ARM ne spi na lovorikah
Nekatere stvari tudi v ponorelem modernem svetu ostajajo enake. Izdelovalci mobilnih telefonov vsako leto prenovijo svoje modele. Preberemo lahko, da v njih tiktakajo procesorji najrazličnejših znamk: Apple, Samsung, Mediatek, Qualcomm, Huawei … Toda ti so si bolj podobni, kot kažejo njihova imena. Vsi uporabljajo arhitekturo ARM, ki ostaja stalnica v mobilnem svetu in na katero Intel še vedno ni našel odgovora.
Proizvodnja mobilnih procesorjev je kirurško čista. (slika: TSMC)
ihodnji mesec bosta minili dve leti od zadnjega velikega pregleda ARMjevih procesorjev (Mobilni procesorji, Monitor 05/15). To je v računalništvu dolga doba in čeprav je tempo rasti frekvence v zadnjih letih nekoliko zastal, se je nabralo precej novosti. Nekaj stvari pa ostaja nespremenjenih. Seveda mislimo na to, da je arhitektura ARM kljub Intelovim nekoč smelim ambicijam še vedno nesporni vladar na mobilnem trgu.
Procesorjev ARM ni
Če kupite Intelov procesor Atom za mobilne naprave (danes bolj ali manj le še tablice in prenosnike), točno veste, da ga je načrtoval, oblikoval in izdelal Intel, ki je eno redkih podjetij, ki vse faze proizvodnega procesa še vedno opravlja samo. Po drugi strani procesorja, ki bi ga izdelal ARM, ne morete kupiti. Ni ga. ARM je eno prvih podjetij, ki so prešla na tako imenovani licenčni način. ARM arhitekturo razvije, potem pa prodaja licence za svojo platformo. Dejanski izdelovalci imajo na voljo troje: licenco za procesor, optimizacijski paket za procesor ali arhitekturo. Prva možnost pomeni, da izdelovalec kupi opis sestavnih delov in strojnih povezav v RTL (register-transfer-level), potem pa sam izdela procesor. Optimizacijski paket za procesor je v celoti pripravljen načrt oziroma referenčni dizajn za procesor. Licenciranje arhitekture pa izdelovalcu omogoča, da pripravi povsem svoje čipe (SoC), ki pa so seveda še vedno skladni z ukazi za ARM. Vse to so razlogi za res pestro dogajanje v tem segmentu. ARM skrbi za nove izvedenke na svoji arhitekturi, izdelovalci pa domala tekmujejo, kdo bo izdelal boljši procesor.
Mobilni procesorji se merijo v kvadratnih milimetrih.
Namizniki šepajo
Intel je namizne procesorje (arhitektura x86) desetletje izdajal v ritmu tik-tak. V eni družini je ohranil prejšnjo arhitekturo, a je pomanjšal litografijo (denimo z 22 na 14 nm), v naslednji družini pa je na isti litografiji prenovil arhitekturo. In potem se je krog na novo zavrtel. Toda zmanjševanje litografije je zaradi fizikalnih omejitev čedalje težje, zato se je Intelu zataknilo. Prvikrat smo to opazili, ko je Broadwellu in Skylaku sledila generacija Kaby Lake, tretja zapovrstjo v 14 nm. Ko je Intel letos napovedal, da bo tudi četrta generacija Coffee Lake še vedno 14 nm, je postalo jasno, kako težak problem je prehod na 10 nm. Le najskromnejši modeli iz nove družine Cannon Lake s 15 oziroma 5,2 vata porabe bodo narejeni v 10 nm. Nič bolje ne gre AMDju, ki je letos izdal družino Ryzen (Zen), ki je šele njegova prva v 14 nm.
