אבני בניין ניידות 2014: ליבות ניידות

בכל שנה אחרי CES וקונגרס העולמי הנייד, אני מהרהר בהודעות התוכניות ומה המשמעות שלהן לעתידם של מעבדי אפליקציות סלולריות. בהחלט ראינו כמה התפתחויות מעניינות, כולל סדרת הכרזות על שבבים 64 סיביות, שחלקן מכוונות יותר לטלפונים בינוניים, אך נראה ששבבים חדשים של 32 סיביות היו נושא השיחה הפופולרי ביותר בסוף הדרך.

כמעט כל חברה שמייצרת שבבים מדברת על גרפיקה טובה יותר - עם עלייה אדירה בביצועים - וכולם מדברים על ליבות מרובות, כאשר שבבים של 4- ואפילו 8 ליבות הופכים כעת לשגרה. מה שטרם ראינו הם מעבדי יישומים גדולים שנבנו בטכנולוגיית 20nm (פרט לאלה של אינטל, השולטת בתכנון וייצור עבור השבבים שלה), ואף לא שבבים מתקדמים חדשים של 64 סיביות מרוב השחקנים. כתוצאה מכך, השינויים שאנו עשויים לראות בשבבים עבור הטלפונים המתקדמים ביותר במהלך החודשים הקרובים עשויים להיות לא גדולים, אפילו כאשר הטלפונים הבינוניים והטופלים מתמצאים.

אדון בפרטי השבבים העיקריים בהמשך השבוע, אך ברצוני להתחיל לדבר על אבני הבניין הבסיסיות שנמצאות ביצירת מעבדי יישומים. שלא כמו בעולם המחשב האישי, באופן כללי, יצרני מעבדים כאלה נוטים להשתמש לפחות בקניין רוחני כלשהו (IP), רישיונות אדריכליים או ליבות מלאות, ביצירת המוצרים שלהם. נזכיר כי מעבד יישומים טיפוסי כיום כולל מעבד, ליבת גרפיקה, לרוב מודם לרצועת בסיס, ושלל תכונות אחרות; ויצרנים רבים מורשים את ארכיטקטורת ה- CPU, הגרפיקה או פוטנציאל את שניהם. יצרנית מעבד טיפוסית תשלב תכונות אלה, הן אלה שהם יוצרים בעצמם והן אלה שהם מורשים, לתכנן שבב ספציפי לשוק יעד. בפוסט זה אדבר על ארכיטקטורת מעבד, ואז עקוב אחר מחר עם אחד העוסק בגרפיקה.

הטעמים הרבים של עיצובי ARM

הרוב המכריע של מעבדי היישומים הניידים שאתה רואה היום מריצים גרסה כלשהי של ארכיטקטורת ARM. ואכן, בכל השווקים, ARM טוענת כי למעלה מ- 50 מיליארד מעבדים המשתמשים בטכנולוגיה שלה נמכרו, כאשר למעלה מ- 10 מיליארד נמכרו בשנת 2013 בלבד. שוק הטלפונים והטאבלטים הם חלק משמעותי מזה, כאשר ARM טוענת כי 95 אחוז מהסמארטפונים בעולם מנהלים גרסה מסוימת של הארכיטקטורה שלה, אך מעבדי ARM נמצאים גם בהרבה מוצרים אחרים.

אבל חשוב להבין ש- ARM לא מוכרים מעבדים בפועל; במקום זאת היא מוכרת IP - כולל עיצובי ליבה בפועל והארכיטקטורה הבסיסית הבסיסית, בהם מספר ספקי השבבים כולל אפל וקוואלקום משתמשים בכדי ליצור ליבות ייחודיות. שימוש בארכיטקטורה נפוצה - למעשה מערך ההוראות - מאפשר מידת תאימות ובכך מקל על תוכנת הפעלה על גבי שבבים ממספר חברות.

ישנן שתי ארכיטקטורות ARM בסיסיות שאנו רואים במעבדים ניידים כיום - ARMv7 32 סיביות וגרסת 64 סיביות ARMv8.

ARMv7 הוא הסטנדרט בשוק הטלפונים מזה שנים. זהו עיצוב של 32 סיביות המשמש במגוון ליבות (כולל עיצובים Cortex-A9, A7 ו- A15 של ARM, וכן בארכיטקטורת "Krait" של Qualcomm והליבות המשמשות במעבדי אפל לפני ה- A7). ה- Cortex-A9 היה פופולרי להפליא, אך ימיו נראים ממוספרים. השנה אנו רואים עיצובים נוספים הכוללים Cortex-A7 קטן יותר ויעיל יותר בחשמל; או Cortex-A15 חזק יותר, שמציע ביצועים גבוהים יותר; או שילוב של שניהם במה שמכונה ARM בתצורת "big.LITTLE".

