#Smartfóny
13 min.
9.8.2014

Vyznajte sa v smartfónoch – procesory

Pred rokom ste si mohli prečítať na našom webe dlhý seriál pomerne rozsiahlych tém o hardvéri počítačov. Ďakujeme za váš záujem oň a teraz sa naň pokúsime nadviazať seriálom podobných článkov, ale aplikovaných podrobnejšie na oblasť smartfónov, resp. tabletov, primárne s OS Android. Začíname procesormi.

Procesor v mobile či tablete má rovnaké funkcie ako ten v počítači. Počíta, riadi, spravuje, kúri 🙂 V mobilnom svete je však o dosť ďalej integrácia predtým samostatných komponentov do jedného čipu. Všetky komponenty základnej dosky sú „v procesore“ už dlhé roky (ide teda o riešenie typu SoC), navyše čipset integruje komunikačný modul (ktorý okrem mobilných 2G, 3G, 4G sietí obsahuje aj navigačné GPS/GLONASS systémy či Wi-Fi a Bluetooth), grafické jadro, zvukové a video akcelerátory/koprocesory, u Applu aj samostatný procesor pre spracovanie dát z integrovaných senzorov. Možno sa v blízkej dobe dočkáme integrácie operačnej pamäte na čip procesora, zatiaľ k tomu nedošlo.

Keď je dva viac ako štyri

Pri popise procesora by sme mali začať tou najdôležitejšou časťou, a to je výpočtové jadro, ktoré obsluhuje nosnú časť funkcií. Resp. dnes už je týchto jadier viac – dve, štyri, šesť, osem. Vyššie čísla v dohľadnej dobe vzhľadom na marketingové šialenstvo vôbec nie sú nemožné. Štvorjadrový či dokonca osemjadrový procesor je výborný marketingový trhák, ale niekedy sú tie štyri jadrá celkovo slabšie než poriadne dvojjadro. Ide totiž o to, že pokročilejšie jadrá (napr. typu Cortex-A15 alebo Krait 400) majú väčšiu plochu, čo znamená viac tranzistorov a tým pádom vyšší výkon. O ploche čipu alebo dokonca počte tranzistorov však môžeme viesť akurát tak diskusie plné odhadov a dohadov, reálne čísla výrobcovia väčšinou taja. Vieme akurát to, že najnovší Apple A7 má tranzistorov viac než miliardu, čo je mimochodom veľmi solídne číslo porovnateľné s desktopovými procesormi spred dvoch-troch rokov. Ostatné čipy sú pravdepodobne menšie.

Z výkonu porovnávaného na rovnakých frekvenciách si dokážeme aspoň približne usporiadať jednotlivé jadrá. Najmenšie sú Cortex-A5, ktoré ani v štvorjadrovej konfigurácii neohromia, určené sú na základné použitie. Preto si našli miesto iba do malého množstva zariadení. O niečo väčšie Cortex-A7-čky v štvorici odvádzajú bezproblémovú službu, vynikajú najmä vo vysokej energetickej efektivite a aj preto sú veľmi hojne používané v nižšej strednej triede. Staršie Cortex-A9-tky sú o kúsok vyššie, ale dnes sa už od nich pomaly upúšťa. Špičku produkcie spoločnosti ARM tvoria v súčasnosti jadrá Cortex-A15, ktoré dosahujú viac než dvojnásobok výkonu jadier A7, približne dvojnásobok A9. Už v dvojjadrovej konfigurácii sú dosť výkonné, v štvorjadrovej dosahujú špičku. Potiaľto bola situácia pomerne prehľadná, žiaľ v budúcnosti to už tak nebude. ARM zavedie jadrá Cortex-A12, ktoré dosiahnu 40 % nárast oproti jadru A9. Viac nás ale hnevá jadro Cortex-A17, ktoré dosiahne „len“ 60 % prírastok oproti Cortex-A9, čo je síce vysoký výkon, ale nižší ako Cortex-A15 – prečo potom vyššie číslo? S nástupcami dvoch najpoužívanejších jadier (A7 a A15) to je ešte „lepšie“. Prinesú síce pekný pokrok, ale zďaleka nie päťnásobný, ako by sme očakávali od označenia Cortex-A53, resp. A57. 53-ka je nástupca sedmičky, prekoná však aj etalón, A9-tku – ponúkne rovnaký výkon na len 60 % z jej plochy čipu (pri rovnakom výrobnom procese). Vrcholový Cortex-A57 prekoná A15-tku o 20 až 30 %. S touto dvojicou jadier sa počíta v ďalšej generácii procesorov a mali by s nami vydržať aj v časoch 20 a 14 nm technológie.

