortex-A12 ещё не налажено, хотя компания RockChip уже объявила о своём намерении выпустить четырёхъядерный процессор на Cortex-A12 с частотой 1,8 ГГц.

На 2013 год ядро Cortex-A15 и его производные является топовым решением и используется в чипах флагманских коммуникаторах различных производителей. Среди новых процессоров, выполненных по 28-нм техпроцессу и основанных на Cortex-A15 — Samsung Exynos 5 Octa и Nvidia Tegra 4, а также это ядро нередко выступает платформой для модификаций других производителей. Например, последний процессор компании Apple A6X использует ядра Swift, которые являются модификацией Cortex-A15. Чипы на Cortex-A15 способны работать на частоте 1,5-2,5 ГГц, а поддержка множества стандартов сторонних компаний и возможность адресовать до 1 ТБ физической памяти делает возможным применение таких процессоров в компьютерах (как тут не вспомнить мини-компьютер размером с банковскую карту Raspberry Pi).

Cortex-A50 series

В первой половине 2013 года ARM представила новую линейку чипов, которая получила название Cortex-A50 series. Ядра этой линейки будут выполнены по новой версии архитектуры, ARMv8, и поддерживать новые наборы команд, а также станут 64-битными. Переход на новую разрядность потребует оптимизации мобильных операционных систем и приложений, но, разумеется, сохранится поддержка десятков тысяч 32-битных приложений. Первой на 64-битную архитектуру перешла компания Apple. Последние устройства компании, например, iPhone 5S, работают на именно таком ARM-процессоре Apple A7. Примечательно, что он не использует ядра Cortex – они заменены на собственные ядра производителя под названием Swift. Одна из очевидных причин необходимости перехода к 64-битным процессорам — поддержка более 4 ГБ оперативной памяти, а, кроме того, возможность оперировать при вычислении намного большими числами. Конечно, пока это актуально, в первую очередь, для серверов и ПК, но мы не удивимся, если через несколько лет на рынке появятся смартфоны и планшеты с таким объёмом ОЗУ. На сегодняшний день о планах по выпуску чипов на новой архитектуре и смартфонов с их использованием ничего не известно, но, вероятно, именно такие процессоры и получат флагманы в 2014 году, о чём уже заявила компания Samsung.

Открывает серию ядро Cortex-A53, которое будет прямым “наследником” Cortex-A9. Процессоры на Cortex-A53 заметно превосходят чипы на Cortex-A9 в производительности, но, при этом, сохраняется низкое энергопотребление. Такие процессоры могут быть использованы как по одиночке, так и в конфигурации ARM big.LITTLE, будучи объединенными на одном чипсете с процессором на Cortex-A57

Perfomance Cortex-A53, Cortex-A57

Процессоры на Cortex-A57, которые будут выполнены по 20-нанометровому техпроцессу, должны стать самыми мощными ARM-процессорами в ближайшем будущем. Новое ядро значительно превосходит своего предшественника, Cortex-A15 по различным параметрам производительности (сравнение вы можете видеть выше), и, по словам ARM, которая всерьёз нацелена на рынок ПК, станет выгодным решением для обычных компьютеров (включая лэптопы), а не только мобильных устройств.

ARM big.LITTLE

В качестве высокотехнологичного решения проблемы энергопотребления современных процессоров ARM предлагает технологию big.LITTLE, суть которой заключается в объединении на одном чипе ядер различных типов, как правило, одинакового количества энергосберегающих и высокопроизводительных.

Существует три схемы работы ядер различного типа на одном чипе: big.LITTLE (миграция между кластерами), big.LITTLE IKS (миграция между ядрами) и big.LITTLE MP (гетерогенный мультипроцессинг).

big.LITTLE (миграция между кластерами)

Первым чипсетом на архитектуре ARM big.LITTLE стал процесссор Samsung Exynos 5 Octa. В нём используется оригинальная схема big.LITTLE “4+4”, что означает объединение в два кластера (отсюда и название схемы) на одном кристалле четырёх высокопроизводительных ядер Cortex-A15 для ресурсоёмких приложений и игр и четырёх энергосберегающих ядер Cortex-A7 для повседневной работы с большинством программ, причём в один момент времени могут работать ядра только одного типа. Переключение между группами ядер происходит практически мгновенно и незаметно для пользователя в полностью автоматическом режиме.

