Что такое SoC (система на чипе) и чем он отличается от процессора?
По своей сути (да, это каламбур) центральный процессор или процессор — это мозг оборудования. По большому счету, это всего лишь шестеренка в колесе, хотя и жизненно важная. Он находится на верхней части материнской платы, которую часто называют сердцем компьютера. Процессор — это математический гений и большой босс в компьютере. Он работает совместно с другими частями компьютера, начиная с извлечения инструкций из программ, работающих в ОЗУ. Затем он декодирует эти инструкции, прежде чем передать их аппаратным частям, связанным с их немедленным выполнением.
Старая пословица, две головы лучше, чем одна, также относится к процессорам. То, что может сделать один процессор, два — лучше. Большинство процессоров на рынке сегодня, по крайней мере, двухъядерные (2 процессора), но это число увеличивается до четырехъядерных, шестнадцатеричных, восьмиъядерных и далее. Эти несколько ядер дают вашей системе дополнительную мощность, необходимую для одновременного выполнения нескольких вычислений, без труда.
С самого начала
Давным давно, ещё в 1958 году, некто Джон Маккарти написал язык обработки списков под названием LISP. Написал он его потому, что увлекался созданием искусственного интеллекта, и ему нужен был подходящий язык.
С тех пор прогресс, конечно, есть, а вот искусственного интеллекта по-прежнему нет. Я вообще не понимаю, как можно спроектировать и создать такую сложную систему, как мозг и моё самомнение успокаивает только то, что не я один такой: пока никто не придумал, как сделать этот величайший куайн в истории человечества. Но ведь сделают и создадут уже, наконец-то, киборгов.
При создании исккуственного интеллекта одним лиспом не обойдёшься: нужно его на чём-то запускать и железо тоже не стоит на месте. Причём, именно тут, на мой взгляд, прогресс куда более заметен. Оно всегда так, когда пытаешься сравнить прогресс в практической и теоретической части.
С железом люди придумали умную штуку под названием система на кристалле (System On a Chip, SoC). Казалось бы, процессор себе и процессор, ну на кристалле и на кристалле, а ведь по принципу работы — это почти мозг. Он (мозг) — это биологическая система на кристалле: в нашем мозге находится и центральный процессор, и графический процессор, и модуль управления памятью, и сама память как кратковременная, так и долгосрочная, и система ввода-вывода.
Как всем нам известно, прорыв в схемотехнике случился благодаря транзистору, но новый этап наступил в 1978 году, когда Intel выпустила в свет процессор 8086, прародителя нашего счастливого настоящего (изначально, кстати, считалось, что он способен на управление светофором, но никак не компьютером). Но гораздо интереснее, что за два года до этого в Intel создали первую систему на кристалле. Это были «всего лишь» электронные часы Microma LCD watch (ссылка с фотографиями). И внутри у них была система на кристалле под названием Intel 5810 CMOS chip.
Прогресс на часах не остановился, техпроцессы всё улучшались и улучшались, а транзисторы становились меньше и меньше. На место больших вакуумных ламп пришли транзисторы, изготовленные по 1.5-1 микрометровой технологии (если положить в ряд штук 200, то они как раз займут миллиметр на линейке). По этой технологи в Intel в 1985 году сделали процессор третьего поколения 80386 (кстати, а вы знали, что 80386 выпускала не только Intel, но и AMD? :)). Примечательна также и модель 386SL 1990 года, объединяющая на одном кристалле процессор, контроллер шины, контроллер оперативной и внешней кеш-памяти. А в 1995 появился 386EX, в кристалл которого поместили ещё контроллер прерываний, таймеры, счётчики и логику тестирования JTAG, которая используется и по сей день для прошивки и контроля качества микросхем. Несмотря на свои незначительные, по сегодняшним меркам, 25Мгц, процессор 386EX встраивали в спутники. Такая вот система на кристалле на орбите получилась.
В 2007 году Intel анонсировала своё следущее SoC решение Intel EP80579 с кодовым названием Tolapai. На одном кристалле объединили процессор с частотой от 600 Мгц до 1200 Мгц, контроллер памяти и I/O контроллеры, а в качестве killer feature в некоторых вариациях на чипе был расположен QuickAssist для аппаратного шифрования, и его использовали, например, в vpn-решениях. На сайте Intel есть отличная презентация, которая мне очень понравилась (ну, насколько вообще нормальному человеку может понравиться презентация).
