Procesor ARM Cortex A7: caracteristici și recenzii. Ce este arhitectura ARM

Răspunsul este pentru aplicații cu siguranță funcțională sporită. Cel puțin nucleele ARM Cortex-R sunt folosite pentru aceasta în microcontrolerele „în timp real” de înaltă performanță de la Texas Instruments.

Deși procesoarele Cortex-R sunt aproape complet compatibile cu procesoarele Cortex-A și Cortex-M în ceea ce privește setul de instrucțiuni, există încă diferențe semnificative între ele. În special, nucleul Cortex-R oferă performanțe mai mari decât Cortex-M, fiind în același timp capabil să efectueze operațiuni deterministe greu de realizat pe procesoarele de aplicații Cortex-A. Deci, în ceea ce privește performanța, Cortex-R se încadrează între Cortex-M și Cortex-A, dar în același timp poate fi folosit atât în microcontrolere, cât și în procesoare.

Nucleul Cortex-R este construit pe arhitectura Harvard și oferă viteze mari de ceas datorită unei conducte în 8 etape și execuției instrucțiunilor superscalare. Instrucțiunile hardware SIMD permit procesarea semnalului digital de înaltă performanță și procesarea media. Cortex-M oferă, de asemenea, funcții de îmbunătățire a performanței, cum ar fi un preîncărcare de instrucțiuni, un predictor de ramuri și un divizor hardware. Aceste componente arhitecturale ajută procesoarele Cortex-R4 și Cortex-R5 să atingă performanțe DMIPS/MHz ridicate. O altă caracteristică interesantă a nucleului Cortex-R este că conducta în virgulă mobilă compatibilă cu IEEE-754 acceptă atât formatele cu precizie simplă (32 de biți) cât și cu precizie dublă (64 de biți) și rulează în paralel cu virgulă mobilă. numere în punct fix.

Cu memoria cu latență scăzută cuplată strâns la procesor, răspunsurile la evenimentele în timp real apar cât mai repede posibil, iar gestionarea întreruperilor este realizată cât mai repede posibil. Aceste capabilități, împreună cu performanța ridicată și determinismul nucleului Cortex-R, ajută la îndeplinirea cerințelor aplicațiilor în timp real care necesită și siguranță funcțională.

Dacă lucrați în industria siguranței și fiabilității dispozitivelor, probabil ați auzit despre siguranța funcțională a componentelor electronice programabile, iar primul care vă poate veni în minte este IEC 61508. Acesta este un standard internațional major de siguranță care există de aproximativ 20 de ani și este respectat în multe industrii. Siguranța funcțională este asigurată în transporturi (industria aerospațială, feroviară și auto), industrie, medicină, energie regenerabilă și alte domenii. Aceste industrii fie și-au dezvoltat propriile standarde de siguranță, fie au adaptat standarde internaționale, cum ar fi IEC 61508. De remarcat, industria auto și-a adoptat propriul standard de siguranță funcțională, ISO 26262, în 2012.

Deci, ce este bun la Cortex-R în ceea ce privește siguranța funcțională? În primul rând, caracteristici unice de configurare care permit corectarea erorilor. Aceste caracteristici sunt opțiuni pe care ARM le-a integrat chiar în nucleu, care includ funcții de detectare și corectare a erorilor, protecția magistralei și a sistemului de memorie L1, moduri software privilegiate cu unitatea de protecție a memoriei (MPU) și suport de configurare dual-core Pas (DCLS).

Ce este DCLS și de ce este necesar? Dacă sunteți inginer software care lucrează la un proiect care necesită un dispozitiv pentru a funcționa în mod fiabil și în siguranță, DCLS vă va face viața mult mai ușoară. Acest lucru este util mai ales dacă utilizați două microcontrolere sau două nuclee independente pentru a diagnostica erorile într-un singur nucleu.

Există câteva probleme specifice atunci când lucrați cu un nucleu independent. În primul rând, trebuie să scrieți cod „extra” pentru fiecare microcontroler care va monitoriza un alt microcontroler. În al doilea rând, acum trebuie să faceți din acest cod partea principală a modulului de securitate a sistemului, ceea ce înseamnă că trebuie să furnizați în fiecare linie a acestui cod fiabilitatea și siguranța operațiunilor ulterioare. Cu DCLS, acest cod „extra” și nevoia de a-l securiza devin un lucru din trecut. Desigur, dezvoltatorul trebuie să scrie o mulțime de rânduri de cod legate de securitate, dar acest mecanism încă îi face viața mai ușoară.

Pentru ușurință de înțelegere, mecanismul DCLS poate fi gândit ca o combinație între un procesor principal și un modul de verificare. Din punctul de vedere al unui programator, programarea unui astfel de sistem nu va diferi de programarea unui microcontroler convențional single-core. Al doilea nucleu, adică modulul de verificare, împreună cu logica de comparație, realizează munca codului „extra” descris mai sus, precum și multe altele. Logica de comparație poate detecta o eroare în câteva cicluri de procesor, în timp ce un nucleu discret poate dura sute sau chiar mii de cicluri pentru a face acest lucru. Prin urmare, DCLS este mult mai rapid la detectarea erorilor și poate economisi timp prețios în dezvoltarea codului de încredere.

Primele cipuri ARM au apărut în urmă cu trei decenii datorită eforturilor companiei britanice Acorn Computers (acum ARM Limited), dar au rămas multă vreme în umbra fraților lor mai celebri - procesoarele x86. Totul s-a dat peste cap odată cu tranziția industriei IT către era post-computer, când gadgeturile mobile, mai degrabă decât PC-urile, au început să stăpânească.

