اللبنات المتنقلة 2014: النوى المتنقلة

كل عام بعد مؤتمر الإحصائيين الأوروبيين ومؤتمر الجوال العالمي ، أتأمل في إعلانات البرامج وماذا تعني بالنسبة لمستقبل معالجات تطبيقات الأجهزة المحمولة. لقد رأينا بالتأكيد بعض التطورات المثيرة للاهتمام ، بما في ذلك مجموعة من إعلانات شرائح 64 بت ، وبعضها يستهدف بشكل أكبر الهواتف متوسطة المدى ، لكن يبدو أن شرائح 32 بت الجديدة كانت أكثر المواضيع شيوعًا في المحادثة في النهاية.

تتحدث كل شركة تصنع الرقائق تقريبًا عن رسومات أفضل - مع تحقيق مكاسب هائلة في الأداء - وكلها تتحدث عن نوى متعددة ، حيث أصبحت الرقائق المكونة من 4 وحتى 8 نواة الآن روتينية. ما لم نره بعد هو أي معالجات تطبيقات كبرى تم إنشاؤها باستخدام تقنية 20nm (باستثناء معالجات Intel ، التي تتحكم في تصميم وتصنيع رقائقها) ، ولا شرائح 64 بت جديدة تمامًا من معظم اللاعبين. نتيجةً لذلك ، فإن التغييرات التي من المحتمل أن نراها في شرائح الهواتف الراقية على مدار الأشهر القليلة المقبلة قد لا تكون ضخمة ، حتى مع اللحاق بالهواتف متوسطة المدى أو المنخفضة.

سأناقش تفاصيل الشرائح الرئيسية في وقت لاحق من هذا الأسبوع ، ولكن أود أن أبدأ الحديث عن لبنات البناء الأساسية التي تدخل في إنشاء معالجات التطبيق. على عكس عالم الكمبيوتر الشخصي ، عمومًا ، يميل صانعو هذه المعالجات إلى استخدام بعض الملكية الفكرية (IP) على الأقل ، إما التراخيص المعمارية أو النوى الكاملة ، لإنشاء منتجاتهم. تذكر أن معالج التطبيقات النموذجي اليوم يتضمن وحدة المعالجة المركزية ، والرسومات الأساسية ، ومودم النطاق الأساسي في كثير من الأحيان ، ومجموعة كبيرة من الميزات الأخرى ؛ والعديد من المصنعين يرخصون بنية وحدة المعالجة المركزية والرسومات أو كليهما. سوف يجمع صانع المعالجات النموذجي بين هذه الميزات ، سواء تلك التي ينشئها نفسه أو تلك التي يرخصها ، لتصميم شريحة محددة لسوق مستهدف. في هذا المنشور ، سأتحدث عن بنية وحدة المعالجة المركزية ، ثم اتبع غدًا مع تصميم الرسومات.

العديد من النكهات من تصاميم أرمينيا

الغالبية العظمى من معالجات تطبيقات الهاتف المحمول التي تراها اليوم تشغل بعضًا من بنية ARM. في الواقع ، في جميع الأسواق ، تدعي ARM أن أكثر من 50 مليار معالج يستخدمون التكنولوجيا التي بيعت ، مع أكثر من 10 مليارات تم بيعها في عام 2013 وحده. تعد أسواق الهواتف والأجهزة اللوحية جزءًا كبيرًا من ذلك ، حيث يزعم ARM أن 95 بالمائة من الهواتف الذكية في العالم تدير بعض إصدارات بنيتها ، لكن معالجات ARM توجد في الكثير من المنتجات الأخرى أيضًا.

ولكن من المهم أن نفهم أن أرمينيا لا تبيع المعالجات بالفعل ؛ بدلاً من ذلك ، تبيع IP - بما في ذلك التصميمات الأساسية الفعلية والبنية الأساسية الأساسية ، والتي يستخدمها العديد من بائعي الرقاقات بما في ذلك Apple و Qualcomm لإنشاء نوى فريدة. يتيح استخدام بنية مشتركة - مجموعة التعليمات بفعالية - درجة من التوافق وبالتالي يجعل من الأسهل تشغيل البرنامج على شرائح من شركات متعددة.

هناك نوعان من بنيات ARM الأساسية التي نراها في معالجات الأجهزة المحمولة اليوم - ARMv7 32 بت والإصدار ARMv8 64 بت.

لقد كان ARMv7 هو المعيار في سوق الهواتف لسنوات. هذا تصميم 32 بت يُستخدم في مجموعة متنوعة من النوى (بما في ذلك تصميمات Cortex-A9 و A7 و A15 في ARM ، بالإضافة إلى هندسة كوالتي "كوالتي" والنوى المستخدمة في معالجات Apple قبل A7). كان Cortex-A9 شائعًا بشكل لا يصدق ، ولكن يبدو أن أيامه معدودة. هذا العام ، نرى المزيد من التصميمات التي تشمل إما Cortex-A7 أصغر وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة ؛ أو أقوى Cortex-A15 ، والذي يوفر أداء أعلى ؛ أو مزيج من الاثنين فيما يسميه ARM تكوينه "big.LITTLE".