Самая современная система на кристалле от Intel выполнена по 32нм технологии и называется Atom Z2460 с кодовым именем Medfield. Уже сегодня на Medfield есть прототип смартфона про который недавно был написан хороший пост и совсем скоро он должен поступить в продажу.
Современность
Системы на кристалле — это совсем непросто, да и видов их уже больше одного. Например, бывают мультипроцессорные системы на кристалле. Есть частный случай SoC под названием сеть на кристалле — с текущим техпроцессом уже совсем не обязательно делать сетевую PCI-карту, достаточно небольшого чипа на материнской плате. И радио на кристалле, которое объединяет на одном чипе и приёмник, и передатчик и занимает совсем немного места, по сравнению с предыдущими решениями.
С точки зрения пользователя, ничего особенного в SoC нет. Подумаешь, раньше была большая плата с кучей разноцветных штук, а теперь этих разноцветных штук мало. Велика разница. Но выгода налицо: из-за того, что все распологается внутри одного кристалла значительно уменьшается энергопотребление (это особенно важно для мобильных и автономных решений) и тепловыделение, а значит, можно обойтись либо пассивным охлаждением, либо слабеньким куллером. Ну и цена будет со временем всё ниже и ниже, что тоже всегда приятно.
У производителя всё обстоит не так просто. Чем сложнее устроено нечто, тем сложнее это нечто делать. Если это нечто ещё и маленькое, то делать это совсем непросто. SoC объединяет в себе много совершенно разных вещей, которые традиционно принято разносить по всей материнской плате, и поэтому нужен оригинальный подход к проектированию, позволяющий располагать большое колличество разнотипных компонентов в маленьком корпусе, причем, так, чтобы при работе они не мешали друг другу.
К сложностям проектирования добавляется и увеличивающийся процент брака, неизбежно возникающий при переходе на более высокий уровень техпроцесса. Впрочем, компания Intel уже строит завод Fab42, который будет изготавливать процессоры не по «допотопному» 32нм техроцессу, а по 14нм! Тогда в SoC можно будет разместить ещё больше транзисторов и тем самым увеличить их производительность. Что тогда произойдёт с обычными микропроцессорами, подумать страшно. Берегись, закон Мура!
Конечно же, Intel не единственный производитель систем на кристалле: их достаточно большое колличество, и среди них такие известные бренды как Atheros, ARM Holdings, Broadcom, Marvell Technology Group, Nokia, NVIDIA, Qualcomm, Sharp и другие.
Ближайшее будущее
Системы на кристалле заменят современные микропроцессоры так же, как микропроцессоры заменили вакуумные лампы — это просто вопрос времени. А там, глядишь, и Терминатора соберут.
Уже сейчас SoC можно встретить везде, например, в наручных часах. Хотя, кто сейчас носит наручные часы? Посмотрите, лучше, на свой смартфон. Если он работает на Android, Meego или iOS, там внутри система на кристалле. Посмотрите на свой роутер или adsl-модем — и там внутри SoC. Плеер? И в нём тоже. Да любой микроконтроллер (и даже всеми нами любимая ардуинка) — это система на кристалле.
SoC уже везде. Пока они занимают нишу устройств, не требующих высокой производительности, но это всего лишь вопрос времени. С нетерпением жду того дня, когда мне больше не нужно будет носить с собой тяжеленный ноутбук (нет, я не хочу компьютер в облаке), а будет хватать телефона, клавиатуру к которому я буду подключать по блутузу, а монитор через WiDi, и производительности этого телефона мне будет хватать для всего.
Система на кристалле soc что это
Палайда Юрий
Относительно недавно тема процессоров, их производителей и сроков выхода новых моделей была интересна узкой группе гиков. Сейчас гораздо большее количество людей знает, чем Qualcomm лучше MediaTek, какой конкретно чип подходит для тех или иных задач и когда не стоит смотреть на количество ядер или частоту.
Это же сопровождается большим количеством мифов, неточностей и недосказанностей. В этом материале мы расскажем все, что вам нужно знать о системах-на-кристалле, которые большая часть пользователей привыкла называть просто «процессорами»; научим определять их возможности точнее чем «Qualcomm лучше MediaTek»; и рассмотрим на примерах самые популярные чипы.