Caracteristicile arhitecturii ARM

Poate că merită să începem cu faptul că arhitectura procesorului x86, care este utilizată în prezent de Intel și AMD, folosește setul de instrucțiuni CISC (Complex Instruction Set Computer), deși nu în forma sa pură. Astfel, un număr mare de comenzi complexe, care a fost mult timp un semn distinctiv al CISC, sunt mai întâi decodificate în unele simple și abia apoi procesate. Este clar că întregul lanț de acțiuni necesită multă energie.

O alternativă eficientă din punct de vedere energetic sunt cipurile cu arhitectură ARM cu setul de instrucțiuni RISC (Reduced Instruction Set Computer). Avantajul său este un set inițial mic de comenzi simple care sunt procesate cu efort minim. Drept urmare, două arhitecturi de procesoare – x86 și ARM – coexistă pașnic (de fapt, nu foarte pașnic) pe piața de electronice de larg consum, fiecare având propriile avantaje și dezavantaje.

Arhitectura x86 este poziționată ca fiind mai universală în ceea ce privește sarcinile pe care le poate gestiona, inclusiv cele care necesită mult resurse, cum ar fi editarea fotografiilor, muzicii și video, precum și criptarea și compresia datelor. La rândul său, arhitectura ARM excelează datorită consumului său extrem de scăzut de energie și a performanței în general suficiente pentru cele mai importante scopuri de astăzi: redarea paginilor web și redarea conținutului media.

Modelul de afaceri al ARM Limited

În prezent, ARM Limited este angajată doar în dezvoltarea arhitecturilor de procesoare de referință și în acordarea licenței acestora. Crearea unor modele specifice de cip și producția lor în masă ulterioară este sarcina licențiaților ARM, dintre care există foarte mulți. Printre acestea se numără companii cunoscute doar în cercuri restrânse precum STMicroelectronics, HiSilicon și Atmel, precum și giganți IT ale căror nume sunt cunoscute - Samsung, NVIDIA și Qualcomm. Lista completă a companiilor licențiate poate fi găsită pe pagina corespunzătoare a site-ului oficial al ARM Limited.

Un număr atât de mare de licențiați se datorează în primul rând abundenței de aplicații pentru procesoarele ARM, iar gadgeturile mobile sunt doar vârful aisbergului. Cipurile ieftine și eficiente din punct de vedere energetic sunt utilizate în sistemele încorporate, echipamentele de rețea și instrumentele. Terminale de plată, modemuri externe 3G și monitoare sportive de ritm cardiac - toate aceste dispozitive se bazează pe arhitectura procesorului ARM.

Potrivit analiștilor, ARM Limited însuși câștigă 0,067 USD drept redevențe pentru fiecare cip produs. Dar aceasta este o sumă foarte medie, deoarece costul celor mai recente procesoare multi-core este semnificativ mai mare decât cipurile single-core ale arhitecturii învechite.

Sistem cu un singur cip

Din punct de vedere tehnic, numirea procesoarelor cu cipuri cu arhitectură ARM nu este în întregime corectă, deoarece pe lângă unul sau mai multe nuclee de calcul, acestea includ o serie de componente aferente. Mai adecvați în acest caz sunt termenii single-chip system și system-on-a-chip (din limba engleză system on a chip).

Astfel, cele mai recente sisteme cu un singur cip pentru smartphone-uri și tablete includ un controler RAM, accelerator grafic, decodor video, codec audio și module opționale de comunicație wireless. Cipurile foarte specializate pot include controlere suplimentare pentru interfața cu dispozitive periferice, cum ar fi senzorii.

Componentele individuale ale unui sistem cu un singur cip pot fi dezvoltate fie direct de ARM Limited, fie de către companii terțe. Un exemplu izbitor în acest sens sunt acceleratoarele grafice, care pe lângă ARM Limited (grafică Mali) sunt dezvoltate de Qualcomm (grafică Adreno) și NVIDIA (grafică GeForce ULP).

Nu trebuie să uităm de compania Imagination Technologies, care nu face altceva decât să proiecteze acceleratoare grafice PowerVR. Dar deține aproape jumătate din piața globală de grafică mobilă: gadget-uri Apple și Amazon, tablete Samsung Galaxy Tab 2, precum și smartphone-uri ieftine bazate pe procesoare MTK.

Generații învechite de cipuri

Arhitecturile de procesor învechite din punct de vedere moral, dar încă utilizate pe scară largă sunt ARM9 și ARM11, care aparțin familiilor ARMv5 și, respectiv, ARMv6.

ARM9. Cipurile ARM9 pot atinge viteze de ceas de 400 MHz și sunt cel mai probabil ceea ce se găsește în routerul tău wireless și în telefoanele mobile mai vechi, dar încă fiabile, cum ar fi Sony Ericsson K750i și Nokia 6300. Esențial pentru cipurile ARM9 este setul de instrucțiuni Jazelle, care permite lucrul confortabil. cu aplicații Java (Opera Mini, Jimm, Foliant etc.).

ARM11. Procesoarele ARM11 se laudă cu un set extins de instrucțiuni în comparație cu ARM9 și cu o frecvență de ceas mult mai mare (până la 1 GHz), deși puterea lor nu este, de asemenea, suficientă pentru sarcinile moderne. Cu toate acestea, din cauza consumului redus de energie și, nu mai puțin important, a costului, cipurile ARM11 sunt încă folosite în smartphone-urile entry-level: Samsung Galaxy Pocket și Nokia 500.