إن Cortex-A7 هو في الواقع صغير جدًا - أقل من نصف ملليمتر مربّع في عملية تبلغ مساحتها 28 نانومتر - وقد تم تصميمه لاستخدام طاقة أقل بكثير ؛ أقل من 100 مللي واط مقارنة مع الذروة من 200 إلى 300 مللي واط للطائرة A9 ، وحتى 500 مللي واط للطائرة A15. يضيف Cortex-A15 دعمًا لمساحة عنوان فعلية 40 بت ، على الرغم من أن التطبيقات الفردية يمكنها فقط الوصول إلى 32 بت. في الصيف الماضي ، قدم ARM طراز A12 ، الذي كان من المفترض أن يكون بديلاً للطراز A9 ، قائلًا إنه أسرع بنسبة 40 في المائة من A9 وسيتم احتواءه في المساحة بين A7 و A15. في وقت سابق من هذا العام ، أعلنت الشركة عن نسخة مطورة تسمى Cortex-A17 ، والتي تقول إنها يجب أن توفر كفاءة أفضل وأداء أكثر بنسبة 60 في المائة من Cortex-A9. (حتى الآن ، أعلنت MediaTek فقط عن معالج هاتف و Realtek معالج تلفزيون باستخدام A17.) يعتقد ARM أن A17 هو آخر تصاميمه ذات 32 بت ، ويهدف إلى أن يكون له عمر طويل ، في تطبيقات مثل التلفزيونات و المنتجات الاستهلاكية ، في حين أن الجزء الأكبر من سوق الهاتف المحمول يتحول إلى تصاميم 64 بت.

قام عدد من الشركات بدمج A7s و A15s (أو مؤخرًا A7s و A17s) في هذا الجمع الكبير. LITTLE ، والذي يسمح للرقاقة بأن يكون لها نوى منخفضة الطاقة تعمل معظم الوقت وتحول الرقاقة إلى طاقة أعلى النوى عندما تحتاج إلى أداء إضافي ، ربما أثناء إجراء عملية حسابية معقدة داخل اللعبة ، أو حتى JavaScript معقدة في صفحة ويب. في بعض هذه التصميمات ، يمكن أن تكون كتلة النوى A7 أو كتلة النوى A15 نشطة في وقت واحد ؛ في حالات أخرى ، يمكن لجميع النوى العمل في آن واحد.

مرة أخرى ، يبدو من المرجح أن معظم شرائح الهواتف المحمولة المستقبلية المصممة بنوى ARM ستنتقل إلى بنية 64 بت ، على الرغم من أننا يبدو أننا في الأيام الأولى من هذا الترحيل. يبدو أن مجموعة تعليمات ARMv8 تُستخدم في معالج A7 من Apple ، الموجود في iPhone 5s و iPad Air ، ويتوقع أن تكون في عدد من التصميمات الأخرى الخاصة. وبالطبع ، لدى ARM نواة أعلنت عنهما باستخدام هذه البنية: Cortex-A53 الأصغر و Cortex-A57 الأقوى ، مرة أخرى مع خيار الجمع بينهما في تكوين big.LITTLE. الإصدار 64 بت متوافق مع الإصدارات السابقة ، ولكنه يتضمن سجلات أكبر للأغراض العامة وتعليمات الوسائط (مما قد يجعله أسرع في بعض العمليات) ، ودعم الذاكرة التي تتجاوز 4 جيجابايت (مهم بشكل خاص في تطبيقات الخادم) ؛ وتعليمات التشفير والتشفير الجديدة.

إن كورتيكس- A53 الأساسية أبعد من ذلك بعض الشيء ، مع شركات مثل ميديا ​​تك ، كوالكوم ، ومارفيل جميعها تعلن عن رقائق متعددة النوى A53. وتقول ARM إنها تتوقع ظهور أول رقائق من هذا النوع في هذا الصيف. يجب أن يكون A57 أكثر قوة بشكل ملحوظ ، ويتوقع ARM رقائق المحمول مع هذا الأساسية أن تخرج في وقت لاحق من العام. (أعلنت AMD عن شريحة خادم تستخدم بنية A57 ، ومن المقرر أن تدخل مرحلة الإنتاج الكامل في نهاية العام.)

يوفر ARM أيضًا عددًا من النوى الأصغر المستخدمة في المتحكمات الدقيقة وغيرها من الأجهزة في سلسلة M ؛ لن تعمل هذه على تشغيل معالجات التطبيقات من تلقاء نفسها ، ولكنها قد تعتاد على شرائح أخرى متعددة في النظام البيئي المحمول ، وتستخدم بشكل متزايد لجعل SoCs المحمول أكثر ذكاءً. على سبيل المثال ، تمتلك A7 SoC من Apple معالجًا لحركة M7 ، وفقًا للتقارير ، استنادًا إلى ARM Cortex-M3 وصنعته NXP ، وتجمع موتورولا X8 SoC في Moto X مع وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة Snapdragon S4 Pro مع معالجين منخفضي الطاقة يعتمدان على تكساس إنسترومنتس DSPs لمعالجة اللغة الطبيعية والحوسبة السياقية.