Развеивая мифы
Qualcomm Snapdragon 845 – это процессор? A Apple A11? Нет, это микросхемы, состоящие из нескольких элементов, включая тот самый микрочип, о которым мы привыкли говорить, рассуждая о компьютерных процессорах, таких как Intel i7-7700 и других.
Реальные размеры типичной системы на кристалле
Названные выше чипы и другие известные вам названия (Kirin 970 или Helio P60) – это системы на кристалле, однокристальные системы или системы на чипе (от англ. system on a chip). В английском используется аббревиатура SoC.
Тем не менее понятие «процессор» так плотно вошло в употребление, что даже специализированные СМИ, точно знающие значения этих терминов, используют их, ведь так понятнее потребителям. Правильнее же говорить чип или система с дальнейшим указанием ее названия.
Состав чипа
Профессиональный инженер видит в типичном чипе сотни элементов, но нам важно разбирать лишь основные его составляющие, особенно, если мы говорим о мобильной системе:
Процессорный модуль, состоящий из нескольких ядер. Их тип и производительность во многом определяют возможности системы. Именно этот единственный элемент стоит называть процессором
Графический модуль, определяющий возможности устройства в играх и других задачах с обработкой графики. Можно встретить сокращения GPU (Graphical Processing Unit) или VPS (Visual Processing Sybsystem)
Сотовый модем влияет на возможности устройства в вопросах связи: интернета и телефонии
Аудиочип отвечает за качество звучания устройства
Условная схема типичной системы на кристалле на примере Qualcomm Snapdragon 801
Здесь можно было бы затронуть модуль DSP (digital signal processor), обрабатывающий цифровые сигналы, процессор данных изображений (ISP) и процессор безопасности (secure processing unit), контроллеры памяти, регулятор напряжения и еще более мелкие элементы, но чаще всего производители даже не упоминают их в «материалах для всех»,а знание таких подробностей не сделает ваш выбор конкретного чипа осознаннее.
Характеристики чипа
Мы добрались до самого интересного раздела — как научиться определять возможности системы и сравнивать ее с остальными. Вам нужно хотя бы в основе разбирать типы комплектующих, чтобы корректно их сопоставлять между собой. Хотя игроков на рынке систем на кристалле не так уж и много, так что если вы заинтересуетесь, разберетесь за один присест.
В процессе написания этого материала мы столкнулись с тем, что определение архитектуры отличается и при этом довольно спокойно принимается в самых разных значениях.
ARM – это и архитектура, построенная на платформе RISC, и название компании, которая ее лицензирует. Последняя предоставляет сторонним производителям возможность самостоятельно создавать чипы.
Актуальной версией архитектуры считается ARMv8.4-A. Этот факт вряд ли будет упоминаться в описаниях чипов, но запомнить его стоит.
Напоследок стоит отметить, что переход с ARMv7 на ARMv8 обозначил смену архитектуры с 32-битной на 64-битную. Говоря простым языком, с того момента как произошла смена, чипы смартфонов научились работать с числами, имеющими не 32, а 64 разряда. Это не только увеличило их производительность, но и позволило использовать в связке с ними бóльшие объемы оперативной памяти.
2. Количество ядер
Все-таки об архитектурах речь заходит не так часто, как о ядрах. В эпоху компьютеров многие судили по их количеству о том, насколько мощный ПК. Теперь почти все знают, что это не главное.
10-ядерная система на примере чипа MediaTek: 2 ядра Cortex-A72 для самых сложных задач, 4 Cortex-A53 с частотой 2.0 ГГц для оптимального соотношения производительность/энергоэффективность и 4 энергоэффективных Cortext-A53
В случае с SoC значение имеет тип каждого отдельного ядра. Производители часто объединяют в одном модуле несколько производительных ядер, которые будут использоваться для производительных задач, в частности, ресурсоемких игр, и некое число энергоэффективных ядер. Последние уменьшат энергопотребление в тех ситуациях, когда пользователь работает с простыми программами. Такой принцип называется big.LITTLE.
3. Тактовая частота
Этот пункт также часто вызывает недоразумения. Частота всегда указывается в герцах. Средний показатель современного чипа: 1.5-2.2 ГГц.