Generații moderne de chips-uri

Toate cipurile cu arhitectură ARM mai mult sau mai puțin noi aparțin familiei ARMv7, ai cărei reprezentanți emblematic au atins deja opt nuclee și o viteză de ceas de peste 2 GHz. Miezurile de procesor dezvoltate direct de ARM Limited aparțin liniei Cortex și majoritatea producătorilor de sisteme cu un singur cip le folosesc fără modificări semnificative. Doar Qualcomm și Apple și-au creat propriile modificări bazate pe ARMv7 - prima numită creațiile lor Scorpion și Krait, iar a doua - Swift.

ARM Cortex-A8. Din punct de vedere istoric, primul nucleu de procesor al familiei ARMv7 a fost Cortex-A8, care a stat la baza unor astfel de renumite SoC-uri ale vremurilor sale precum Apple A4 (iPhone 4 și iPad) și Samsung Hummingbird (Samsung Galaxy S și Galaxy Tab). Demonstrează aproximativ de două ori mai multă performanță decât predecesorul ARM11. În plus, nucleul Cortex-A8 a primit un coprocesor NEON pentru procesarea videoclipurilor de înaltă rezoluție și suport pentru plug-in-ul Adobe Flash.

Adevărat, toate acestea au afectat negativ consumul de energie al Cortex-A8, care este semnificativ mai mare decât cel al ARM11. În ciuda faptului că cipurile ARM Cortex-A8 sunt încă folosite în tabletele de buget (sistem Allwiner Boxchip A10 cu un singur cip), zilele lor pe piață sunt aparent numărate.

ARM Cortex-A9. După Cortex-A8, ARM Limited a introdus o nouă generație de cipuri - Cortex-A9, care este acum cel mai comun și ocupă o nișă de preț mediu. Performanța nucleelor Cortex-A9 a crescut de aproximativ trei ori în comparație cu Cortex-A8 și este, de asemenea, posibil să combinați două sau chiar patru dintre ele pe un singur cip.

Coprocesorul NEON a devenit opțional: NVIDIA l-a desființat în sistemul său Tegra 2 cu un singur cip, hotărând să elibereze mai mult spațiu pentru acceleratorul grafic. Adevărat, nimic bun nu a rezultat din asta, pentru că majoritatea aplicațiilor de player video se bazau încă pe NEON-ul testat în timp.

În timpul „domniei” Cortex-A9 au apărut primele implementări ale conceptului big.LITTLE propus de ARM Limited, conform căruia sistemele cu un singur cip ar trebui să aibă atât nuclee de procesor puternice, cât și slabe, dar eficiente din punct de vedere energetic. Prima implementare a conceptului big.LITTLE a fost NVIDIA Tegra 3 system-on-chip cu patru nuclee Cortex-A9 (până la 1,7 GHz) și un al cincilea nucleu însoțitor eficient din punct de vedere energetic (500 MHz) pentru realizarea sarcinilor simple de fundal.

ARM Cortex-A5 și Cortex-A7. La proiectarea nucleelor procesoarelor Cortex-A5 și Cortex-A7, ARM Limited a urmărit același obiectiv - de a atinge un compromis între consumul minim de energie al ARM11 și performanța acceptabilă a Cortex-A8. Nu au uitat de posibilitatea de a combina două sau patru nuclee - cipurile multi-core Cortex-A5 și Cortex-A7 apar treptat la vânzare (Qualcomm MSM8625 și MTK 6589).

ARM Cortex-A15. Miezurile de procesor Cortex-A15 au devenit o continuare logică a lui Cortex-A9 - ca urmare, pentru prima dată în istorie, cipurile cu arhitectură ARM au reușit să se compare aproximativ în performanță cu Intel Atom, iar acesta este deja un mare succes. Nu degeaba Canonical a specificat un procesor dual-core ARM Cortex-A15 sau un Intel Atom similar în cerințele de sistem pentru versiunea Ubuntu Touch OS cu multitasking complet.

Foarte curând, numeroase gadget-uri bazate pe NVIDIA Tegra 4 cu patru nuclee ARM Cortex-A15 și un al cincilea nucleu însoțitor Cortex-A7 vor fi puse în vânzare. După NVIDIA, conceptul big.LITTLE a fost preluat de Samsung: „inima” smartphone-ului Galaxy S4 a fost cipul Exynos 5 Octa cu patru nuclee Cortex-A15 și același număr de nuclee Cortex-A7 eficiente din punct de vedere energetic.

Perspective de viitor

Gadgeturile mobile bazate pe cipuri Cortex-A15 nu au apărut încă la vânzare, dar principalele tendințe în dezvoltarea ulterioară a arhitecturii ARM sunt deja cunoscute. ARM Limited a introdus deja oficial următoarea familie de procesoare ARMv8, ai căror reprezentanți vor fi neapărat pe 64 de biți. Miezurile Cortex-A53 și Cortex-A57 deschid o nouă eră a procesoarelor RISC: primul este eficient din punct de vedere energetic, al doilea este de înaltă performanță, dar ambele sunt capabile să lucreze cu cantități mari de RAM.

Producătorii de electronice de larg consum nu au devenit încă deosebit de interesați de familia de procesoare ARMv8, dar noi licențiați sunt la orizont care plănuiesc să aducă cipuri ARM pe piața serverelor: AMD și Calxeda. Ideea este inovatoare, dar are dreptul la viață: aceleași acceleratoare grafice NVIDIA Tesla, formate dintr-un număr mare de nuclee simple, și-au dovedit eficiența în practică ca soluții de server.

