Зовсім не кожен користувач мобільних телефонів відомих марок знає, що саме знаходиться усередині. Адже не завжди смартфон повністю придумала та компанія, чий логотип знаходиться на його корпусі. Тому сьогодні я вирішив звернеться до теми серця будь-якого комунікатора - до процесорів і мобільних платформ, найбільш поширених на сьогоднішній момент.

Серце абсолютно будь-якого комп'ютера процесор(CPU), у тому числі і смартфону, що відповідає за усі обчислення, вироблювані пристроєм і, одночасно, сама технічно складна частина комунікатора. Процесорів з різними характеристиками існує велика кількість і частенько, користувачеві буває дуже важко розібратися в цьому різноманітті. Але тим, кому це дійсно цікаво, допоможуть освоїтися моя курсова робота про мобільні процесори.

Спершу важливо відмітити, що процесори як такі, в мобільних гаджетах не використовуються. Річ у тому, що об'єднуючись разом з іншими компонентами, вони утворюють SoC - System on a chip або систему-на-кристалі. Це означає, що на одній мікросхемі знаходиться повноцінний комп'ютер, серед компонентів якого - процесор, графічний прискорювач і інші, більше специфічні частини. Що робить хорошу перспективу в найближчому майбутньому на розвиток цієї технології

1. Постановка завдання

Темою курсової роботи - «Аналіз розвитку мобільних ЦП та їх технічні характеристики»

Мета курсової роботи вивчити архітектуру і класифікацію мобільних процесорів. Основні технічні характеристики і порівняння, аналіз виробників мобільних процесорів, а також перспективу розвитку.

Для досягнення поставленої мети необхідно розглянути наступні питання:

- Історія розвитку мобільного процесора.

- Сучасні покоління процесорів.

- Виробники мобільних процесорів.

- Ринок мобільних процесорів і його аналіз.

- Архітектура мобільних процесорів і їх класифікація.

- Основні технічні характеристики і порівняння, аналіз виробників мобільних процесорів.

- Перспектива розвитку мобільних процесорів.

2. Основна частина

Історія почалася в 1990-х роках - тоді ж була і заснована сама компанія ARM, і розроблена 32-бітова RISC-архітектура для мікропроцесорів, яка стала дуже популярна. Основною особливістю стали просунуті технології енергозбереження, і це відкрило широкі можливості в областях вбудованих систем - а це, у свою чергу, привело до домінування на ринку мобільних пристроїв різних видів. Сама компанія нічого не робить, окрім креслень, ідей і ліцензій на використання її розробок у виробництві. На даний момент по ліцензіях британців працюють багато компаній, а ось лише деякі з них - Atmel, Cirrus Logic, колись Intel(27 червня 2006 продали свої лінії по виробництву компанії Marvell), NXP, ST Microelectronics, Samsung, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, nVidia.

Але це зовсім не дивно - сімейство ARM за зразковими підрахунками зайняло близько 82% від усіх 32-бітових RISC- процесорів у вбудовуваних системах. Тут треба віддати належне британцям - якби вони самі робили свої процесори, то не досягли б таких об'ємів. А якби і досягли, то їх, як і всім відому Microsoft, тягали б постійно по судах антимонопольні організації.

І не дивно - адже ARM- процесори є і в КПК, і в стільникових телефонах, а також і в медіаплеєрах, калькуляторах, мережевому устаткуванні, комп'ютерній периферії і багато чому іншому, тут можна говорити про захоплення світового ринку. А краще подивимося, як же розвивається архітектура зараз - як ви, напевно, здогадалися, усі мобільні процесори якраз так і побудовані на ARM-архітектурі. Але говорячи про мобільні процесори не можна не згадати про компанію Intel.

Компанія Intel була заснована в 1968 році Гордоном Муром і Робертом Найсом, а пізніше приєднався Енді Гроув.

Рисунок 2.1.1 - Процесор х86

У 1971 році компанією був випущений чіп Intel 4004, який вважається першим комерційним мікропроцесором за всю історію існування комп'ютерів.