Potom tu máme produkciu Qualcommu, ktorý si na základe ARM inštrukčnej sady dlho navrhoval vlastnú architektúru, v súčasnosti už sa tejto stratégie drží len vo vyššej triede (strednú a nižšiu už má postavenú na ARM Cortexoch) a zdá sa, že aj tu od vlastnej tvorby upustí. Jadrá Krait 200, 300 a 400 majú medzi sebou poriadnu výkonovú diferenciu (niekoľko desiatok percent), ktorú zväčšujú rastúce maximálne frekvencie. 200-vky sú dobré a mierne predbiehajú Cortex-A9, 400-vky udávajú rekordy pre konkurenciu používajúcu Cortex-A15. Hoci Qualcomm nevedie pred súpermi výrazne (tí ho vždy dorovnajú a niekedy aj prekonajú), zďaleka najúspešnejší je v počte produktov, ktoré skrývajú jeho čip. Je to pritom prakticky posledný výrobca ARM procesorov, ktorý si jadrá navrhoval sám. Nvidia síce ohlásila projekt vlastnej architektúry Denver, ale vzhľadom na doterajší vývoj je jeho budúcnosť neistá. Hoci pred istým časom to bola móda, tadiaľto cesta nevedie.

Nie vždy je ale vhodné mať tie najvýkonnejšie jadrá, pretože majú aj v pokoji citeľnú spotrebu. Preto výrobcovia čoraz viac siahajú po tzv. konfigurácii big.LITTLE – skombinujú na jednom čipe niekoľko veľkých (typicky 2-4x Cortex-A15) a niekoľko malých (typicky 4x Cortex-A7) jadier, ktoré sa vo funkcií striedajú – ak treba výkon, bežia tie väčšie, ak treba šetriť, bežia malé, pričom ich väčší kolegovia sú úplne odpojení od energie. Nové čipy dokážu dokonca spustiť všetky jadrá naraz, čo prináša ešte istý nárast výkonu. Nezabudnime tiež na procesory Intel Atom (možno v ďalekej budúcnosti aj niečo od AMD), ktoré využívajú „počítačovú“ architektúru x86. Tieto jadrá patria medzi najsilnejšie a najväčšie, výrobca si preto môže dovoliť využívať dvojjadrá aj v čase, keď konkurencia už nič slabšie než štvorjadro nepozná – hoci tak doskočí nanajvýš do strednej triedy. Dnes sa tiež veľa diskutuje o 64-bitových procesoroch. To je iste cesta do budúcnosti, ale v súčasnosti 64-bitová architektúra prináša prakticky iba možnosť adresovať viac ako 4 GB operačnej pamäte, čo ešte nejaký ten rok v mobiloch nebudeme potrebovať, hoci nás výrobcovia budú presviedčať o opaku (aktuálne reálne nepotrebujeme viac než 2 GB, všetko navyše je len rezerva a predmet machrovania).