big.LITTLE IKS (миграция между ядрами)

Более сложная реализация архитектуры big.LITTLE — объединение нескольких реальных ядер (как правило двух) в одно виртуальное, управляемое ядром операционной системы, которое решает, какие задействовать ядра — энергоэффективные или производительные. Разумеется, виртуальных ядер также несколько — на иллюстрации приведен пример схемы IKS, где в каждом из четырёх виртуальных ядер находятся по одному ядру Cortex-A7 и Cortex-A15.

big.LITTLE MP (гетерогенный мультипроцессинг)

Схема big.LITTLE MP является наиболее “продвинутой” — в ней каждое ядро является независимым и может включаться ядром ОС по необходимости. Это значит, что если используются четыре ядра Cortex-A7 и столько же ядер Cortex-A15, в чипсете, построенном на архитектуре ARM big.LITTLE MP, смогут работать одновременно все 8 ядер, даже несмотря на то, что они разных типов. Одним из первых процессоров такого типа стал восьмиядерный чип компании Mediatek — MT6592, который может работать на тактовой частоте 2 ГГц, а также записывать и воспроизводить видео в разрешении UltraHD.

Будущее

По имеющейся на данный момент информации, в ближайшее время ARM совместно с другими компаниями планирует наладить выпуск big.LITTLE чипов следующего поколения, которые будут использовать новые ядра Cortex-A53 и Cortex-A57. Кроме того, бюджетные процессоры на ARM big.LITTLE собирается выпускать китайский производитель MediaTek, которые будут работать по схеме “2+2”, то есть, использовать две группы по два ядра.

Графические ускорители Mali

Помимо процессоров, ARM также разрабатывает и графические ускорители семейства Mali. Подобно процессорам, графические ускорители характеризуются множеством параметров, например, уровнем сглаживания, интерфейсом шины, кэшем (сверхбыстрая память, используемая для повышения скорости работы) и количеством “графических ядер” (хотя, как мы писали в прошлой статье, этот показатель, несмотря на похожесть с термином, использующимся при описании CPU, практически не влияет производительность при сравнении двух GPU).

Первым графическим ускорителем ARM стал ныне неиспользуемый Mali 55, который был использован в сенсорном телефоне LG Renoir (да-да, самом обычном сотовом телефоне). GPU не использовался в играх — только для отрисовки интерфейса, и обладал примитивными по нынешним меркам характеристиками, но именно он стал “родоначальником” серии Mali.

С тех пор прогресс шагнул далеко вперёд, и сейчас немалое значение имеют поддерживаемые API и игровые стандарты. К примеру, поддержка OpenGL ES 3.0 сейчас заявлена только в самых мощных процессорах вроде Qualcomm Snapdragon 600 и 800, а, если говорить о продукции ARM, то стандарт поддерживают такие ускорители, как Mali-T604 (именно он стал первым графическим процессором ARM, выполненным на новой микроархитектуре Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 и некоторые другие близкие к ним по характеристикам чипы. Тот или иной GPU, как правило, тесно связан с ядром, но, тем не менее, указывается отдельно, а, значит, если вам важно качество графики в играх, то имеет смысл посмотреть на название ускорителя в спецификациях смартфона или планшета.

Есть у ARM в линейке и графические ускорители для смартфонов среднего сегмента, наиболее распространёнными среди которых являются Mali-400 MP и Mali-450 MP, которые отличаются от своих старших братьев сравнительно небольшой производительностью и ограниченным набором API и поддерживаемых стандартов. Несмотря на это, указанные GPU продолжают использоваться в новых смартфонах, к примеру, Zopo ZP998, который получил графический ускоритель Mali-450 MP4 (улучшенную модификацию Mali-450 MP) вдобавок к восьмиядерному процессору MTK6592.

Предположительно, в конце 2014 года должны появиться смартфоны с новейшими графическими ускорителями ARM: Mali-T720, Mali-T760 и Mali-T760 MP, которые были представлены в октябре 2013 года. Mali-T720 должен стать новым GPU для недорогих смартфонов и первым графическим процессором этого сегмента с поддержкой Open GL ES 3.0. Mali-T760, в свою очередь, станет одним из наиболее мощных мобильных графических ускорителей: по заявленным характеристикам, GPU имеет 16 вычислительных ядер и обладает поистине огромной вычислительной мощностью, 326 Гфлопс, но, в то же время, в четыре раза меньшим энергопотреблением, чем упомянутый выше Mali-T604.