Cortex-A7 הוא למעשה קטן מאוד - פחות מחצי מילימטר רבוע בתהליך של 28 ננומטר - ונועד להשתמש בהרבה פחות כוח; פחות מ 100 מילי-ואט לעומת שיא של 200 עד 300 מילוואט עבור A9, ועד 500 מילי-וואט עבור A15. Cortex-A15 מוסיף תמיכה למרחב כתובת פיזי של 40 סיביות, אם כי יישומים בודדים יכולים לגשת רק ל 32 ביטים. בקיץ האחרון הציגה ARM את ה- A12, שנועד להחליף את ה- A9, באומרו שהוא מהיר עד 40 אחוז מה- A9 והוא ישתלב בחלל שבין ה- A7 ל- A15. מוקדם יותר השנה הודיעה החברה על גרסה משודרגת בשם Cortex-A17, שלדבריה אמורה להציע יעילות טובה יותר וביצועים של 60 אחוז יותר מאשר Cortex-A9. (עד כה, רק MediaTek הודיעה על מעבד טלפונים ו Realtek על מעבד טלוויזיה המשתמש ב- A17.) ARM מאמינה שה- A17 היא האחרונה מבין עיצובי 32 הסיביות שלה, והיא אמורה להחזיק חיים ארוכים, ביישומים כמו טלוויזיות ו- מוצרים צרכניים, ואילו בסופו של דבר עיקר השוק הנייד עובר לעיצובים של 64 סיביות.

מספר חברות שילבו A7s ו- A15s (או לאחרונה A7s ו- A17s) לאותה שילוב גדול. LITTLE, המאפשר לשבב להוביל את ליבות ההספק הנמוכות לרוב הזמן והשבב לעבור לכוח הגבוה יותר. ליבות כאשר הוא זקוק לביצועים הנוספים, אולי בזמן הפעלת חישוב מורכב בתוך משחק, או אפילו JavaScript מסובך בדף אינטרנט. בחלק מעיצובים אלה, גוש ליבות A7 או זו של ליבות A15 יכולות להיות פעילות בפעם אחת; אצל אחרים כל הליבות יכולות לעבוד בבת אחת.

שוב, נראה כי מרבית שבבי הסלולר העתידיים המעוצבים עם ליבות ARM יעברו לארכיטקטורה של 64 סיביות, אם כי נראה שאנחנו בימים הראשונים של אותה הגירה. נראה כי מערך ההוראות של ARMv8 משמש במעבד A7 של אפל, שנמצא באייפון 5s וב- iPad Air, וצפוי להיות גם במספר עיצובים קנייניים אחרים. וכמובן, ל- ARM יש שתי ליבות עליהן הודיעה באמצעות ארכיטקטורה זו: Cortex-A53 קטן יותר ו- Cortex-A57 חזקה יותר, שוב עם האפשרות לשלב אותם בתצורה גדולה. LITTLE. גרסת ה -64 סיביות תואמת לאחור, אך כוללת רישומים גדולים יותר למטרות כלליות והוראות התקשורת (מה שעלול להפוך את זה למהיר יותר בפעולות מסוימות), תמיכה בזיכרון מעבר ל- 4GB (חשוב במיוחד ביישומי שרת); והוראות הצפנה וקריפטוגרפיה חדשות.

הליבה של Cortex-A53 נמצאת רחוק יותר, כאשר חברות כמו MediaTek, Qualcomm ו- Marvell מכריזות על כל שבבים עם מספר ליבות A53. ב- ARM אומרים כי היא מצפה שהשבבים הראשונים מסוג זה ייצאו בקיץ הקרוב. ה- A57 אמור להיות חזק יותר, ו- ARM צופה כי שבבים ניידים עם הליבה הזו יהיו בחוץ בהמשך השנה. (AMD הודיעה על שבב שרת המשתמש בארכיטקטורת A57, בשל כניסה לייצור מלא לקראת סוף השנה.)

ARM מציעה גם מספר ליבות קטנות בהרבה המשמשות במיקרו-בקרים והתקנים אחרים בסדרת ה- M שלה; אלה לא יפעילו מעבדי יישומים בכוחות עצמם, אך עשויים להתרגל במספר שבבים אחרים במערכת האקולוגית הניידת ומשתמשים יותר ויותר כדי להפוך את ה- SoCs לניידים לחכמים יותר. לדוגמה, ל- A7 SoC של אפל יש מעבד מעבד לתנועה M7, לפי הדיווחים, מבוסס על ה- ARM Cortex-M3 ומיוצר על ידי NXP, וה- Motorola X8 SoC במוטו X משלב מעבד Snapdragon S4 Pro כפול ליבות עם שני מעבדים נמוכים בהספק מבוסס על מכשירי DSP של טקסס אינסטרומנטים לעיבוד שפות טבעיות ומחשוב קונטקסטואלי.