Corporația britanică ARM a îmbunătățit arhitectura de calcul eterogenă ARM big.LITTLE, pe care s-au bazat toate microprocesoarele ARM de vârf de la Cortex-A7 (2011) - și a introdus ieri o nouă arhitectură eterogenă, DynamIQ big.LITTLE. Cipurile au spațiu dedicat pentru acceleratoare hardware dedicate pentru aplicațiile de învățare automată. Poate că în viitor, suportul hardware pentru rețelele neuronale va deveni o nouă tendință în rândul dezvoltatorilor de microprocesoare și o calitate integrală a noilor smartphone-uri.

O caracteristică a arhitecturii ARM big.LITTLE este prezența a două tipuri de nuclee de procesor: relativ lent, eficient din punct de vedere energetic (LITTLE) și relativ puternic și consumator de energie (mari). De obicei, sistemul va activa doar unul dintre cele două tipuri de nuclee: numai cele mari sau numai cele mici. Este clar că este convenabil să efectuați sarcini de fundal pe un smartphone sau alt dispozitiv cu nuclee mici care consumă foarte puțină energie. Dacă este necesar, procesorul activează nuclee puternice, consumatoare de energie, care, în modul multi-threaded, lucrând împreună, demonstrează performanțe deosebit de ridicate. În principiu, toate nucleele au acces la memoria partajată, astfel încât sarcinile pot fi setate să ruleze pe ambele tipuri de nuclee simultan. Adică, marile și micile se vor comuta din mers.

Această arhitectură eterogenă și sarcina de trecere din mers de la un tip de nucleu la altul este concepută pentru a crea schimbări dinamice în puterea procesorului și consumul de energie. ARM însuși a declarat că, în unele sarcini, arhitectura economisește până la 75% energie.

DynamIQ big.LITTLE este un pas evolutiv înainte. Noua arhitectură permite o varietate de combinații de nuclee mari și mici, care nu erau posibile anterior. De exemplu, 1+3, 2+4 sau 1+7 sau chiar 2+4+2 (nuclee de trei puteri diferite). Un viitor smartphone tipic ar putea avea un sistem octa-core pe cip cu două nuclee de mare putere, patru nuclee de gamă medie și două nuclee de fundal low-end.

Cu suport hardware pentru învățarea automată și AI, noi instrucțiuni speciale pentru procesor (cum ar fi calcule cu precizie limitată) vor fi disponibile pentru dezvoltatori. ARM promite că în următorii trei până la cinci ani, procesoarele Cortex-A de pe noua arhitectură vor oferi o creștere de până la 50 de ori a performanței în aplicațiile AI în comparație cu sistemele actuale bazate pe Cortex-A73 și o creștere suplimentară datorită -in acceleratoare pe cip. Un port dedicat de acces cu latență scăzută între CPU și acceleratoare oferă performanțe de 10 ori.

Aceasta înseamnă că rețelele neuronale antrenate vor funcționa mult mai bine pe smartphone-uri, inclusiv pe cele care calculează grafică și video, aplicații de viziune computerizată și alte sisteme care procesează fluxuri mari de date.

Fiecare cluster poate conține până la opt nuclee cu caracteristici diferite. Acest lucru poate fi folosit și pentru a accelera aplicațiile AI în comparație cu sistemele actuale. În plus, un subsistem de memorie reproiectat va oferi acces mai rapid la date și va îmbunătăți eficiența energetică. Apropo, nu este necesar să includeți nuclee MICI cu performanță slabă în clusterele de nuclee, care sunt de obicei folosite în dispozitivele mobile pentru a economisi energia bateriei. Dacă aveți nevoie de performanțe foarte înalte, indiferent de consumul de energie, nimeni nu vă deranjează să faceți clustere de opt nuclee mari și să le combinați în sisteme informatice deosebit de puternice. ARM consideră că acest lucru va extinde domeniul de aplicare al procesoarelor ARM dincolo de smartphone-uri.

Clusterele DynamIQ de o scară aproape nelimitată cu memorie partajată sunt o ofertă pentru a crea sisteme de calcul puternice pentru o mare varietate de scopuri.

Flexibilitatea suplimentară în ajustarea dinamică a consumului de energie/energie va fi oferită de funcția de modificare individuală a frecvenței de ceas a procesoarelor individuale într-un cluster de mai multe procesoare ARM. Dezvoltatorii Cambridge cred că acest lucru este deosebit de important în căștile de realitate virtuală, care sunt într-o stare de consum redus pentru perioade lungi de timp. Tranzițiile procesorului la una din cele trei stări de energie (ON, OFF, SLEEP) sunt efectuate mult mai rapid, automat la nivel hardware.

În cele din urmă, arhitectura avansată DynamIQ permite construirea unor sisteme mai fiabile cu funcționalitate redundantă, ceea ce îmbunătățește nivelul de securitate în sistemele autonome care trebuie să răspundă la defecțiuni. De exemplu, acestea sunt sisteme de viziune computerizată în vehicule fără pilot - Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Când un cluster de nuclee eșuează sau acceleratorul eșuează, un alt cluster preia automat funcțiile sale.

Arhitectura procesorului ARM este utilizată sub licență în cipurile lor de mulți producători, inclusiv Samsung, Qualcomm, Nvidia, Intel și Apple (iPhone, iPad). Între 2013 și 2017, peste 50 de miliarde de microcipuri bazate pe arhitectura ARM au fost vândute în întreaga lume, iar dezvoltatorii britanici speră că acest număr se va dubla la peste 100 de miliarde în următorii patru ani.

Majoritatea dispozitivelor bazate pe ARM nu necesită răcire activă. Compania are încredere că, odată cu creșterea puterii acestor sisteme și trecerea la arhitectura DynamIQ, totul va rămâne la fel.