ГГц — расшифровывается как «гигагерц». Гига — миллиард, герц — один цикл в секунду. Частота чипа — это то, сколько операций (или тактов) он способен выполнить в секунду.
Но стоит понимать, что более высокая частота (2,4 ГГц) среднепроизводительного чипа хуже чем средняя частота (1,8 ГГц) производительной системы, если речь идет о сложных задачах.
4. Кэш (сверхоперативная память)
Это миниатюрный модуль, предоставляющий процессору некий объем памяти. Он дает возможность не обращаться каждый раз к оперативной памяти (которая работает медленнее, чем чип) и таким образом увеличить скорость исполнения простых программ.
5. Технологический процесс
Технологический процесс полупроводникового производства определяется разрешающей способностью оборудования для производства. Проще объяснить будет довольно сложно, но если упростить — это разрешение электронного пучка, используемого в литографии.
Флагманские чипы 2018 года выполнены по 10нм процессу, однако уже в конца года ожидается ряд чипов, построенных по 7нм.
Индустрия слегка отстает от некогда заданного графика, но будущее сулит невероятные прорывы
Уменьшение разрешающей способности дает возможность уместить ту же систему на физическом кристалле меньшего размера или, соответственно, большую систему на кристалле такого же размера.
Топовые производители
Как мы уже знаем, почти все процессоры построены на архитектуре ARM. Но компания абсолютно лояльно относится ко всем остальным и предлагает им широкие возможности в плане создания собственных решений. Те же Apple и Samsung не просто создают на базе ARM собственные чипы, но даже уникальные версии ядер.
В лидерах по производству однокристальных систем такие компании как Apple (серия Apple A), Qualcomm (Snapdragon), MediaTek (Helio), Samsung (Exynos), Huawei (Kirin).
Некоторое время назад в мобильных устройствах можно было встретить чипы Intel. Этот тот редкий случай, когда вместо архитектуры ARM использовалась x86. Правда, подобное положение вещей создавало проблемы для производителей смартфонов, ведь другая архитектура предусматривает иные принципы работы с софтом, и поэтому часто даже очень оптимизированные игры и программы хуже работали на таких системах. В свое время в пользу Intel свой выбор сделала компания Asus, представившая линейку из трех смартфонов Asus Zenfone 4, 5 и 6, а потом и Zenfone 2 на Intel Atom. На этом эксперимент был окончен, а сейчас Zenfone комплектуется чипами Snapdragon.
Отдельно стоит отметить компанию Nvidia, которая лишь экспериментирует на мобильном рынке, но не пытается с кем-то конкурировать. Nvidia Tegra использовался в минимальном количестве устройств, а сейчас на нем работает портативная консоль Nintendo Switch, и неизвестно, есть ли у компании дальнейшие планы в этом направлении.
Кое-какие шаги в этом направлении предпринимает и китайская Xiaomi. Зимой прошлого года она показала первое поколение Surge S1. Многие ждали продолжения в этом году и ожидали, что он предстанет в Xiaomi Mi A2, но компания пока хранит молчание.
Если Xiaomi не бросит начатое, то нас ждет еще один конкурентоспособный игрок на рынке
О составляющих на примерах
Теперь, когда мы разобрали, что из себя представляет типичная система на кристалле, из чего она состоит и чем характеризуется, можем рассказать о тех же вещах, но уже называя конкретные имена.
Первым делом речь всегда заходит о ядрах. В случае с процессорами ARM это почти всегда Cortex. Например, в топовом на 2018 год Kirin 970 используются самые производительные ядра ARM Cortex-73. Всего их 4, несмотря на то что система восьмиядерная. Еще 4 ядра — это Cortex-A53, более энергоэффективные. Это тот самый принцип big.LITTLE, когда система включает в себя несколько ядер для разных задач.
Хоть ARM и является повсеместной архитектурой, компания дает возможность сторонним производителям максимально кастомизировать свои чипы. Так, Qualcomm в топовых чипах предлагает собственные решения (основанные на тех же Cortex) — Kryo. У флагманского Snapdragon 845, например, стоит 8 ядер Kryo 385. В данном случае используются одни и те же ядра с разной частотой: для требовательных задач до 2,8 ГГц, а в простых — до 1,8 ГГц.