כאמור, למספר חברות יש מה שמכונה "רישיון אדריכלי", המאפשר להן ליצור ליבות משלהן באמצעות מערך ההוראות, שלדעתם מאפשר להן ליצור שבבים הבולטים בשוק באמצעות ביצועים טובים יותר, ניהול צריכת חשמל, או שניהם. אלה כוללות חברות כמו קוואלקום, מארוול, נווידיה ואפל. מצד שני, הצעת ליבות סטנדרטיות מאפשרת לחברות ליצור עיצובים במהירות ובקלות רבה יותר; רבות מהחברות שיש להן רישיון אדריכלי משתמשות בליבות ARM סטנדרטיות במוצרים מסוימים. ראוי לציין כי ל- Qualcomm יש כעת גרסאות מסוימות של קו המעבדים Snapdragon שלה המשתמשים בליבות Krait שלה, בעוד שאחרות משתמשות בליבות ARM סטנדרטיות.

אינטל ו- MIPS מציעות אלטרנטיבות

בעוד ARM ממשיכה לשלוט בשוק המעבדים הסלולריים, אינטל עושה דחיפה גדולה גם אם כי עם מרבית ההצלחות שלה מגיעה בטאבלטים שמריצים את חלונות וכמה אנדרואיד שמריצים אותם. ההנפקה הנוכחית של אינטל נראית מכוונת יותר לטאבלטים מאשר לטלפונים, אם כי לחברה יש שני מעבדים חדשים שנראים מתאימים יותר לטלפונים שיוצאים בהמשך השנה (עליהם אדון כשאני נכנסת למעבדים מחברות ספציפיות בפוסט הבא). בזירה הניידת אינטל דוחפת את קו המעבדים של Atom שלה, אם כי ישנם כמה טבליות Windows שמשתמשות במשפחת ה- Core הגדולה יותר המשמשת גם במחשבים ניידים ושולחנות עבודה.

גם במשפחת x86, AMD מציגה כמה טבליות המפעילות את מעבדי ה- x86 המבוססים על הספק נמוך יותר. שוב, אדבר על פרטים בהמשך כשמדברים על היצרנים הספציפיים. בשני המקרים, כמובן, המעבדים מריצים את הגירסה המלאה של Microsoft Windows, אם כי שתי החברות עוסקות כעת גם באנדרואיד. אינטל בפרט עשתה דחיפה גדולה לגרום לאנדרואיד לפעול באופן טבעי על השבבים שלה, בעוד AMD התמקדה יותר באמולטור BlueStacks למוצרי ה- x86 שלה, מכיוון שהיא גם מתכוננת להשיק שבבים תואמים ARM בהמשך השנה.

אפשרות נוספת תהיה מעבדי MIPS, משפחת מעבדים מבוססת RISC שנרכשה על ידי Imagination Technologies לפני קצת יותר משנה. MIPS הציעה ארכיטקטורה של 64 סיביות מזה זמן, כחלק מקו ליבות ה- Aptiv שלה. מוקדם יותר השנה הודיעה החברה על דור ה- CPU "לוחם" מסדרה 5 הכוללת שלוש כיתות של מעבדי MIPS - סדרת M לשווקים משובצים, מחלקת ה- I המיועדת ליעילות גבוהה ומכשירים משולבים מאוד; ומחלקת P המיועדת לביצועים נוספים, כולל מעבדי יישומים. תכונות חדשות כוללות תמיכה משולבת לגרפיקה של OpenCL ואבטחה משופרת. הדמיון אומר כי השבבים הללו משתמשים בשטח של עד 40 אחוז פחות ממתחריהם, עם ריבוי חוטים טובים יותר לשימוש רב ליבה.

מעבדי MIPS הצליחו למדי במספר שווקים, כולל מעבדי רשת ואפליקציות אחרות בזמן אמת ותיבות set-top, אך עד היום לא ראינו אותם בטאבלטים או בסמארטפונים מסורתיים רבים. לחברה סינית בשם Ingenic יש שורה של מעבדים שמפעילים את ארכיטקטורת Xburst המבוססת על ליבת ה- MIPS הקודמת, והדבר שימש בכמה טבליות אנדרואיד. זמן מה לפני כן ניסיתי לעשות זאת, אך נראה שהחברה שהפכה את זה מתמקדת בטאבלטים מבוססי ARM. עדיין, ייתכן ש- MIPS יכולה להיות מתחרה בעתיד, במיוחד עם קו הליבות החדש שלה.