Menej je niekedy viac

Ďalším extrémne dôležitým parametrom je výrobná technológia. V tomto prípade menšie číslo, napr. 28 nm, označuje pokročilejší a efektívnejší čip než napr. 40 nm. Ide o údaj o veľkosti tranzistorov, ich hustote, pokročilosti výrobnej technológie. Tranzistory 28 nm čipu sú menšie, preto sa ich na rovnako veľký čip zmestí viac (=vyšší výkon), resp. rovnako výkonný čip môže byť menší (=menšia spotreba a hlavne nižšie výrobné náklady, nižšia cena), prípadne môžu tranzistory bežať na vyšších frekvenciách (=rovnaká spotreba a vyšší výkon), kombinácií je viacero. Aktuálne sú už takmer všetky ARM procesory 28 nm generácie. Nasledujúci krok (20 nm) očakávame už tento rok (aj keď skôr na jeho konci), počnúc novým iPhonom 6 a zariadeniami s procesorom Qualcomm Snapdragon 810, ktorý mimochodom už stavia na jadrách Cortex-A53 a A57. Možno sa dostane už do Samsungu Galaxy Note 4. Nový proces prináša pre zákazníka samé výhody, žiaľ dnes už je vždy sprevádzaný technickými problémami (nuž, je to jedna z najpokročilejších a najminiaturizovanejších technológií ľudstva), odkladmi, nedostatkovosťou a paradoxne aj vyššími nákladmi. Než sa podarí výrobnú technológiu vyladiť, proces má nižšiu výťažnosť – nižšie percento funkčných čipov vo výrobe. Majiteľ továrne zvyčajne požaduje rovnakú sumu za waffer (kremíkový plát plný stoviek čipov) bez ohľadu na percento defektov, takže zvýšené náklady dopadajú na výrobcu smartfónu, resp. na náklady. S rastom vyladenosti procesu klesá cena čipu. Defekty vo výrobe ale na koncového používateľa vplyv nemajú, pretože nejde o zníženie spoľahlivosti procesora, ale o vadne vyrobené súčasti čipu (napr. niektoré obvody či jadrá), ktoré sa vo továrni hneď odhalia a čip je buď vyradený, alebo sú jeho chybné súčasti deaktivované a čip je predávaný ako nižší model – podľa toho, ktoré súčasti má dokonale funkčné (napríklad napoly deaktivované štvorjadro sa predáva ako dvojjadro). Z pohľadu bežného človeka treba jednoznačne uprednostňovať novšie výrobné technológie. Pokiaľ vás nové výrobné procesy fascinujú rovnako ako nás, máme pre vás dobrú správu. Keďže ultramobilný segment získal v IT sfére prioritu, nové procesy by sa mali ku smartfónom dostávať už nie ako posledné (pred pár rokmi bežali mobily na 65 nm, pričom počítače mali 45 alebo skôr 32 nm), ale ako prvé. Možno už rok po nástupe 20 nm méty sa dočkáme 16, resp. 14 nm čipov. Tu sa bude aktivizovať najmä Intel, ktorý má v Android svete stále čo dobiehať a jeho najpokročilejšie továrne na svete by bola škoda nevyužiť.

Mám 2,5 miliardy úderov za sekundu, a ty?

Ďalším dôležitým parametrom je frekvencia jadier, teda koľkokrát za sekundu sú schopné tranzistory zmeniť svoj stav (1/0, prepustí/neprepustí prúd). Aktuálne sa pohybujeme medzi 1,2 a 2,5 GHz. Pri zachovaných ostatných podmienkach samozrejme vyššia frekvencia znamená vyšší výkon, i keď zvyčajne za cenu vyššej spotreby. Mimochodom, uvedené frekvencie sú maximálne – na nich beží procesor v záťaži, inak si vystačí s nižšími, kedy je zároveň úspornejší, pretože klesá jeho napätie. V ARM svete platí ešte jedno zaujímavé pravidlo, že menej kvalitné čipy sa zvyčajne spoliehajú na nižšie frekvencie (do 1,5 GHz), čipy taktované na 1,8 GHz a viac už môžeme považovať za kvalitné a výkonné. Spoľahlivosť je vlastne skôr otázka výrobcu. Qualcomm, Samsung a Nvidia sú bez problémov. Pomerne dobrý je aj Huawei (HiSilicon), u MediaTeku to neplatí vždy, s procesormi Rockchip a ďalšími menej známymi značkami máme žiaľ horšie skúsenosti. Nechceme podporovať najsilnejších výrobcov, konkurenčný boj treba, ale nejaký lacný tablet s neznámym čipsetom by sme si nekúpili a ani to neodporúčame. Do istej miery je to výrobcami lacných zariadení, ktorí systém nedostatočne vyladia a tým zmrzačia výkon, ale je to aj o dodávateľoch procesorov, ktorí často maximalizujú marketingové parametre (počet jadier) a na ostatných dôležitých, hoci menej ospevovaných, šetria alebo ich dodajú na úplnom základe (frekvencia, grafické jadro, komunikačné moduly…), čo nie je dobré. Zle optimalizovaný čip má tiež vyššiu spotrebu, pričom vôbec nemusí byť rýchly. Mimochodom, na údaje o spotrebe sa zatiaľ s nami výrobcovia nehrajú, mobilné ARM čipy sa pohybujú v jednotkách wattov, presné čísla môžeme nanajvýš odhadnúť podľa konfigurácie a optimalizácie, pričom platia najmä spomínané pravidlá o veľkosti jadier, výrobnej technológii a frekvencii. Pri lacných a zle optimalizovaných čipoch môže tiež dochádzať k tzv. trhottlingu. Ide o jav, keď procesor dosiahne maximálnu povolenú teplotu a aby nezhorel, riadiaca jednotka výrazne zníži jeho frekvencie, v krajnom prípade až na minimum. V praxi to znamená, že keď na takomto prístroji dlhšie hráte náročnú hru, po čase začne tak extrémne trhať, že aj neznalý používateľ pochopí, čo treba urobiť.