Рисунок 2.1.2 - Процесор Intel 8086

Наступною віхою в історії Intel, на якій ми зупинимося, став випуск в 1978 році процесора iAPX86, який пізніше дістав назву Intel 8086. Саме цей чіп першим отримав набір команд, який використовується досі і, фактично, став першим процесором на архітектурі x86. З того часу набір команд архітектури постійно розширювався, але зберігав сумісність з попередніми процесорами. Це означає, що програмне забезпечення, яке працювало на старих чіпах, могло без проблем запускатися і працювати на нових. Що цікаво, сама назва архітектури x86 утворена від останніх двох цифр в назві деяких ранніх процесорів Intel - 8086, 80186, 80286 і інших. Пізніше випускати x86- процесори стали і деякі інші виробники, а нині для архітектури існує ще одно назва, яку можна іноді зустріти, - IA - 32(Intel Architecture, тобто, 32-бітова архітектура Intel).

Все ще широко поширеною процесорною архітектурою є ARM9 і ARM11, які належать до сімейств ARMv5 і ARMv6 відповідно.

ARM9. Чіпи ARM9 можуть досягати тактової частоти 400 Мгц. Критично важливим для чіпів ARM9 є набір інструкцій Jazelle, який дозволяє комфортно працювати з Java- додатками(Opera Mini, Jimm, Foliant та ін.).

Процесори ARM11 можуть похвалитися розширеним в порівнянні з ARM9 набором інструкцій і куди більш високою тактовою частотою(аж до 1 ГГц), хоча для сучасних завдань їх потужності теж не досить. Проте, завдяки невисокому енергоспоживанню і, що не менш важливо, собівартості, чіпи ARM11 досі застосовуються в смартфонах початкового рівня: Samsung Galaxy Pocket і Nokia 500.[4]

2.2 Сучасні покоління чіпів

2.3 Виробники мобільних процесорів

Причина, по якій ARM домінує на ринку мобільних процесорів, очевидна: Intel досі не змогла представити енергоефективний MSoC. У нашому світі ще не досить забезпечити вражаючу продуктивність на ват: власникові смартфону необхідно цілий день залишатися на зв'язку, тому в режимі очікування процесор для такого пристрою зобов'язаний показувати вражаючий результат. Анонсувавши платформу Atom третього покоління, що носить кодову назву Medfield, компанія Intel довела, що має технічні напрацювання, що дозволяють наблизитися до ARM з точки зору енергоефективності.

Рисунок 2.4.1 - Процесор Intel

Ми багато що знаємо про плюси і мінуси архітектури ARM і x86, і це правда, що Qualcomm і ARM змогли досягти великого успіху в забезпеченні низького енергоспоживання. До появи Medfield ніхто не сумнівався, що ці компанії перевершують Intel на ринку смартфонів. Проте, зараз ми бачимо, що звична картина починає мінятися: через 4 роки після появи процесорів Atom першого покоління, Intel, нарешті, змогла створити процесор, який здатний скласти конкуренцію ARM.

Неважко здогадатися, що станеться в найближчі три роки. Враховуючи, що Medfield порівнянний з ARM нинішнього покоління, нам необхідно поглянути на наступне покоління. Раніше ми вже відмічали, що ARM і Qualcomm зіткнуться з необхідністю значного збільшення продуктивності, тоді як основна мета для Intel - зниження рівня споживання енергії.

Рисунок 2.4.2 - Різниця в будові транзисторів

Ми можемо бути, найбільш об'єктивними при погляді на технології виробництва. Intel має кращий завод в галузі, що дозволило їй бути поза конкуренцією AMD в епохи K6 і K7, і зберегти свої позиції, коли AMD представила епоху успішних процесорів K8. Medfield нині базується на 32-нм технології і вже може конкурувати з ARM- рішеннями.

Наступний крок Intel - перехід на техпроцесс 22 нм з використанням транзисторів з вертикально розташованим затвором(3D FinFET - Fin Field Effect Transistor, також відомі як 3D-транзисторы і «транзистори з тривимірною структурою затвора»). Такий перехід є відразу двома кроком вперед і результат ми вже оцінили, коли відмічали чотирикратний приріст продуктивності мультимедіа в процесорах Ivy Bridge для настільних ПК.

Якщо Intel продовжить йти цим же шляхом надалі, то вона як і раніше приблизно на 18 місяців випереджатиме конкурентів з точки зору технології виробництва. Як тільки конкуренти почнуть поставляти 28-нм чіпи, Intel вже перейде на техпроцесс 22 нм і ще більше часу пройде, перш ніж вони зможуть розпочати виробництво чіпів з дизайну FinFET. Це дасть Intel додаткові 20-30%% знижень споживання енергії над її нинішньою технологією при удвічі більшій щільності транзисторів.