Marea majoritate a gadgeturilor moderne folosesc procesoare bazate pe arhitectura ARM, care este dezvoltată de compania cu același nume ARM Limited. Interesant este că compania nu produce ea însăși procesoare, ci doar licențiază tehnologiile producătorilor terți de cipuri. În plus, compania dezvoltă și nuclee de procesoare Cortex și acceleratoare grafice Mali, pe care cu siguranță le vom atinge în acest material.

ARM Limited

Compania ARM, de fapt, este un monopolist în domeniul său, iar marea majoritate a smartphone-urilor și tabletelor moderne de pe diverse sisteme de operare mobile folosesc procesoare bazate pe arhitectura ARM. Producătorii de cipuri licențiază nuclee individuale, seturi de instrucțiuni și tehnologii aferente de la ARM, iar costul licențelor variază semnificativ în funcție de tipul de nuclee de procesor (aceasta poate varia de la soluții cu buget redus până la quad-core și chiar opt nuclee de ultimă oră. cipuri) și componente suplimentare. Raportul anual de venituri din 2006 al ARM Limited a arătat venituri de 161 milioane USD pentru licențierea a aproximativ 2,5 miliarde de procesoare (în creștere de la 7,9 miliarde în 2011), ceea ce se traduce la aproximativ 0,067 USD per cip. Cu toate acestea, din motivul menționat mai sus, aceasta este o cifră foarte medie din cauza diferenței de prețuri pentru diferite licențe, iar de atunci profitul companiei ar fi trebuit să crească de multe ori.

În prezent, procesoarele ARM sunt foarte răspândite. Chipurile bazate pe această arhitectură sunt folosite peste tot, inclusiv pe servere, dar cel mai adesea ARM poate fi găsit în sistemele încorporate și mobile, de la controlere pentru hard disk-uri până la smartphone-uri moderne, tablete și alte gadget-uri.

Miezuri de cortex

ARM dezvoltă mai multe familii de nuclee care sunt utilizate pentru diferite sarcini. De exemplu, procesoarele bazate pe Cortex-Mx și Cortex-Rx (unde „x” este o cifră sau un număr care indică numărul exact de bază) sunt utilizate în sistemele încorporate și chiar în dispozitivele de consum, cum ar fi routerele sau imprimantele.

Nu ne vom opri asupra lor în detaliu, deoarece ne interesează în primul rând familia Cortex-Ax - cipurile cu astfel de nuclee sunt folosite în cele mai productive dispozitive, inclusiv smartphone-uri, tablete și console de jocuri. ARM lucrează în mod constant la noi nuclee din linia Cortex-Ax, dar la momentul scrierii acestui articol, următoarele sunt folosite în smartphone-uri:

Cu cât numărul este mai mare, cu atât performanța procesorului este mai mare și, în consecință, este mai scumpă clasa de dispozitive în care este utilizat. Cu toate acestea, este de remarcat faptul că această regulă nu este întotdeauna respectată: de exemplu, cipurile bazate pe nuclee Cortex-A7 au performanțe mai mari decât cele bazate pe Cortex-A8. Cu toate acestea, dacă procesoarele bazate pe Cortex-A5 sunt deja considerate aproape învechite și aproape că nu sunt folosite în dispozitivele moderne, atunci procesoarele bazate pe Cortex-A15 pot fi găsite în comunicatoarele și tabletele emblematice. Nu cu mult timp în urmă, ARM a anunțat oficial dezvoltarea unor nuclee Cortex-A53 și Cortex-A57 noi, mai puternice și, în același timp, eficiente din punct de vedere energetic, care vor fi combinate pe un singur cip folosind tehnologia ARM big.LITTLE și vor suporta ARMv8 set de instrucțiuni („versiunea de arhitectură”), dar nu sunt utilizate în prezent în dispozitivele de consum. Cele mai multe cipuri Cortex-core pot fi multi-core, iar procesoarele quad-core sunt comune în smartphone-urile de ultimă generație de astăzi.

Marii producători de smartphone-uri și tablete folosesc de obicei procesoare de la producători de cipuri renumiti precum Qualcomm sau propriile soluții care au devenit deja destul de populare (de exemplu, Samsung și familia sa de chipset-uri Exynos), dar printre caracteristicile tehnice ale gadgeturilor de la majoritatea companiilor mici. puteți găsi adesea o descriere precum „procesor bazat pe Cortex-A7 tactat la 1 GHz” sau „Cortex-A7 dual-core tactat la 1 GHz”, care nu va însemna nimic pentru utilizatorul obișnuit. Pentru a înțelege care sunt diferențele dintre astfel de nuclee, să ne concentrăm pe cele principale.

Nucleul Cortex-A5 este utilizat în procesoarele low-cost pentru cele mai multe dispozitive bugetare. Asemenea dispozitive sunt destinate doar pentru a efectua o gamă limitată de sarcini și pentru a rula aplicații simple, dar nu sunt deloc concepute pentru programe care consumă mult resurse și, în special, pentru jocuri. Un exemplu de gadget cu procesor Cortex-A5 este Highscreen Blast, care a primit un cip Qualcomm Snapdragon S4 Play MSM8225 care conține două nuclee Cortex-A5 tactate la 1,2 GHz.

Procesoarele Cortex-A7 sunt mai puternice decât cipurile Cortex-A5 și sunt, de asemenea, mai comune. Astfel de cipuri sunt fabricate folosind o tehnologie de proces de 28 de nanometri și au un cache mare de nivel al doilea de până la 4 megaocteți. Miezurile Cortex-A7 se găsesc în principal în smartphone-urile de buget redus și dispozitivele de segment mediu cu costuri reduse precum iconBIT Mercury Quad și, de asemenea, ca excepție, în Samsung Galaxy S IV GT-i9500 cu procesor Exynos 5 Octa - acest chipset folosește tehnologie de economisire a energiei atunci când efectuați sarcini nesolicitante procesor quad-core Cortex-A7.