Роль CPU и GPU от ARM на рынке

Несмотря на то, что компания ARM является автором и разработчиком одноимённой архитектуры, которая, повторимся, сейчас используется в подавляющем большинстве мобильных процессоров, её решения в виде ядер и графических ускорителей не пользуются популярностью у крупных производителей смартфонов. К примеру, справедливо считается, что флагманские коммуникаторы на Android OS должны иметь процессор Snapdragon с ядрами Krait и графический ускоритель Adreno от Qualcomm, чипсеты этой же компании используются в смартфонах на Windows Phone, а некоторые производители гаджетов, к примеру, Apple, разрабатывают собственные ядра. Почему же в настоящее время сложилась именно такая ситуация?

Возможно, часть причин может лежать глубже, но одна из них — отсутствие чёткого позиционирования CPU и GPU от ARM среди продуктов других компаний, вследствие чего разработки компании воспринимаются как базовые компоненты для использования в устройствах B-брендов, недорогих смартфонах и создания на их основе более зрелых решений. К примеру, компания Qualcomm почти на каждой своей презентации повторяет, что одной из её главных целей при создании новых процессоров является уменьшение энергопотребления, а её ядра Krait, будучи доработанными ядрами Cortex, стабильно показывают более высокие результаты по производительности. Аналогичное утверждение справедливо и для чипсетов Nvidia, которые ориентированы на игры, ну а что касается процессоров Exynos от Samsung и A-серии от Apple, то они имеют свой рынок за счёт установки в смартфоны этих же компаний.

Вышесказанное совершенно не значит, что разработки ARM значительно хуже процессоров и ядер сторонних компаний, но конкуренция на рынке в конечном итоге идет покупателям смартфонов только на пользу. Можно сказать, что ARM предлагает некие заготовки, приобретая лицензию на которые, производители могут уже самостоятельно их доработать.

Заключение

Микропроцессоры на архитектуре ARM успешно завоевали рынок мобильных устройств благодаря низкому энергопотреблению и сравнительно большой вычислительной мощности. Раньше с ARM конкурировали другие RISC-архитектуры, например, MIPS, но сейчас у неё остался только один серьёзный конкурент — компания Intel с архитектурой x86, которая, к слову, хотя и активно борется за свою долю рынка, пока не воспринимается ни потребителями, ни большинством производителей всерьёз, особенно при фактическом отсутствии флагманов на ней (Lenovo K900 сейчас уже не может конкурировать с последними топовыми смартфонами на ARM-процессорах).

А как вы думаете, сможет ли кто-нибудь потеснить ARM, и как дальше сложится судьба этой компании и её архитектуры?

Процессоры ARM – что это такое и «с чем их едят». Появление на рынке производительных мобильных процессоров во многом стало настоящим революционным прорывом. Можно сказать, впервые у x86-архитектуры появился весомый конкурент, который если на первых этапах и занимал только лишь соседствующую нишу, то уже сегодня начинает всерьез теснить позиции долгожителя компьютерной индустрии.

Но в чем же отличие? Что такое архитектура ARM и чем она отличается от x86? В последней, используемой в процессорах Intel и AMD, применяется набор CISC-команд. Обработка на их основе очень функциональна, открывает просторы для программистов и разработчиков железа, но требует немалого количества энергоресурсов. Суть CISC, грубо говоря, заключается в том, что каждая поступаемая команда декодируется в простейший элемент и только потом обрабатывается.

В ARM все иначе. Она действует на основе RISC-команд, которые уже содержат готовый набор простейших элементов. Это уменьшает процессорную гибкость, но в разы увеличивается скорость обработки данных, и соответственно, уменьшает энергозатраты такого процессора.

Отсюда и получается, что x86 – это универсальная архитектура, пригодная для решения многих задач, в то время как ARM требует более тонкой заточки железа и возможности такой архитектуры несколько более ограничены. Однако возможности ARM становятся все более масштабными. Уже сейчас такие процессоры пригодны для стандартной офисной работы, воспроизведения медиа-контента, работы в интернете.