У найближчі три роки ARM і Qualcomm потрібно буде вкласти значні кошти для збільшення продуктивності CPU. Інженери цих двох компаній зайшли на невідому територію, намагаючись розвивати технологію тим же самим шляхом, який процесори архітектури x86 пройшли кілька років тому.

З точки зору " чистої" продуктивності - тобто залишивши за рамками питання енергоспоживання - Intel, AMD і Apple(за рахунок своїх придбань компаній Intrinsity і PA Semi) мають в розпорядженні найбільший людський капітал у високопродуктивних мобільних обчисленнях. Багато в чому це пояснюється уважним відношенням до платформи в цілому, включаючи архітектуру шини пам'яті і роботу з пам'яттю. nVidia тут являється, свого роду, джокером: поки що ми бачимо багатий набір технологій, потенціал якого не розкритий із-за недостатньо продуманого " обв'язування" процесора.

Але, звичайно, якщо враховувати енергоефективність, то "системи на кристалі" є унікальною технологією, і в цьому відношенні Intel Atom залишається далеко позаду.

Зараз на ринку відсутні смартфони на платформі Intel. Qualcomm 2011 року витягнув величезний прибуток. Але все зміниться впродовж найближчих трьох років точно так, як і це колись сталося з компанією Kodak.

Зараз Qualcomm - компанія, яка зіткнулася з технологічними проблемами виробництва чіпів(вимушена відмова від технології high-k при переході на тонший техпроцесс), а також втратила кадровий ресурс підрозділу графічних процесорів, що раніше був однією з ключових переваг Qualcomm на ринку.

З іншого боку, є компанія Intel, яка є лідером ринку з точки зору технології виробництва чіпів, представила процесор Atom, створений на основі 32-нм техпроцесса(на який конкуренти ще не перейшли), а також може вибирати будь-яку графічну технологію: PowerVR, те, що запропонує Siru, або, можливо, оригінальний GPU для мобільних пристроїв, який створять власні інженери Intel. Саме тому ми стверджуємо з абсолютною упевненістю, що в найближчі три роки Intel випередить Qualcomm на ринку MSoC.[2]

2.5 Архітектура мобільних процесорів і їх класифікація

Почати треба з того що в процесорній архітектурі x86, яку зараз використовують компанії Intel і AMD, застосовується набір команд CISC(Complex Instruction Set Computer), хоч і не в чистому вигляді. Так, велика кількість складних по своїй структурі команд, що довгий час було відмінною рисою CISC, спочатку декодується в прості, і тільки тоді обробляється. На увесь цей ланцюжок дій йде немало енергії.

Енергоефективною альтернативою виступають чіпи архітектури ARM з набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer). Його перевага в спочатку невеликому наборі простих команд, які обробляються з мінімальними витратами. Як результат, зараз на ринку споживчої електроніки мирно (насправді, не дуже мирно) уживаються дві процесорних архітектури - х86 і ARM, кожна з яких має свої переваги і недоліки.

Архітектура х86 позиціонується як більше універсальна з точки зору посильних їй завдань, включаючи навіть такі ресурсоємні, як редагування фотографій, музики і відео, а також шифрування і стискування даних. У свою чергу архітектура ARM «виїжджає» за рахунок украй низького енергоспоживання і в цілому-то достатньої продуктивності для найважливіших на сьогодні цілей: промальовування веб-сторінок і відтворення медіа контенту.

Рисунок 2.5.1 - Різниця між набором команд

Нові процесори уміло розподіляють завдання між спеціалізованими ядрами і відключають незадіяні області процесора.

Нині в області мобільних процесорів конкурують дві архітектури, які використовують один і той же набір команд(ARM v7): Krait від Qualcomm і Cortex від ARM. Krait здатна регулювати напругу окремих ядер у складі багатоядерного процесора, що, по заявах Qualcomm, порівняно з багатоядерними процесорами Cortex забезпечує від 25 до 40%% економії енергії. Проте в той же час чіпи Qualcomm програють при обміні даними між ядрами, працюючими на різних частотах, оскільки в окремих випадках їм доводиться простоювати в очікуванні один одного.