كما ذكرنا سابقًا ، هناك عدد من الشركات لديها ما يُعرف باسم "الترخيص المعماري" ، والذي يمكّنها من إنشاء نوى خاصة بها باستخدام مجموعة التعليمات ، والتي تعتقد أنها تتيح لها صنع شرائح تبرز للسوق من خلال أداء أفضل ، إدارة الطاقة ، أو كليهما. وتشمل هذه الشركات مثل كوالكوم ، مارفيل ، نفيديا ، وأبل. من ناحية أخرى ، يتيح تقديم النوى القياسية للشركات إنشاء تصميمات بسرعة أكبر وبسهولة أكبر ؛ تستخدم العديد من الشركات التي لديها ترخيص معماري نوى ARM قياسية في بعض المنتجات. والجدير بالذكر أن كوالكوم لديها الآن بعض الإصدارات من خط Snapdragon الخاص بها من المعالجات التي تستخدم نوى Krait الخاصة بها ، بينما يستخدم البعض الآخر نوى ARM قياسية.

تقدم Intel و MIPS بدائل

بينما تستمر ARM في الهيمنة على سوق معالجات الأجهزة المحمولة ، إلا أن Intel حققت نجاحًا كبيرًا ، على الرغم من أن معظم نجاحاتها تأتي في أجهزة لوحية تعمل بنظام Windows وعدد قليل يعمل بنظام Android. يبدو أن عرض Intel الحالي يستهدف الأجهزة اللوحية أكثر من الهواتف ، على الرغم من أن الشركة لديها معالجات جديدة يبدو أنها أكثر ملاءمة للهواتف التي ستصدر في وقت لاحق من هذا العام (والتي سأناقشها عندما أتصل بمعالجات من شركات محددة في المنشور التالي). في مجال الأجهزة المحمولة ، تعمل Intel على دفع مجموعة المعالجات Atom ، على الرغم من وجود بعض الأجهزة اللوحية التي تعمل بنظام Windows والتي تستخدم عائلة Core الأكبر المستخدمة أيضًا في أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية.

ضمن عائلة x86 أيضًا ، تعرض AMD بعض الأجهزة اللوحية التي تعمل على وحدات المعالجة المركزية (x86) منخفضة الطاقة. مرة أخرى ، سأناقش التفاصيل لاحقًا عندما أتحدث عن صناع محددين. في كلتا الحالتين ، بالطبع ، تقوم المعالجات بتشغيل الإصدار الكامل من Microsoft Windows ، على الرغم من أن الشركتين تتعاملان الآن مع نظام Android أيضًا. حققت إنتل على وجه الخصوص دفعًا كبيرًا لتشغيل Android على رقائقها ، بينما ركزت AMD بشكل أكبر على محاكي BlueStacks لمنتجات x86 حيث تستعد أيضًا لإطلاق رقائق متوافقة مع ARM في وقت لاحق من هذا العام.

الخيار الآخر هو معالجات MIPS ، وهي مجموعة من المعالجات القائمة على RISC تم الحصول عليها بواسطة Imagination Technologies قبل أكثر من عام بقليل. قدمت MIPS بنية 64 بت لبعض الوقت ، كجزء من خط Aptiv من النوى. في وقت سابق من هذا العام ، أعلنت الشركة عن توليد وحدة المعالجة المركزية Series 5 "Warrior" ، والتي تضم ثلاث فئات من معالجات MIPS - السلسلة M للأسواق المدمجة ، الفئة I المصممة لتحقيق كفاءة عالية وأجهزة متكاملة للغاية ؛ و P- فئة مصممة لمزيد من الأداء ، بما في ذلك معالجات التطبيقات. تتضمن الميزات الجديدة دعمًا متكاملًا لرسومات OpenCL وتحسين الأمان. تقول Imagination أن هذه الرقائق تستخدم مساحة أقل بنسبة 40 بالمائة من منافسيها ، مع خيوط أفضل متعددة الاستخدامات متعددة النوى.

لقد نجحت معالجات MIPS نجاحًا كبيرًا في عدد من الأسواق ، بما في ذلك معالجات الشبكات والتطبيقات الأخرى في الوقت الحقيقي وصناديق الاستقبال ، ولكن حتى الآن لم نرها في العديد من الأجهزة اللوحية التقليدية أو الهواتف الذكية. تمتلك شركة صينية تدعى Ingenic مجموعة من المعالجات التي تدير بنية Xburst استنادًا إلى MIPS الأساسية السابقة ، وقد استخدم هذا في بعض أجهزة Android اللوحية. بعد فترة من الزمن ، جربت تجربة واحدة ، لكن يبدو أن الشركة التي صنعتها تركز الآن على الأجهزة اللوحية القائمة على ARM. ومع ذلك ، من الممكن أن تكون MIPS منافسًا في المستقبل ، لا سيما مع خط النوى الجديد.