ARMjeva arhitektura očitno nima teh težav. Z izdelovalcem TSMC so že maja lani validirali 10 nm dizajn tranzistorjev (FinFET) za preizkusni čip, ki je imel štiri procesna jedra, grafično jedro in povezave. Prve procesorje na 10 nm na arhitekturi ARM smo dobili še istega leta. Samsung je prvi začel izdelovati ARMjev procesor v 10 nm, a presenetljivo ne svojega, temveč Qualcommov Snapdragon 835. Danes v 10 nm nastajajo tudi drugi procesorji, denimo Samsungovi Exynosi. Qualcomm je decembra začel v 10 nm izdelovati celo 48-jedrni procesor ARM Centriq 2400 za strežnike.
Da bo mera polna, pa od lani čipe ARM izdeluje tudi Intel. Z ARMjem so namreč sklenili licenčni dogovor, ki Intelu dovoljuje, da v svojih proizvodnih obratih izdeluje procesorje ARM, a le za svoje stranke. V praksi torej lahko Qualcomm pri ARMju kupi licenco za arhitekturo ARM, oblikuje svoj čip in naroči izdelavo pri Intelu, ne sme pa Intel izdelovati čipov v svojem imenu in za svoj račun. Trenutno sicer ARMjeve procesorje izdelujejo v glavnem v Samsungovih in TSMCjevih tovarnah. LG je bil prvi izmed velikih, ki je napovedal uporabo Intelovih tovarn za proizvodnjo svojih čipov ARM.
Novo iz sveta ARM
ARMjevi procesorji še vedno sodijo v osmo generacijo, a se ta izboljšuje. Lani v začetku leta so napovedali procesorje ARMv8.2-A, oktobra pa že ARMv8.3-A. Prvi je prinesel obdelavo podatkov s plavajočo vejico v polovični natančnosti (16 bitov), izboljšano upravljanje pomnilnika, podporo RAS (reliability, availability, serviceability) in statistično profiliranje. ARMv8.3-A bo prinesel še dodatne novosti, npr. gnezdeno virtualizacijo.
Osma generacija je končno v celoti nasledila sedmo.
Cortex-A73 je ARMjev najnovejši procesor, ki izkorišča te novosti. Gre za 64-bitni procesor na arhitekturi ARMv8.2, ki lahko teče s hitrostmi do 2,8 GHz in je primeren za uporabo v sestavi big.LITTLE, kakor se imenuje kombinacija hitrih in počasnih jeder. V 10 nm izvedenki je 30 odstotkov varčnejši od 16 nm A72, obenem pa tudi 30 odstotkov hitrejši. Posamezno jedro je manjše od 0,65 mm2! Vsa razlika ni posledica manjše litografije, saj je tudi 16 nm A73 petino varčnejši in 5–15 odstotkov (odvisno od testa) hitrejši od enako velikega predhodnika. Množičen prihod čipov, temelječih na A73, pričakujemo prav zdaj.
A73 ni zgolj nadgradnja za A72, temveč lahko ponudi kvalitativen preskok v primerjavi s šibkejšim A53. Na voljo je namreč šestjedrna različica big.LITTLE (dvakrat A73 in štirikrat A53), ki zasede enako prostora kakor osemjedrni A53. Taka sestava je pri uporabi vseh jeder hitrejša za tretjino, pri uporabi enega jedra (za enonitne aplikacije) pa kar za dvakrat! Obenem se A73 manj segreva, zato je upočasnitev pri dolgotrajni rabi zaradi zaščite pred pregrevanjem manjša.
Že konec leta 2015 je ARM predstavil Cortex-A35, februarja lani pa še A32. To sta procesorja z drugega konca spektra, saj je njuno poslanstvo čim manjša poraba energije. A35 je naslednik A5 in A7, A32 pa A7. A35 porabi manj kot 125 mW energije in lahko deluje samostojno ali v kombinaciji big.LITTLE z zmogljivimi jedri. Od predhodnika A7 je pri enaki frekvenci okrog 15 odstotkov hitrejši zaradi številnih posodobitev. S tem procesorjem je namreč ARM dopolnil osmo generacijo svojih procesorjev, saj sta naslednika dobila že zadnja procesorja iz sedme generacije (A5 in A7), tako da zdaj vsebuje procesorje vseh zmogljivosti. ARMjevo poimenovanje procesorjev pač nikoli ni imelo kaj veliko smisla, zato glejte tabelo in shemo.