Nucleul Cortex-A8 nu este la fel de răspândit ca vecinii săi, Cortex-A7 și Cortex-A9, dar este încă folosit în diverse gadget-uri entry-level. Viteza de operare a cipurilor Cortex-A8 poate varia de la 600 MHz la 1 GHz, dar uneori producătorii overclockează procesoarele la frecvențe mai mari. O caracteristică a nucleului Cortex-A8 este lipsa suportului pentru configurațiile multi-core (adică procesoarele de pe aceste nuclee pot fi doar cu un singur nucleu) și sunt executate folosind o tehnologie de proces de 65 de nanometri, care este deja considerată. învechit.

Сortex-A9

Cu doar câțiva ani în urmă, nucleele Cortex-A9 erau considerate soluția de top și erau utilizate atât în cipurile tradiționale single-core, cât și în cipurile dual-core mai puternice, cum ar fi Nvidia Tegra 2 și Texas Instruments OMAP4. În prezent, procesoarele Cortex-A9 realizate folosind tehnologia de proces de 40 de nanometri nu își pierd din popularitate și sunt folosite în multe smartphone-uri din segmentul mediu. Frecvența de funcționare a unor astfel de procesoare poate fi de la 1 la 2 sau mai mult gigaherți, dar este de obicei limitată la 1,2-1,5 GHz.

În iunie 2013, ARM a introdus oficial nucleul Cortex-A12, care este fabricat folosind o nouă tehnologie de proces de 28 de nanometri și este conceput pentru a înlocui nucleele Cortex-A9 în smartphone-urile din segmentul mijlociu. Dezvoltatorul promite o creștere cu 40% a performanței față de Cortex-A9 și, în plus, nucleele Cortex-A12 vor putea participa la arhitectura ARM big.LITTLE ca fiind productive alături de Cortex-A7, care economisește energie, care va permite producătorii să creeze cipuri ieftine cu opt nuclee. Adevărat, la momentul scrierii, toate acestea sunt doar în planuri, iar producția în masă a cipurilor Cortex-A12 nu a fost încă stabilită, deși RockChip și-a anunțat deja intenția de a lansa un procesor quad-core Cortex-A12 cu o frecvență de 1,8 GHz.

Începând cu 2013, nucleul Cortex-A15 și derivatele sale sunt soluția de top și sunt utilizate în cipurile de comunicație emblematice de la diverși producători. Printre noile procesoare realizate folosind o tehnologie de proces de 28 nm și bazate pe Cortex-A15 se numără Samsung Exynos 5 Octa și Nvidia Tegra 4, iar acest nucleu acționează adesea ca o platformă pentru modificări de la alți producători. De exemplu, cel mai recent procesor A6X de la Apple folosește nuclee Swift, care sunt o modificare a Cortex-A15. Cipurile bazate pe Cortex-A15 sunt capabile să funcționeze la o frecvență de 1,5-2,5 GHz, iar suportul pentru multe standarde de la terți și capacitatea de a aborda până la 1 TB de memorie fizică fac posibilă utilizarea unor astfel de procesoare în computere (cum nu se poate aminti un mini-computer de dimensiunea unui card Raspberry Pi bancar).

Seria Cortex-A50

În prima jumătate a anului 2013, ARM a introdus o nouă linie de cipuri numită seria Cortex-A50. Nucleele acestei linii vor fi realizate conform unei noi versiuni a arhitecturii, ARMv8, și vor suporta noi seturi de instrucțiuni și vor deveni, de asemenea, pe 64 de biți. Tranziția la o nouă adâncime de biți va necesita optimizarea sistemelor de operare și a aplicațiilor mobile, dar, desigur, suportul pentru zeci de mii de aplicații pe 32 de biți va rămâne. Apple a fost primul care a trecut la arhitectura pe 64 de biți. Cele mai recente dispozitive ale companiei, de exemplu, iPhone 5S, rulează exact pe acest procesor Apple A7 ARM. În special, nu folosește nuclee Cortex - acestea sunt înlocuite cu nuclee proprii ale producătorului, numite Swift. Unul dintre motivele evidente pentru necesitatea trecerii la procesoare pe 64 de biți este suportul a mai mult de 4 GB de RAM și, în plus, capacitatea de a gestiona numere mult mai mari la calcul. Desigur, deocamdată acest lucru este relevant, în primul rând, pentru servere și PC-uri, dar nu vom fi surprinși dacă în câțiva ani vor apărea pe piață smartphone-uri și tablete cu o asemenea cantitate de RAM. Până în prezent, nu se știe nimic despre planurile de a produce cipuri pe noua arhitectură și smartphone-uri care le folosesc, dar este probabil ca flagship-urile să primească exact aceste procesoare în 2014, așa cum a anunțat deja Samsung.

Seria se deschide cu nucleul Cortex-A53, care va fi „succesorul” direct al lui Cortex-A9. Procesoarele bazate pe Cortex-A53 sunt considerabil superioare cipurilor bazate pe Cortex-A9 în performanță, dar mențin în același timp un consum redus de energie. Astfel de procesoare pot fi folosite fie individual, fie intr-o configuratie ARM big.LITTLE, fiind combinate pe acelasi chipset cu un procesor Cortex-A57

Performanță Cortex-A53, Cortex-A57

Procesoarele Cortex-A57, care vor fi fabricate folosind o tehnologie de proces de 20 de nanometri, ar trebui să devină cele mai puternice procesoare ARM în viitorul apropiat. Noul nucleu este semnificativ superior predecesorului său, Cortex-A15, în diverși parametri de performanță (puteți vedea comparația de mai sus) și, potrivit ARM, care vizează serios piața PC-urilor, va fi o soluție profitabilă pentru computerele obișnuite (inclusiv laptopuri), nu doar dispozitivele mobile.