Со следующими названиями графических ускорителей вы также наверняка знакомы. Qualcomm использует собственную разработку Adreno, у Apple стоят решения от PowerVR, а у всех остальных ARM Mali – разработка той же компании, которой принадлежит архитектура. Возможности каждого ускорителя можно определить количеством ядер, но намного важнее смотреть на поддерживаемые технологии: OpenGL ES 3.2, DirectX 12 и так далее.
В скобочках с уточнением техпроцесса часто указывается название компании, которая производит чипы (Samsung или TSMC).
Названия сетевых модемов вам вряд ли что-то скажут, поэтому всегда смотрите на максимальные показатели скорости, достижимые при их использовании в устройствах.
Тенденции
Тик-так
Большинству интересующихся сферой информационных технологий известно понятие «Тик-так». Это стратегия производства микропроцессоров компании Intel, которая распределена на 2 стадии: «Тик» — уменьшение технологического процесса; «Так» — оптимизация текущего поколения. У топовых производителей мобильных чипов есть аналогичные подходы, которые не так давно были нарушены. Это связано с тем, что изначально каждая стадия должна занимать год, но из-за физических ограничений, связанных с невозможностью так быстро уменьшать техпроцесс, компании работают с одной технологией чуть дольше. К слову, первые 7нм чипы должны показать в конце 2018 года, а вот когда ждать следующего обновления неизвестно.
Вот так это выглядит у Intel, но мобильная индустрия уже впереди
Искусственный интеллект
Эту тему также эксплуатируют почти все производители.
У Huawei есть NPU (neural processing unit) для задач, связанных с работой нейронных сетей, искусственного интеллекта и так далее. У A11, который имеет приставку Bionic в названии, за это отвечает Neural Engine. А вот у Qualcomm пока нет выделенного решения. За ИИ в чипах компании отвечает сигнальный процессор Hexagon.
В скором времени стоит ожидать появления отдельных модулей даже в среднебюджетных и недорогих чипах. Пока этим может похвастаться лишь Helio P60.
Модем
Здесь речь идет уже больше не о чипах, а о производителях устройств, которые успеют использовать их раньше остальных, застолбив за собой звание первых со связью нового поколения.
Новое поколение связи не только обеспечит большую скорость данных, но и даст возможность использовать режим «device-to-device», минуя сервера. Что касается чипов, то они постепенно начнут появляться сначала в дорогих устройствах, со временем становясь решением для всех.
Резюмируя
В отличие от микропроцессоров, устанавливаемых в компьютеры и ноутбуки, системы на кристалле (SoC) состоят из множества элементов и представляют из себя целые устройства, размещенные, тем не менее, на одной интегральной схеме.
Основные элементы любой такой схемы: процессорный модуль из нескольких ядер, графический процессор, модем, аудиочип и цифровой сигнальный процессор. Достаточно знать только их, чтобы составить впечатление о производительности чипа.
Все современные мобильные системы построены на архитектуре ARM, но сторонние производители добавляют в них собственные элементы, начиная с ядер и заканчивая графическими ускорителями. Двигателями отрасли являются Qualcomm, MediaTek, Huawei, Samsung и Apple.
В конце этого года мы ожидаем появления первых систем, построенных по 7нм техпроцессу, увеличения роли модулей для работы с искусственным интеллектом и перехода на связь нового поколения (5G).
Что такое SoC? Все, что вам нужно знать о Чипсетах для Смартфонов
Технические энтузиасты любят говорить о вычислительной мощности и микросхемах, будь то ПК и игровые консоли или новейшие смартфоны. Для непосвященных эти темы изобилуют жаргоном и абстрактно звучащими идеями, которые могут показаться трудными для понимания даже базовых вопросов, таких как «что такое SoC?»
Могут потребоваться годы изучения, чтобы разобраться в тонкостях конструкции микросхемы, что не имеет смысла, если вы просто пытаетесь изучить потенциальную покупку. Сегодня мы собираемся сделать что-то более удобное для начинающих и объяснить все тонкости современных чипов для смартфонов с минимальным техническим углублением, насколько это возможно.
Что такое SoC?
SoC расшифровывается как «система на кристалле» (system-on-a-chip). Как следует из названия, SoC — это полная система обработки, содержащаяся в одном пакете. Это не комплекс из одного процессора, с которым вы могли быть знакомы, если когда-либо собирали ПК. Вместо этого SoC содержит несколько обрабатывающих частей, памяти, модемов и других важных компонентов, изготовленных вместе в одном чипе, который припаян к печатной плате.