ARM быстро развивается, чему способствует и тот факт, что над данной технологией по франчайзингу трудятся десятки конкурентных брендов, в то время как над x86-архитектурой трудятся всего две корпорации, представители которых едва ли не прямо говорят о том, что в сегменте застой… а про ARM такого не скажешь.

Говоря о том, что такое чипы ARM следует отметить такой момент, как комплексность предлагаемых современных мобильных систем. ARM – это не просто один процессор. Как правило, в него входят: контроллер оперативной памяти, графический ускоритель, видеодекодер, аудиоокодек и опционально модули беспроводной связи. Такая система называется однокристальной. Другими словами, ARM – это чип на чипе.

На сегодняшний день ARM насчитывают несколько процессорных поколений:

ARM9 . Чипы ARM9 могут достигать тактовой частоты 400 МГц. Эти чипы морально устарели, но по прежнему пользуются спросом. Например, в беспроводных маршрутизаторах и терминалах оплаты. Набор простых команд такого чипа позволяет с легкостью запускать многие Java-приложения.

ARM11 . Процессоры ARM11 могут похвастаться более полным набором простых команд, расширяющих их функционал и высокой тактовой частотой (вплоть до 1 ГГц). Благодаря невысокому энергопотреблению и низкой себестоимости чипы ARM11 до сих пор применяются в смартфонах начального уровня.

ARMv7. Современные чипы архитектуры ARM принадлежат к семейству ARMv7, флагманские представители которого уже достигли отметки в восемь ядер и тактовой частоты свыше 2 ГГц. Разработанные непосредственно ARM Limited процессорные ядра принадлежат к линейке Cortex и большинство производителей однокристальных систем используют их без существенных изменений.

ARM Cortex-A8. Исторически первым процессорным ядром семейства ARMv7 было Cortex-A8, которое легло в основу таких известных SoC своего времени как Apple A4 (iPhone 4 и iPad) и Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S и Galaxy Tab). Оно демонстрирует примерно вдвое более высокую производительность по сравнению с предшествующим ARM11, и увы, более высокое энергопотребление, что делает данный чип ныне крайне непопулярным.

ARM Cortex-A9. Вслед за Cortex-A8 компания ARM Limited представила новое поколение чипов – Cortex-A9, которое сейчас является самым распространенным и занимает среднюю ценовую нишу. Производительность ядер Cortex-A9 выросла примерно втрое по сравнению с Cortex-A8, да еще и появилась возможность объединять их по два или даже четыре на одном чипе.

ARM Cortex-A5 и Cortex-A7. При проектировании процессорных ядер Cortex-A5 и Cortex-A7 компания ARM Limited преследовала одно и ту же цель – добиться компромисса между минимальным энергопотреблением ARM11 и приемлемым быстродействием Cortex-A8. Не забыли и про возможность объединения ядер по два-четыре – многоядерные чипы Cortex-A5 и Cortex-A7 мало-помалу появляются в продаже (Qualcomm MSM8625 и MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Процессорные ядра Cortex-A15 стали логическим продолжением Cortex-A9 – как результат, чипам архитектуры ARM впервые в истории удалось примерно сравниться по быстродействию с Intel Atom, а это уже большой успех. Не зря ведь компания Canonical в системных требования к версии ОС Ubuntu Touch с полноценной многозадачностью указала двухъядерный процессор ARM Cortex-A15 или аналогичный Intel Atom.

Чипы ARM ждет великое будущее. Количество команд, частота работы, количество ядер активно растут, а энергопотребление продолжает оставаться на низком уровне. В будущем чипы ARM станут пригодными для полноформатной многозадачности, ныне свойственной лишь x86-системам. Однако, даже с условиями нынешнего вектора развития, говорить о том, что сегмент потребительской электроники полностью перейдет на чипы ARM – пока рано. И дело здесь, прежде всего, в цене. Стоимость мобильных чипов растет с геометрической прогрессией, в то время, как x86 продолжает дешеветь. Именно фактор цены наряду с разницей в функциональности, которая несколько будет преодолена, и складывается вполне понятный прогноз того, что развитые ARM-системы не скоро одержат безоговорочную победу в гонке за своего потребителя…

Британская корпорация ARM усовершенствовала гетерогенную вычислительную архитектуру ARM big.LITTLE , на которой основаны все ведущие микропроцессоры ARM начиная с Cortex-A7 (2011 год) - и вчера представила новую гетерогенную архитектуру DynamIQ big.LITTLE . На микросхемах выделено место для специальных аппаратных ускорителей приложений машинного обучения. Возможно, в будущем аппаратная поддержка нейросетей станет новым трендом среди разработчиков микропроцессоров и неотъемлемым качеством новых смартфонов.