ARMjeva arhitektura težav z 10 nm nima - že lani so validirali dizajn tranzistorjev v 10 nm
A32, ki je prav tako iz osme generacije, je namenjen napravam kot Raspberry Pi in raznim pametnim zapestnicam ter podobnemu, zato sploh ni v 64-bitni izvedenki, je pa pri 32-bitnih operacijah okrog 10 odstotkov hitrejši od A35. Glede porabe energije je vse odvisno od priganjanja – eno jedro pri 100 MHz porabi 4 mW, štiri pri 1 GHz pa že 300 mW.
Te referenčne procesorje (in nekaj lastnih) najdemo v SoCih, ki jih načrtujejo posamezni izdelovalci in izdelujejo livarne.
V troje je učinkoviteje
Logika uporabe jeder dveh vrst je razumljiva. Velik del časa mobilne naprave ne potrebujejo veliko računske moči, zato je tedaj uporaba zmogljivih jeder potrata baterije. Po drugi strani pa včasih potrebujemo čim več moči, in tedaj vskočijo zmogljiva jedra. Vse skupaj si lahko predstavljamo kot prestave v avtomobilu. Zakaj bi imeli dve, in ne treh? Rezultat se imenuje Max.Mid.Min (ime je podobno neumno kot big.LITTLE).
Tajvanski izdelovalec Mediatek zato izdeluje desetjedrne procesorje, v katerih sta dve zelo hitri jedri, štiri srednje hitra in štiri počasnejša. Tehnologijo so predstavili že predlani, minuli mesec pa so začeli prodajati najnovejši tak procesor, Helio X30. Ta ima dve jedri A73 pri 2,5 GHz, štiri A53 pri 2,2 GHz in štiri A35 pri 1,9 GHz, grafiko pa zagotavlja PowerVR Series7XT MT4. Obenem je to prvi procesor, ki ga bo »livarna« TSMC izdelovala v 10 nm, in eden prvih čipov, ki že uporabljajo A73. No, najdemo sicer tudi že eksotiko, kot je Xiaomijev Pinecone V970 s štirimi A73 in štirimi A53, vsi v 10 nm.
Seveda je Helio X30 še vedno počasnejši od procesorja, ki ima štiri jedra A73, a to niti ni njegov namen. Mediatek je poskušal izdelati najbolj vsestranski procesor z najboljšim razmerjem med zmogljivostjo in porabo energije. Ali jim je uspelo, bomo videli v prihodnjih mesecih, ko bodo izšli tudi prvi telefoni z njim.
A73 že počasi kapljajo
Svoje procesorje z jedri A73 začenjajo izdajati tudi drugi izdelovalci. HiSilicon, ki je v resnici Huaweijeva podružnica, poskuša s Kirinom 960 (imata ga že telefona Mate 9 in P10), ki ima štiri A73 (2,4 GHz) in štiri A53 (1,8 GHz). Predhodnika Kirin 950 in 955 sta imela namesto procesorja A73 njegovo prejšnjo različico, A72. To je tudi prvi čip, ki ima ARMjevo najnovejšo grafiko Mali-G71, tako da podpira knjižnice (API) za Vulkan in navidezno resničnost (frekvenco osveževanja do 120 Hz).
Qualcomm malo po svoje
Največji izdelovalci (Qualcomm, Apple, Samsung ...) imajo licence, ki jim dovoljujejo izdelavo svojih čipov, združljivih z ARM. Nekateri potem te dizajne prodajajo tudi drugim zainteresiranim (npr. Qualcomm), Apple pa ne.