SoC (cистема на кристалле) — это мозг вашего смартфона
Объединение нескольких компонентов в одну микросхему позволяет сэкономить место, затраты и энергопотребление. По сути, SoC — это мозг вашего смартфона, который обрабатывает все, начиная от операционной системы Android и заканчивая распознаванием, когда вы нажимаете кнопку выключения. SoC также подключаются к другим компонентам, таким как камеры, дисплей, оперативная память, флэш-память и многое другое.
В приведенном ниже списке представлены наиболее распространенные компоненты, которые вы найдете внутри системы на кристалле смартфона. Позже в этой статье мы рассмотрим несколько наиболее важных из них.
- Центральный процессор (CPU) — «мозг» SoC. Выполняет большую часть кода для ОС Android и большинства ваших приложений.
- Графический процессор (GPU) — обрабатывает задачи, связанные с графикой, такие как визуализация пользовательского интерфейса приложения и 2D/3D игры.
- Блок обработки изображений (ISP) — преобразует данные с камеры телефона в файлы изображений и видео.
- Цифровой сигнальный процессор (DSP) — выполняет более сложные математические функции, чем CPU. Включает распаковку музыкальных файлов и анализ данных датчика гироскопа.
- Блок нейронной обработки (NPU), также называется нейропроцессором — используется в смартфонах высокого класса для ускорения задач машинного обучения (AI). К ним относятся распознавание голоса и сегментация объектов камеры.
- Видеокодер/декодер — обеспечивает энергоэффективное преобразование видеофайлов и форматов.
- Модемы — преобразует беспроводные сигналы в данные, которые понимает телефон. Компоненты включают модемы 4G LTE, 5G, WiFi и Bluetooth.
Наконец, в разговоре о SoC часто упоминается так называемый производственный процесс. Он указан как число в нанометрах (нм). Вообще говоря, чем меньше размер нм, тем меньше размер внутренней проводки SoC. Это лучше с точки зрения энергоэффективности и размера микросхемы. Хотя существуют разные методы изготовления, которые могут затруднить прямое сравнение. На момент написания статьи 5-нанометровая технология — это наименьший из доступных производственных процессов, используемых в смартфонах SOC.
Примеры SoC
Теперь, когда у нас есть краткий обзор того, что такое SoC, приведём нескольких примеров. В области смартфонов Qualcomm, Samsung Semiconductor, Huawei HiSilicon и MediaTek — четыре крупнейших имени в этом бизнесе. Скорее всего, в вашем смартфоне установлен чип одной из этих компаний.
Структура SoC Qualcomm Snapdragon 845
Qualcomm является крупнейшим поставщиком SOC для смартфонов, поставляющий чипы для большинства флагманских, средних и даже бюджетных смартфонов, выпускаемых для любого бюджета. SoC Qualcomm подпадают под бренд Snapdragon. Чипы премиум-класса, обладающие лучшими технологиями этой компании, выпускаются под маркой Snapdragon 800 серии, например, новейший Snapdragon 888. Продукты среднего и супер-среднего уровня имеют названия серий Snapdragon 600 и 700 соответственно. Например, Snapdragon 765 — это относительно новый чип среднего уровня, поддерживающий подключение 5G. Продукты начального уровня названы серией 400.
SoC Exynos от Samsung работают в аналогичном масштабе премиум, среднего и начального уровня. Ранее они были указаны как серии Exynos 9900, 9800 и 9600, при этом продукты серии Exynos 7000 поддерживали бюджетную часть устройств. Тем не менее, новейший высокопроизводительный чип Samsung — это Exynos 2100, а Exynos 1080 — это чипсет 5G среднего уровня.
Схема именования Samsung Exynos очень похожа на схему Huawei, но теперь она изменилось. Kirin 9000 является последним флагманским чипом компании Huawei, который поставляется в вариантах 4G и 5G. Серия Kirin 600 во многом похожа на линейку Snapdragon 600, предлагая спецификации среднего уровня для более доступных смартфонов.
Наконец, линейка Helio от MediaTek охватывает доступные продукты серии P вплоть до серии G, ориентированной на игры. Последняя флагманская серия производителя — это Dimensity 1200 , за которой следует Dimensity 1100.