Особенность архитектуры ARM big.LITTLE состоит в наличии процессорных ядер двух типов: относительно медленных, энергоэффективных (LITTLE) и относительно мощных и прожорливых (big). Обычно система активирует только один из двух типов ядер: только большие или только маленькие. Понятно, что фоновые задачи на смартфоне или другом устройстве удобно решать с маленькими ядрами, которые потребляют очень мало энергии. В случае необходимости процессор активирует мощные прожорливые ядра, которые в многопоточном режиме, работая сообща, демонстрируют особенно высокую производительность. В принципе, у всех ядер есть доступ к общей памяти, так что задачи можно ставить для выполнения на обоих типах ядер одновременно. То есть большие и маленькие будут переключаться на лету.

Подобная гетерогенная архитектура и переключение задач на лету с одного типа ядер на другой задуманы для создания динамического изменения мощности и энергопотребления процессора. Сама ARM заявляла, что в некоторых задачах та архитектура экономит до 75% энергии.

DynamIQ big.LITTLE - это эволюционный шаг вперёд. Новая архитектура позволяет задействовать разнообразные сочетания больших и малых ядер, которые раньше не были возможны. Например, 1+3, 2+4 или 1+7, или даже 2+4+2 (ядра трёх разных мощностей). Типичный смартфон будущего может иметь восьмиядерную систему на кристалле с двумя мощными ядрами, четырьмя средними и двумя низкопроизводительными ядрами для фонового режима.

С аппаратной поддержкой машинного обучения и ИИ разработчикам станут доступны новые специальные процессорные инструкции (например, вычисления с ограниченной точностью). ARM обещает , что в следующие три-пять лет процессоры Cortex-A на новой архитектуре обеспечат до 50-кратной прибавки производительности в приложениях ИИ, в сравнении с нынешними системами на базе Cortex-A73 и ещё дополнительную прибавку за счёт встроенных ускорителей на микросхеме. Специальный порт доступа с низкой задержкой между ЦП и акселераторами имеет 10-кратную производительность.

Это означает, что на смартфонах будут гораздо лучше работать обученные нейросети, в том числе которые обсчитывают графику и видео, приложения компьютерного зрения и другие системы, которые обрабатывают большие потоки данных.

В каждом кластере может располагаться до восьми ядер разных характеристик. Это тоже можно использовать для ускорения приложений ИИ, по сравнению с нынешними системами. К тому же, переработанная подсистема памяти обеспечит более быстрый доступ к данным и улучшит энергоэффективность. Кстати, в кластеры ядер необязательно вообще включать ядра LITTLE со слабой производительностью, которые обычно используются в мобильных устройствах для сбережения заряда аккумулятора. Если вам нужна очень высокая производительность независимо от энергопотребления - никто не мешает делать кластеры из восьми больших ядер, и объединять их в особо мощные компьютерные системы. ARM считает, что это позволит расширить сферу применения процессоров ARM за пределы смартфонов.

Кластеры DynamIQ практически неограниченного масштаба с общей памятью - это предложение создавать мощнейшие вычислительные системы самого разного назначения.

Дополнительную гибкость в динамической подстройке мощности/энергопотребления даст функция индивидуального изменения тактовой частоты отдельных процессоров в кластере из множества процессоров ARM. Разработчики из Кембриджа считают, что это особенно важно в шлемах виртуальной реальности, которые длительные периоды времени находятся в состоянии низкого энергопотребления. Переходы процессора в одно из трёх энергетических состояний (ON, OFF, SLEEP) осуществляются гораздо быстрее, автоматически на аппаратном уровне.