BRAT mare.MIC

Ca o soluție high-tech la problema consumului de energie al procesoarelor moderne, ARM oferă tehnologia big.LITTLE, a cărei esență este combinarea diferitelor tipuri de nuclee pe un singur cip, de obicei același număr de economii de energie și de înaltă performanță. cele.

Există trei scheme pentru operarea diferitelor tipuri de nuclee pe un singur cip: big.LITTLE (migrare între clustere), big.LITTLE IKS (migrare între nuclee) și big.LITTLE MP (multiprocesare heterogenă).

big.LITTLE (migrare între clustere)

Primul chipset bazat pe arhitectura ARM big.LITTLE a fost procesorul Samsung Exynos 5 Octa. Folosește schema originală big.LITTLE „4+4”, ceea ce înseamnă combinarea în două clustere (de unde și numele schemei) pe un singur cip a patru nuclee Cortex-A15 de înaltă performanță pentru aplicații și jocuri care consumă mult resurse și patru nuclee de energie. salvarea nucleelor Cortex-A7 pentru lucrul de zi cu zi cu majoritatea programelor și doar un singur tip de nucleu poate funcționa la un moment dat. Comutarea între grupuri de nuclee are loc aproape instantaneu și neobservată de utilizator într-un mod complet automat.

big.LITTLE IKS (migrare între nuclee)

O implementare mai complexă a arhitecturii big.LITTLE este combinarea mai multor nuclee reale (de obicei două) într-unul virtual, controlat de nucleul sistemului de operare, care decide ce nuclee să folosească - eficiente din punct de vedere energetic sau productiv. Desigur, există și mai multe nuclee virtuale - ilustrația arată un exemplu de schema IKS, în care fiecare dintre cele patru nuclee virtuale conține un nucleu Cortex-A7 și Cortex-A15.

big.LITTLE MP (multiprocesare heterogenă)

Schema big.LITTLE MP este cea mai „avansată” - în ea, fiecare nucleu este independent și poate fi activat de nucleul sistemului de operare după cum este necesar. Aceasta înseamnă că dacă sunt folosite patru nuclee Cortex-A7 și același număr de nuclee Cortex-A15, un chipset construit pe arhitectura ARM big.LITTLE MP va putea rula toate cele 8 nuclee simultan, chiar dacă sunt de tipuri diferite. Unul dintre primele procesoare de acest tip a fost cipul cu opt nuclee de la Mediatek - MT6592, care poate funcționa la o frecvență de ceas de 2 GHz și, de asemenea, poate înregistra și reda videoclipuri la rezoluție UltraHD.

Viitor

Conform informațiilor disponibile în prezent, în viitorul apropiat ARM, împreună cu alte companii, intenționează să lanseze următoarea generație de cipuri big.LITTLE, care vor folosi noile nuclee Cortex-A53 și Cortex-A57. În plus, producătorul chinez MediaTek va produce procesoare de buget bazate pe ARM big.LITTLE, care vor funcționa conform schemei „2+2”, adică vor folosi două grupuri de două nuclee.

Acceleratoare grafice Mali

Pe lângă procesoare, ARM dezvoltă și acceleratoare grafice din familia Mali. Ca și procesoarele, acceleratoarele grafice sunt caracterizate de mulți parametri, de exemplu, nivelul de anti-aliasing, interfața magistrală, memoria cache (memorie ultra-rapidă utilizată pentru a crește viteza de operare) și numărul de „nuclee grafice” (deși, așa cum am scris în articolul precedent, acest indicator, în ciuda asemănării cu termenul folosit pentru a descrie procesorul nu are practic niciun impact asupra performanței atunci când se compară două GPU-uri).

Primul accelerator grafic ARM a fost Mali 55, nefolosit acum, care a fost folosit în telefonul tactil LG Renoir (da, cel mai comun telefon mobil). GPU-ul nu a fost folosit în jocuri - doar pentru redarea interfeței și avea caracteristici primitive conform standardelor actuale, dar a devenit „strămoșul” seriei Mali.

De atunci, progresul a parcurs un drum lung, iar acum API-urile și standardele de jocuri acceptate sunt de o importanță considerabilă. De exemplu, suportul pentru OpenGL ES 3.0 este acum anunțat doar la cele mai puternice procesoare precum Qualcomm Snapdragon 600 și 800 și, dacă vorbim despre produse ARM, standardul este susținut de acceleratoare precum Mali-T604 (a fost primul GPU ARM realizat pe noua microarhitectură Midgard), Mali-T624, Mali-T628, Mali-T678 și alte cipuri similare ca caracteristici. Acesta sau acel GPU, de regulă, este strâns legat de kernel, dar, cu toate acestea, este indicat separat, ceea ce înseamnă că, dacă calitatea graficii din jocuri este importantă pentru dvs., atunci este logic să vă uitați la numele accelerator în specificațiile smartphone-ului sau tabletei.

ARM are, de asemenea, acceleratoare grafice pentru smartphone-urile din segmentul mijlociu în gama sa, dintre care cele mai comune sunt Mali-400 MP și Mali-450 MP, care diferă de frații lor mai mari prin performanțe relativ scăzute și un set limitat de API-uri și standarde acceptate. În ciuda acestui fapt, aceste GPU-uri continuă să fie folosite în noile smartphone-uri, de exemplu, Zopo ZP998, care a primit acceleratorul grafic Mali-450 MP4 (o modificare îmbunătățită a lui Mali-450 MP) în plus față de procesorul MTK6592 cu opt nuclee.