Qualcommov najnovejši SoC je Snapdragon 835, ki ima zanimivo zasnovo in še bolj kompleksno licenco. Jedra Kryo 280 niti niso ARMjeva niti v celoti Qualcommova (kot na primer v Snapdragonu 820), temveč nekaj vmes (semi-custom). Qualcomm lahko izbere, katere parametre v Cortexu bo izboljšal, denimo cevovod, kaj pa bo ostalo enako. Kryo 280 je tako zgolj skromno predelan A73 pod drugim imenom. Pomembno je vedeti še, da Qualcomm takega dizajna ne sme prodajati naprej. Snapdragon 835 bo imel štiri hitra jedra Kryo 280 z 2,45 GHz in štiri varčna A53 z 1,9 GHz. Da, tudi lastna in ARMjeva jedra je mogoče kombinirati v istem čipu. Uporabo Snapdragona 835 pričakujemo v Samsungovem Galaxy S8, čeprav Samsung razvija lastne Exynose, v LG V30 konec leta, pa tudi v HTC 11 in OnePlus 4.
Poleg lastnih jeder izdeluje Qualcomm tudi čipe s »čistimi« ARMjevimi jedri. Konec leta predstavljeni Snapdragon 653 ima štiri A72 in štiri A52, Snapdragon 626 pa osem A53. Najvarčnejši novinec je Snapdragon 427, ki ima štiri jedra A53.
Qualcomm je že razvil čip Centriq 2400, ki ima 48 jeder Falkor.
Qualcomm pa misli resno tudi z uporabo ARMjevih procesorjev v strežnikih, zato je razvil Centriq 2400. Gre za čip z 48 lastnimi jedri Falkor, ki so zgrajeni v 10 nm tehnologiji. Prve naprave pričakujemo v drugi polovici leta.
Samsung prisega na hibride
Nove čipe je pripravil tudi Samsung, ki prav tako uporablja kombiniran dizajn. Najbolj svež je Exynos 9 Octa 8895, ki izide v drugem četrtletju, seveda v 10 nm tehnologiji FinFET. Osemjedrni čip bo imel štiri lastna jedra Exynos M2 Mongoose in štiri počasna Cortex-A53. Odvisno od podverzije bo grafika bodisi 20-jedrni Mali-G71 MP20 bodisi MP18. Samsung bo svoj čip uporabil v telefonu Galaxy S8, ki bo torej (spet) v dveh geografskih izvedenkah – s Samsungovim ali Qualcommovim procesorjem. Kot je za mobilne SoC-e že v navadi, podpira Samsungov čip še kopico drugih funkcij: gigabitni LTE, posebno enoto za varne transakcije s prepoznavanjem šarenice ali prstnih odtisov ter VPU (vision processing unit) za navidezno resničnost.
Exynos 9 so torej lastni Samsungovi čipi najvišjega razreda. Kdor bo zadovoljen z manj, lahko poseže po Exynosu 7, 5 ali 3, saj se Samsung tu drži preglednega poimenovanja. Exynos 7 Octa 7880 ima osem jeder Cortex-A53, Exynos 7 Quad 7570 pa štiri. Exynosi 5 in 3 so starejši in uporabljajo procesorje sedme generacije ARM.
Apple meri visoko
Apple razvija svoje procesorje ARM, a podrobnosti o njihovi oblikovanosti ne deli z nikomer. Za iPhone 6S in 6S Plus je sestavil dvojedrni A9, za najnovejše iPade A9X, za najnovejša iPhone 7 in 7S pa štirijedrni A10 Fusion. Vse te zanj izdeluje TSMC v 16 nm tehnologiji, razen enega modela A9, ki ga v 14 nm izdeluje Samsung. A10 je v resnici najhitrejši procesor ARM v enonitnih procesih in ima dve hitri jedri Hurricane in dve varčni Zephyr. Za razliko od izdelkov drugih izdelovalcev obe vrsti jeder ne moreta delovati hkrati. A10 je sicer težko čisto pravično primerjati z drugimi procesorji, ker poganja iOS in ne Androida, a preizkusi kažejo, da je nekje na ravni Qualcommovega Snapdragona 821. Kaj bo Apple pripravil za iPhone 8, je težko reči. Čip A11 bo v 10 nm tehnologiji izdeloval TSMC in naj bi bil najhitrejši procesor ARM doslej. Bomo videli.