Все начинается с Процессора
Возможно, вы знакомы с термином процессор, поскольку в этой области он часто используется как синоним CPU. CPU — это наиболее часто упоминаемый тип процессора. Он разработан таким образом, чтобы быть очень гибким и подходящим для широкого спектра задач. Таким образом, процессор запускает операционную систему Android и ваши приложения. Он также частично отвечает за синхронизацию данных между другими процессорами внутри SoC.
SoC Snapdragon 888 имеет техпроцесс 5-нм Samsung 5LPE
Если кратко, CPU работают с использованием блоков прогнозирования, регистров и исполнительных блоков. Это называется архитектурой CPU. Регистры содержат биты данных или указатели на память, часто в 64-разрядных форматах данных. Исполнительные устройства выполняют что-то с одним или несколькими регистрами, например, чтение и запись в память или выполнение математических операций. Несколько исполнительных блоков могут использоваться одновременно с процессором, каждому из которых требуется один или два такта для выполнения своей функции.
Процессоры достаточно гибкие, чтобы решать широкий круг задач. Производительность можно увеличивать и уменьшать, изменяя тактовую частоту (в ГГц), количество ядер или изменяя базовую архитектуру, чтобы делать больше с каждым тактовым циклом. Этот последний момент часто называют созданием «более широкого» или «большего» процессора, поэтому телефонные чипы Apple настолько мощны . Однако в этих более широких конструкциях есть компромиссы между мощностью и эффективностью.
Процессоры внутри SoC смартфонов бывают разных видов, и все они основаны на архитектуре процессора Arm. Последними процессорными ядрами Arm являются большие Cortex-X2 и Cortex-A710, а также маленькие Cortex-A510. Все эти три устройства основаны на новейшей архитектуре Armv9. Процессоры смартфонов часто представлены в восьмиъядерных конфигурациях с большими мощными ядрами для более требовательных приложений и меньшими энергоэффективными ядрами для обеспечения длительного времени автономной работы.
Интегрированная графика
Помимо CPU, графический процессор (GPU) — это еще одна часть традиционного оборудования для обработки чисел, упакованного в телефонную SoC. Графические процессоры гораздо менее универсальны, чем CPU, и в результате они спроектированы по-другому. Они созданы для многократного параллельного выполнения математических функций, что они могут делать намного быстрее, чем обычный CPU. Помните, что на вашем дисплее 1080p нужно заполнить миллионы пикселей, каждый из которых должен быть рассчитан, когда вы запускаете приложение или любимую игру.
SoC Exynos 2200 с графическим процессором AMD
Большинство графических операций повторяются снова и снова, чтобы заполнить все пиксели на экране. Таким образом, графические процессоры предназначены для одновременного выполнения большого количества математических операций над большими пакетами данных. В отличие от CPU, которые выполняют одну или две операции в каждом цикле, графические процессоры выполняют десятки, сотни и даже тысячи параллельных операций в каждом цикле. Это зависит от размера и производительности графического процессора.
Двумя основными графическими процессорами в области Android SoC являются Arm Mali и Qualcomm Adreno. Оба предлагают большие и меньшие версии технологии GPU, а флагманские чипы упакованы в самое мощное оборудование для 3D-игр. Qualcomm мало говорит о внутренней работе Adreno, тогда как об архитектуре Mali известно почти всё. У Apple также есть собственный графический процессор для своих SoC iPhone, и AMD скоро вступит в бой с графической SoC Exynos по соглашению с Samsung.
Хорошие камеры нуждаются в хороших процессорах
Смартфоны все чаще оценивают по их фотографическим возможностям. В то время как высококачественные сенсоры и объективы имеют важное значение, мощные возможности обработки изображений не менее важны. Достаточно взглянуть на впечатляющие результаты простой аппаратной настройки камеры Google Pixel 4.
В то время как редактирование и настройка изображений часто выполняются на CPU и GPU, прежде чем изображение будет сохранено на вашем телефоне, выполняется масса обработок данных с датчиков камеры.