В конце концов, продвинутая архитектура DynamIQ позволяет строить более надёжные системы с дублированием функций, что повышает уровень безопасности в автономных системах, которым нужно реагировать на сбои. Например, это системы компьютерного зрения в беспилотных автомобилях - Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Когда один кластер ядер выходит из строя или ускоритель сбоит - другой кластер автоматически берёт его функции на себя.

Процессорную архитектуру ARM применяют по лицензии в своих чипах многие производители, в том числе Samsung, Qualcomm, Nvidia, Intel и Apple (iPhone, iPad). Между 2013 и 2017 годами в мире было продано более 50 млрд микрочипов на архитектуре ARM, и английские разработчики надеются, что в ближайшие четыре года это число удвоится до более 100 млрд.

Большинство устройств на процессорах ARM не нуждаются в активном охлаждении. Компания уверена, что с увеличением мощности этих систем и переходе на архитектуру DynamIQ всё останется по-прежнему.

В этом материале пойдет речь о процессорной архитектуре . Полупроводниковые продукты на ее основе можно встретить в смартфонах, роутерах, планшетных ПК и прочих мобильных устройствах, где она до недавних пор занимала ведущие позиции в этом сегменте рынка. Сейчас же ее постепенно вытесняют более новые и свежие процессорные решения.

Краткая справка о компании ARM

История компании ARM началась в 1990 году, когда она была основана Робином Саксби. Основой же для ее создания стала новая микропроцессорная архитектура. Если до этого господствующие позиции на рынке ЦПУ занимала х86 или CISC , то после образования данной компании появилась достойная альтернатива в виде RISC. В первом случае выполнение программного кода сводилось к 4 этапам:

Получение машинных инструкций.

Выполнение преобразования микрокода.

Получение микроинструкций.

Поэтапное выполнение микроинструкций.

О сновная же идея архитектуры RIS С состояла в том, что обработку программного кода можно свести к 2 этапам:

Получение RISC- инструкций.

Обработка RISC- инструкций.

К ак в первом, так и во втором случае есть как плюсы, так и существенные недостатки. х86 успешно завоевала компьютерный рынок, а RISC ( в том числе и , представленная 2011 году) — рынок мобильных устройств.

История появления архитектуры Cortex A7. Ключевые особенности

В качестве основы для «Кортекс А7» выступала «Кортекс А8». Основная идея разработчиков в данном случае сводилась к тому, чтобы увеличить производительность и значительно улучшить энергоэффективность процессорного решения. Именно это в конечном итоге и получилось у инженеров компании ARM . Еще одной важной особенностью в данном случае стало то, что появилась возможность создавать ЦПУ с технологией big.LITTLE. То есть полупроводниковый кристалл мог включать 2 вычислительных модуля. Один из них был нацелен на решение наиболее простых задач с минимальным энергопотреблением и, как правило, в этой роли и выступали ядра «Кортекс А7». Второй же был предназначен для запуска наиболее сложного софта и базировался на вычислительных блоках «Кортекс А15» или «Кортекс А17». Официально «Кортекс А7» была представлена, как было отмечено ранее, в 2011 году. Ну а первый процессор ARM Cortex A7 увидел свет годом позже, то есть в 2012 году.

Технология производства

Изначально полупроводниковые продукты на основе А7 производились по технологическим нормам 65 нм. Сейчас эта технология безнадежно устарела. В дальнейшем были выпущены еще два поколения процессоров А7 по нормам допуска уже 40 нм и 32 нм. Но и они сейчас уже стали неактуальными. Наиболее свежие модели ЦПУ на основе этой архитектуры изготавливаются уже по нормам 28 нм, и именно их пока еще можно встретить в продаже. Дальнейший переход на более новые с новыми нормами допуска и устаревшей архитектурой ожидать вряд ли стоит. Чипы на базе А7 сейчас занимают наиболее бюджетный сегмент рынка мобильных устройств и их постепенно вытесняют уже гаджеты на основе А53, которая практически при той же энергоэффективности параметрах имеет более высокий уровень быстродействия.