Probabil, smartphone-urile cu cele mai recente acceleratoare grafice ARM ar trebui să apară la sfârșitul anului 2014: Mali-T720, Mali-T760 și Mali-T760 MP, care au fost introduse în octombrie 2013. Mali-T720 este programat să fie noul GPU pentru smartphone-uri low-cost și primul GPU din acest segment care acceptă Open GL ES 3.0. Mali-T760, la rândul său, va deveni unul dintre cele mai puternice acceleratoare grafice mobile: conform caracteristicilor declarate, GPU-ul are 16 nuclee de calcul și are o putere de calcul cu adevărat enormă, 326 Gflops, dar, în același timp, de patru ori consum de energie mai mic decât Mali-T604 menționat mai sus.

Rolul procesoarelor și GPU-urilor ARM pe piață

În ciuda faptului că ARM este autorul și dezvoltatorul arhitecturii cu același nume, care, repetăm, este acum utilizată în marea majoritate a procesoarelor mobile, soluțiile sale sub formă de nuclee și acceleratoare grafice nu sunt populare cu smartphone-urile majore. producatori. De exemplu, se crede pe bună dreptate că comunicatoarele emblematice de pe sistemul de operare Android ar trebui să aibă un procesor Snapdragon cu nuclee Krait și un accelerator grafic Adreno de la Qualcomm chipset-uri de la aceeași companie sunt folosite în smartphone-uri pe Windows Phone, iar unii producători de gadget-uri, de exemplu; Apple, dezvoltă propriile nuclee. De ce există această situație în prezent?

Poate că unele dintre motive ar putea fi mai profunde, dar unul dintre ele este lipsa unei poziționări clare a CPU-urilor și GPU-urilor de la ARM printre produsele altor companii, drept urmare dezvoltările companiei sunt percepute ca componente de bază pentru utilizare în B. -dispozitive de marcă, smartphone-uri ieftine și crearea de soluții mai mature. De exemplu, Qualcomm repetă la aproape fiecare prezentare că unul dintre obiectivele sale principale atunci când creează noi procesoare este reducerea consumului de energie, iar nucleele Krait, fiind nuclee Cortex modificate, arată în mod constant rezultate de performanță mai ridicate. O afirmație similară este valabilă și pentru chipset-urile Nvidia, care sunt axate pe jocuri, dar în ceea ce privește procesoarele Exynos de la Samsung și seria A de la Apple, acestea au propria lor piață datorită instalării în smartphone-urile acelorași companii.

Cele de mai sus nu înseamnă deloc că evoluțiile ARM sunt semnificativ mai proaste decât procesoarele și nucleele de la companii terțe, dar concurența de pe piață beneficiază în cele din urmă doar cumpărătorii de smartphone-uri. Putem spune că ARM oferă niște blank-uri, prin achiziționarea unei licențe pentru care producătorii le pot modifica independent.

Concluzie

Microprocesoarele bazate pe arhitectura ARM au cucerit cu succes piața dispozitivelor mobile datorită consumului redus de energie și puterii de calcul relativ mari. Anterior, alte arhitecturi RISC concurau cu ARM, de exemplu, MIPS, dar acum nu mai are decât un singur concurent serios - Intel cu arhitectura x86, care, apropo, deși luptă activ pentru cota de piață, nu este încă perceput. fie de către consumatori, fie de către majoritatea producătorilor în serios, mai ales având în vedere absența virtuală a flagship-urilor bazate pe acesta (Lenovo K900 nu mai poate concura cu cele mai recente smartphone-uri de top cu procesoare ARM).

Ce credeți, va putea cineva să înlocuiască ARM și care va fi viitorul acestei companii și al arhitecturii sale?

Cortex-A5;
Cortex-A7;
Cortex-A8;
Cortex-A9;
Cortex-A12;
Cortex-A15;
Cortex-A53;

Cortex-A5

Cortex-A7

Cortex-A8

Сortex-A9

Cortex-A12

Cortex-A15

Seria Cortex-A50

Cortex-A53

big.LITTLE (migrare între clustere)

Schema big.LITTLE MP este cea mai „avansată” - în ea, fiecare nucleu este independent și poate fi activat de nucleul sistemului de operare după cum este necesar. Aceasta înseamnă că dacă sunt folosite patru nuclee Cortex-A7 și același număr de nuclee Cortex-A15, un chipset construit pe arhitectura ARM big.LITTLE MP va putea rula toate cele 8 nuclee simultan, chiar dacă sunt de tipuri diferite. Unul dintre primele procesoare de acest tip a fost cipul cu opt nuclee al companiei, care poate funcționa la o frecvență de ceas de 2 GHz și, de asemenea, poate înregistra și reda videoclipuri la rezoluție UltraHD.

Viitor

Pe lângă procesoare, ARM dezvoltă și acceleratoare grafice din familia Mali. Ca și procesoarele, acceleratoarele grafice sunt caracterizate de mulți parametri, de exemplu, nivelul de anti-aliasing, interfața magistrală, memoria cache (memorie ultra-rapidă folosită pentru a crește viteza de operare) și numărul de „nuclee grafice” (deși, așa cum am scris în articolul precedent, acest indicator, în ciuda asemănării cu termenul folosit pentru a descrie procesorul, nu are practic niciun efect asupra performanței când se compară două GPU-uri).

Rolul procesoarelor și GPU-urilor ARM pe piață

Concluzie