Додатково заощадити енергію дозволяє відносно короткий обчислювальний конвеєр Krait. Він має 11 рівнів. Флагманська модель від ARM Cortex-A15 виконує команди упродовж 15-24 рівнів. Процесори використовують конвеєри, щоб ділити команди на декілька невеликих частин, виконуваних на різних рівнях, які вони завантажують один за одним і обробляють паралельно. При довгих конвеєрах процесор іноді вибирає неправильне галуження циклу виконання команд, і зрештою йому доводиться видаляти усі дані з конвеєра і розпочинати все з початку. На це витрачається енергія. До того ж для позачергового виконання команд в процесорі мають бути присутніми додаткові логічні схеми, які також споживають енергію.

Рисунок 2.5.2 - Різниця між асинхронною і синхронною напругою

У процесорах Qualcomm (1) для кожного ядра і кеш-пам'яті другого рівня встановлюється різна напруга, залежна від навантаження. Це забезпечує економію енергії на рівні 25-40%%. У процесорах таких виробників, як Samsung і NVIDIA(2), напруга подається на усі ядра однаково.

Зважаючи на те що ціною за високу продуктивність Cortex-A15 являється значне енергоспоживання, ARM пропонує виробникам процесорів комбінувати його з Cortex-A7, який працює на нижчій частоті. ARM назвала цю архітектуру big.LITTLE. Cortex-A7 має лише восьмирівневий конвеєр і обробляє команди строго в певному порядку. Він займає лише п'яту частину площі А15 і має в два рази меншу продуктивність, та зате в три рази більш високою енергоефективністю. Першими процесорами big.LITTLE являються Exynos 5 Octa від Samsung і NVIDIA Tegra 4. У обох процесорах використовуються чотири ядра Cortex-A15 і чотири ядра Cortex-A7.

Рисунок 2.5.3 - Комбінації з чотирьох ядер

Спочатку усі операції виконує ядро Cortex-A7. Досягши межі своїх можливостей воно передає потік ядру Cortex-A15. невживані ядра процесор відключає за допомогою Powergating, щоб економити електроенергію. Як тільки процесорний «тандем» переходить в неактивний стан, чіп відключає ту, що також відповідає кеш пам'ять другого рівня. На чергування процесорів також потрібно енергію, тому воно повинне виконуватися тільки у разі потреби. Тому в майбутньому ARM має намір перейти на ефективнішу архітектуру, звану big.LITTLE MP. В даному випадку усі ядра процесора у будь-якій комбінації можуть виконувати одночасно будь-які завдання(наприклад, два ядра A15 і чотири ядра А7). Це забезпечує можливість знаходження вдалішого компромісу між продуктивністю і споживаною потужністю. Крім того, диспетчер завдань буде в змозі заздалегідь розподіляти завдання серед найбільш відповідних ядер. Проте система управління потоками і ядрами для big.LITTLE MP настільки складна, що ARM доведеться вносити в операційну систему серйозні зміни.

Рисунок 2.5.4 - Частотний графік ядер: Cortex-A15 і Cortex-A7

Системи big.LITTLE - наприклад, Exynos 5 Octa - розподіляють завдання між спеціалізованими ядрами: якщо Cortex-A7 досягає межі своїх можливостей, він передає потік потужнішому Cortex-A15.

Intel також має намір затвердитися на ринку мобільних телефонів і планшетів. Доступний на сьогодні процесор Atom Saltwell, який використовується в RAZR I від Motorola і Fonepad від ASUS, вже встиг принести цій компанії успіх. В ході тестування пристрою на його основі продемонстрували не лише відмінну продуктивність, але і тривалий час роботи без заряджання. Причиною успіху є енергозбережні режими S0i1 і S0i3, які використовують агресивний Powergating(технологія відключення неактивних компонентів). На відміну від повного відключення, процесор при застосуванні Powergating позбавляє живлення незадіяні логічні схеми, тоді як інші компоненти чіпа зберігають активність. Завдяки цьому він споживає менше енергії і миттєво «прокидається» з режиму «активний Standby». У режим S0i1 пристрій переходить у тому випадку, якщо користувач, наприклад, поклав телефон на стіл, а дисплей відключився. У стан глибокого сну S0i3 гаджет переходить тільки після тривалого простою. На відміну від класичного енергозбережного режиму S3, використовуваного в Linux і Андроид, додатки можуть зберігати свою активність, щоб синхронізувати дані.[4]

Основна проблема NVIDIA полягає в тому, що просуваючи свій новий чіп Tegra 4, вона все ще дозволяє Qualcomm і Samsung займати значну частку ринку процесорів для Android пристроїв. Принаймні, до тих пір, поки Intel не отримає істотну точку опори, а це станеться не раніше початку наступного року.