ISP (Image Signal Processor, переводится как «Процессор Обработки Изображений») — это специализированный DSP (Digital Signal Processing, переводится как «Цифровая Обработка Сигналов»), который выполняет общие задачи обработки изображений, такие как преобразование Байера, фокусировка, демозаизация, повышение резкости и шумоподавление. Другими словами, он превращает цифровую информацию с сенсора камеры в красивую картинку.
Kirin 990 от Huawei
Последние две задачи особенно важны для смартфонов, где более дешевые телефоны имеют тенденцию к чрезмерной резкости и создают размытые детали.
Высококачественные чипсеты все чаще предлагают высококлассные функции. Например, Kirin 990 от Huawei был первым SoC с согласованием блоков DSLR и 3D фильтрацией (BM3D) снижения шума, а новейшие ISP от Qualcomm и Samsung обеспечивают программное размытие боке видео в реальном времени.
Суть в том, что для красивых изображений требуется мощный процессор обработки изображений.
Искусственный Интеллект Нового Поколения
Такие термины, как нейронные процессоры, процессоры ИИ (искусственного интеллекта) или ядра машинного обучения, часто используются взаимозаменяемо, но все они, как правило, означают одно и то же в современных смартфонах: процессор, специально оптимизированный для математики и алгоритмов, обычно используемых нейронными сетями.
Точно так же, как графические процессоры являются процессорами, оптимизированными для графической математики, а ISP оптимизированы для задач с изображениями, процессоры NPU (Neural Processing Unit, переводится как «нейронный процессор») специально разработаны для более быстрого и эффективного выполнения задач нейронных сетей и машинного обучения, чем CPU. NPU также имеют собственные кэши локальной памяти, чтобы ускорить выполнение без необходимости использования более медленной оперативной памяти.
Нейронные сети часто используют операции, которые требуют нескольких фрагментов входных данных для создания только одного выходного. Особенно популярна операция совмещённого умножения-сложения, которая часто работает с данными различных размеров-от 16 до 8 бит и даже 4 бит данных. Это сильно отличается от математических вычислений и типов данных, используемых центральными процессорами, хотя некоторые операции могут быть ускорены на гибких графических процессорах.
NPU — это новейший специализированный процессор, который находит свое применение в телефонных SoC. Хотя эта технология в основном предназначена для флагманских чипов, она быстро распространяется на более доступные чипсеты и телефоны.
Модемы 4G и 5G для более быстрой передачи данных
Последней частью SoC современного смартфона является модем для передачи данных, который позволяет вам получать доступ к сетям передачи данных от вашего оператора связи. Различные модемы также определяют скорость и качество вашего подключения к передачи данных. Самые мощные модемы достигают скорости загрузки выше 1 Гбит/с. Существуют также модемы для передачи данных Wi-Fi и Bluetooth, но сегодня мы фокусируемся на модемах 4G и 5G.
В предыдущие годы SoC для смартфонов имели встроенные модемы 4G. Это означает, что 4G-модем находится внутри SoC. Первые модемы 5G для смартфонов были внешними, поэтому их нужно было подключать к основному SoC. Это менее энергоэффективно, но упрощает реализацию высокопроизводительных функций и обеспечивает производителю гибкость при развертывании сетей 5G для большего числа потребителей.
Интегрированные модемы и возможности 5G теперь уже здесь. Все флагманские процессоры Qualcomm, Samsung и Huawei оснащены встроенными модемами, которые поддерживают возможности подключения как ниже 6 ГГц, так и mmWave 5G. Все флагманские телефоны 5G 2021 года оснащены встроенными модемами, что позволяет повысить энергоэффективность при достижении пиковых скоростей передачи данных.
Подробнее о SoC для смартфонов
Энтузиасты телефонов любят сравнивать характеристики CPU и GPU, но это становится менее актуальным, поскольку производительность растет и требуются новые возможности. В SoC для смартфонов все меньше внимания уделяется какой-либо отдельной возможности, а больше — гетерогенному вычислительному подходу к решению проблем обработки. Другими словами, использование наиболее эффективного типа процессора для данной задачи.
Современные телефоны справляются с более широким спектром рабочих нагрузок, чем когда-либо прежде. В результате количество выделенных процессоров внутри каждого чипа продолжает расти. От базовых компонентов CPU и GPU несколько лет назад до DSP, продвинутых ISP и NPU сегодня. Эти менее обсуждаемые детали становятся только более важными с достижениями в области безопасности, машинного обучения и 5G.