Архитектура микропроцессорного ядра

1, 2, 4 или 8 ядер может входить в состав ЦПУ на базе ARM Cortex A7. Характеристики процессоров в последнем случае указывают на то, что в состав чипа входят, по существу, 2 кластера по 4 ядра. 2-3 года процессорные продукты начального уровня основывались на чипах с 1-им или 2-мя вычислительными модулями. Средний уровень занимали 4-ядерные решения. Ну а премиум-сегмент был за 8-ядерными чипами. Каждое микропроцессорное ядро на основе такой архитектуры включало следующие модули:

Б лок обработки чисел с плавающей запятой (FPU).

Кеш 1-го уровня.

Блок NEON для оптимизации работы ЦПУ.

Вычислительный модуль ARMv7.

Также были следующие общие компоненты для всех ядер в составе ЦПУ:

Кеш L2.

Блок управления ядрами CoreSight.

Контроллер шины управления данными АМВА с разрядностью 128 бит.

Возможные частоты

Максимальное значение тактовой частоты для данной микропроцессорной архитектуры может изменяться от 600 МГц до 3 ГГц. Также необходимо отметить, что этот параметр, который указывает максимальное влияние на производительность вычислительной системы, изменяется. Причем на частоту оказывает влияние сразу три фактора:

Уровень сложности решаемой задачи.

Степень оптимизации программного обеспечения под многопоточность.

Текущее значение температуры полупроводникового кристалла.

В качестве примера рассмотрим алгоритм работы чипа МТ6582, который базируется на А7 и включает 4 вычислительных блока, частота которых изменяется от 600 МГц до 1,3 ГГц. В режиме простоя у этого процессорного устройства может находиться лишь только один блок вычислений, и он функционирует на минимально возможной частоте в 600 МГц. Аналогичная ситуация будет и в том случае, когда будет запущено простое приложение на мобильном гаджете. Но когда же в списке задач появиться ресурсоемкая игрушка с оптимизацией под многопоточность, то автоматически включатся в работу все 4 блока обработки программного кода на частоте 1,3 ГГц. По мере нагрева ЦПУ наиболее горячие ядра будут понижать значение частоты или даже отключаться. С одной стороны, такой подход обеспечивает энергоэффективнсть, а с другой — приемлемый уровень быстродействия чипа.

Кеш-память

Всего лишь 2 уровня кеша предусмотрено в ARM Cortex A7. Характеристики полупроводникового кристалла, в свою очередь, указывают на то, что первый уровень в обязательном порядке разделен на 2 равные половинки. Одна из них должна хранить данные, а другая — инструкции. Суммарный р азмер кеша на 1-ом уровне по спецификациям может быть равен 64 Кб. Как результат, получаем 32 Кб для данных и 32 Кб для кода. Кеш 2-го уровня в этом случае будет завис е ть от конкретной модели ЦПУ. Наименьший объем его может быть равен 0 Мб (то есть отсутствовать), а наибольший — 4 Мб.

Контроллер оперативной памяти. Его особенности

Встроенным контроллером оперативной памяти комплектуется любой процессор ARM Cortex A7. Характеристикитехнического плана указывают на то, что он ориентирован на работу в связке с ОЗУ стандарта LPDDR3. Рекомендованные частоты функционирования оперативной памяти в данном случае равны 1066 МГц или 1333 МГц. Максимальный же размер ОЗУ, который можно встретить на практике, для данной модели чипа равен 2 Гб.



Интегрированная графика

Как и положено, данные микропроцессорные устройства имеют интегрированную графическую подсистему. Компания-производитель ARM рекомендует использовать в сочетании с этим ЦПУ графическую карту собственной разработки Mali -400MP2 . Но ее производительности чаще всего недостаточно для того, чтобы раскрыть потенциал микропроцессорного устройства. Поэтому разработчики чипов применяют в сочетании с этим чипом более производительные адаптеры, например, Power VR6200.

Программные особенности

Три вида операционных систем нацелено на процессоры ARM:

Android от поискового гиганта Google.

iOS от APPLE.

Windows Mobile от «Майкрософт».