Рисунок 2.6.1 - Процесор NVIDIA Tegra 4

З чуток, Google збирається продовжити співпрацю з Asustek для розробки нового Nexus 7. Деяке джерела затверджують, що пристрій буде оснащений 1080p дисплеєм, і ми навіть не здивуємося, якщо планшет працюватиме на процесорі Tegra 4. Адже у NVIDIA вже показувала свою зацікавленість в цій моделі. Очікується, що анонс Nexus 7 наступного покоління станеться на конференції Google I/O в травні. Тому NVIDIA можна сподіватися тільки на успішні продажі в другій половині 2013 року, тому як Qualcomm і Samsung вже забронювали "кращі місця" в першій половині року.

Складається враження, що зараз кожен топовий Android смартфон, не зроблений Samsung, працює на чіпі Snapdragon S4 Pro. У прошломгоду 2-ядерний процесор S4 наробив багато шуму. Моделі Galaxy S III і HTC One X з цим чіпом мали більший успіх, ніж перші 4-ядерні версії(Exynos 4412 і Tegra 3). Декількома місяцями пізніше почали з'являтися смартфони з оновленим S4, а саме APQ8064 S4 Pro. Цей процесор отримали Xiaomi Mi - Two, Optimus G і Nexus 4 від LG, Padfone 2 від Asustek, J Butterfly і Droid DNA від HTC і Find 5 від Oppo. Цього року до них приєдналися Xperia Z і ZL від Sony, а також HTC M7.

Snapdragon S4 Pro домінуватиме на ринку на початку 2013 року, а потім йому на зміну прийдут Snapdragon 600 і 800. Процесор Snapdragon 600 (APQ8064T) схожий на S4 Pro (APQ8064), але його частота на 200 Мгц вища (1.9 Ггц проти 1.7 Ггц в S4 Pro), а також він підтримує тип пам'яті LPDDR3. Snapdragon 800(MSM8974) матиме частоту 2.3 Ггц і графічний процесор Adreno 330, що підтримує дозвіл 2160p.

Рисунок 2.6.2 - Процесор Snapdragon

Разом з чіпами Qualcomm з архітектурою Krait йде серія Exynos 5 від Samsung, грунтована на ARM-15, як і NVIDIA Tegra 4. Хоча на відміну від Tegra4, процесори Exynos 5 цього року продаватимуться по всьому світу з облаштуваннями серії Galaxy S і Galaxy Note. До речі, 2-ядерний Exynos 5250 вже підтримує дозвіл 1600p (завдяки Mali T-604) в Nexus 10, кращим Android планшетом, що являється, на даний момент.

Рисунок 2.6.3 - Процесор Samsung Exynos 5

Але, щоб бути об'єктивнішими, нам спочатку слід дочекатися 4-ядерного процесора 5450, який очікується в Galaxy S IV. Можливо, він стане частиною серії Octa. Процесор Exynos 5 Octa має 8 обчислювальних ядер, але назвати його 8-ядерним не можна, тому як одночасно він може задіяти тільки 4 з них. Чіпсет Exynos 5450 працює при інтенсивних навантаженнях (наприклад, ігри і відео), а старіші ядра ARM-9 використовуються при слабких навантаженнях для економії заряду акумулятора.

Новачком цього року стане Intel, яка вже зарекомендувала себе, випустивши планшети на Windows 8. Дійсно, минулого року компанія успішно оснастила своїми продуктами деякі Android пристрою, ніби RAZR i, але доки значного впливу на ринок вона не зробила. Проте все може помінятися вже в другій половині цього року. Нові процесори Medfield і Clover Trail від Intel показали свою конкурентоздатність в тестах з кращими ARM і Krait чіпами 2012 року. Хоча компанії належить пройти ще довгий шлях, перш ніж вона зможе досягти продуктивності графічних процесорів Adreno і Mali.[5]

Рисунок 2.6.4 - Процесор Intel

Рисунок 2.6.5 - Рейтинг мобільних процесорів

2.7 Перспектива розвитку мобільних процесорів