Все остальное системное программное обеспечение пока не получило большого распространения. Наибольшую долю на рынке такого софта, как не сложно догадаться, занимает именно Android. Эта система имеет простой и понятный интерфейс и устройства на ее основе начального уровня являются очень и очень доступными. До версии 4.4 включительно она была 32-битной, а с 5.0 стала поддерживать 64-разрядные вычисления. Эта ОС успешно функционирует на любом семействе ЦПУ архитектуры RISC , в том числе и ARM Cortex A7. Инженерное меню — это еще одна важная особенность данного системного софта. С ее помощью можно существенно перенастроить возможности ОС. Доступ же к этому меню можно получить с помощью кода, который для каждой модели ЦПУ индивидуален.

Еще она важная особенность этой ОС — установка всех возможных обновлений автоматически. Поэтому даже новые возможности могут появиться на чипах семейства ARM Cortex A7. Прошивка их может добавить. Вторая система нацелена на мобильные гаджеты компании APPLE. Такие устройства в основном занимают премиум — сегмент и имеют соответствующие уровни быстродействия и стоимость. Последняя ОС в лице Windows Mobile пока не получила большого распространения. Устройства на ее основе есть в любом сегменте мобильны гаджетов, но вот малое количество прикладного софта в данном случае является сдерживающим фактором для ее распространения.



Модели процессоров

Наиболее доступными и наименее производительными в этом случае являются 1-ядерные чипы. Наибольшее распространение среди них получил МТ6571 от компании МедиаТек. На ступеньку выше находятся двухъядерные ЦПУ ARM Cortex A7 Dual Core. В качестве примера можно привести МТ6572 от все того же самого производителя. Еще больший уровень быстродействия обеспечивали Quad Core ARM Cortex A7. Наиболее популярным чипом из этого семейства является МТ6582, который сейчас даже можно встретить в мобильных гаджетах начального уровня. Ну а наибольший уровень быстродействия обеспечивали 8-ядерные центральные процессоры, к которым принадлежал МТ6595.

Дальнейшие перспективы развития

Пока еще можно встретить на прилавках магазинов мобильные устройства в основе которых лежит полупроводниковое процессорное устройство на базе 4X ARM Cortex A7. Это и МТ6580, МТ6582 и «Снапдрагон 200». Все эти чипы включают 4 вычислительных блока и имеют отменный уровень энергоэффективности. Также стоимость в этом случае очень и очень скромная. Но все же лучшие времена это микропроцессорной архитектуры уже позади. Пик продаж продукции на ее основе припал на 2013-2014 года, когда на рынке мобильных гаджетов у нее практически не было альтернативы. Причем в этом случае речь идет как о бюджетных устройствах с 1 или 2 вычислительными модулями, так и с флагманскими гаджетами с 8-ядерным ЦПУ. На текущий момент ее постепенно с рынка вытесняет «Кортекс А53», которая по существу является модифицированной 64-битной версией А7. При этом основные преимущества своей предшественницы она сохранила целиком и полностью, и будущее уж точно за ней.



Мнение экспертов и пользователей. Реальные отзывы о чипах на базе данной архитектуры. Сильные и слабые стороны

Безусловно, знаковым событием для мира мобильных устройств стало появление архитектуры микропроцессорных устройств ARM Cortex A7. Наилучшим доказательством этого стало то, что устройства на ее базе уже успешно продаются более 5 лет. Конечно, сейчас уже возможностей ЦПУ на основе А7 уже недостаточно даже для решения задач среднего уровня, но вот наиболее простой программный код на таких чипах и по сей день успешно функционирует. В перечень такого софта входит воспроизведение видео, прослушивание аудиозаписей, чтение книг, веб-серфинг и даже наиболее простые игрушки в этом случае запустятся без особых проблем. Именно на этом и акцентируют внимание на ведущих тематических порталах, посвященных мобильным гаджетам и девайсам как ведущие специалисты такого плана, так и обычные пользователи. Ключевой минус А7 — это отсутствие поддержки 64-битных вычислений. Ну а к основным плюсам ее можно отнести идеальное сочетание энергоэффективности и производительности.



Итоги

Безусловно, Cortex A7 — это целая эпоха в мире мобильных устройств. Именно с ее появлением мобильные устройства стали доступными и достаточно производительными. И один тот факт, что она уже более 5 лет успешно продается, лишнее тому подтверждение. Но если вначале гаджеты на ее базе занимали средний и премиум сегменты рынка, то сейчас за ними остался лишь бюджетный класс. Эта архитектура устарела и постепенно уходит в прошлое.