Výkonné mobilné procesory, respektíve SOC, sú srdcom moderných smartfónov a tabletov. Čo sa ukrýva pod ich kapotou a kto sú najväčší hráči na tomto poli?
Zrejme žiadnemu nadšencovi do technológií netreba pripomínať, že hlavnou výpočtovou časťou notebookov, tabletov aj smartfónov je procesor. S „čistokrvným“ čipom sa však v moderných zariadeniach už príliš často nestretneme, pretože postupom času sa k CPU časti pridávalo aj integrované grafické jadro a radiče operačnej pamäte.
Mobilné „procesory“ idú ešte ďalej a do jedného puzdra integrujú nezriedkavo aj samotnú operačnú pamäť. Z dôvodu veľkej integrácie sa takéto čipy označujú ako SOC (System on Chip). Tieto „systémy na čipe“ sú teda srdcom zariadenia poskytujúce funkciu CPU, GPU, RAM či radičov zberníc.
SOC sú osadené na základnej doske tabletu či smartfónu prostredníctvom BGA puzdra, čo je štandardný druh pripojenia na používateľsky neodoberateľných čipoch. Spojenie kontaktov zabezpečujú malé guľôčky, ktoré sú pri procese osadenia roztavené, vďaka čomu čip pevne priľahne na kontakty dosky. Hlavné SOC smartfónov teda nie je možné v domácich podmienkach vymeniť tak, ako procesor na klasických počítačoch. Nejde však o nič nezvyčajné a takéto BGA spojenie sa používa aj pri osádzaní GPU na grafické karty, čipov DRAM na moduly operačnej pamäte a takisto pri procesoroch, ktoré sú distribuované spolu so základnou doskou. Čip s BGA osadením sa dá amatérsky odobrať len násilným odtrhnutím a jeho spätná montáž a spájkovanie si vyžaduje špeciálne nástroje na tzv. reball, teda preguličkovanie.
Kto SOC navrhuje a vyrába?
Návrhár jednotlivých súčastí SOC, ich zostavovateľ a napokon aj výrobca, sú tri veľmi odlišné pozície a drvivá väčšina zainteresovaných spoločností sa môže pochváliť len jednou z nich.
Pokiaľ by ste začali od nuly, znamená to okrem iného návrh vlastného procesoru, vlastného grafického jadra, ich spoločnú integrácia do SOC a napokon výrobu celého čipu vo vlastnej super drahej fabrike, kde používate vlastný výrobný proces vyvinutý za enormné sumy. Takouto firmou je Intel. Používa vlastnú architektúru inštrukčnej súpravy nazvanú x86 (respektíve jej 64-bitový variant x86-64), ktorá je de-facto štandard v bežnom svete notebookov a desktopov. Na základe platnej licencie ju smie používať len AMD a Cyrix (neskôr odkúpený spoločnosťou VIA), pričom AMD sa na jej vývoji výraznou mierou podieľalo a s Intelom má mnohé previazané patenty.
Intel začal na oblasť smartfónov a tabletov razantne útočiť a jeho podiel v tejto sfére bude vďaka jeho obrej vývojárskej aj finančnej sile nepochybne stúpať. Historicky však tento segment trhu patrí pod vládu inštrukčnej súpravy ARM. Táto architektúra nie je žiadny nováčik a prvý 32-bitový ARM procesor sa objavil v rovnakom roku ako prvý x86 procesor od Intelu, teda v roku 1985. Kým však x86 procesory sa vydali za čo najvyšším výkonom v podobe počítačov založených na koncepte IBM (kde súperili Intel, AMD a Cyrix), tak ARM smeroval do oblasti, kde je elektronický subsystém súčasťou nejakého samostatného zariadenia. Našiel teda uplatnenie v riadiacich obvodoch sieťových routerov, televízorov či tlačiarní. Z tohto ARM-om ovládaného segmentu však na prelome tisícročí nastal obrovský rozmach mobilných telefónov, ktoré neskôr znamenali boom smartfónov a tabletov. Súčasná silná pozícia ARM architektúry na tomto trhu tak nie je prekvapením.
Inštrukčné súpravy ARM dnes vyvíja a licencuje britská spoločnosť ARM Holdings. Jej produktom je teda napríklad 32-bitová inštrukčná súprava ARMv7-A alebo 64-bitová ARMv8-A. Na nich sú následne postavené mikroarchitektúry procesorových jadier, ako je napríklad ARM Cortex-A15 a ARM Cortex-A57. ARM Holdings tieto produkty navrhuje a vyvíja, avšak fyzické čipy určené na predaj nevyrába. Jej obchodný model je založený na predaji licencií pre iné spoločnosti. Produkty postavené na inštrukčnej súprave ARM tak môže vyrábať prakticky ktokoľvek, kto si na ne zakúpi licenciu.
Pokiaľ ste polovodičový gigant ako napríklad Samsung, môžete si od ARM Holdings zakúpiť licencie na procesorové jadrá Cortex a grafické jadrá Mali, navrhnúť na ich základe vlastné SOC a vyrobiť ho vo vlastnej továrni s pomocou vlastného výrobného procesu.
Drvivá väčšina spoločností z oblasti polovodičov však takéto enormne nákladné fabriky nemá. Ide napríklad o Apple, Qualcomm, Nvidiu a v súčasnosti napríklad už aj AMD. Takéto spoločnosti si teda zakúpia u ARM Holdings licenciu, navrhnú si vlastné SOC a nechajú si ho vyrobiť u spoločností, ktoré fabriky na výrobu polovodičov vlastnia. Čím pokročilejší a lepší výrobný proces takýto poskytovateľ má, tým môže byť produkt lepší.
Najpokročilejší výrobný proces (14 nm Fin-FET) má dnes v prevádzke Intel, ten však svoju rozsiahlu sieť fabrík využíva len pre vlastné potreby. V závese je Samsung, ktorý v súčasnosti používa najmä 20 nm planárny HKMG výrobný proces. Kapacity svojich fabrík však nevyužíva len sám, ale prenajíma ich aj iným spoločnostiam. V jeho fabrikách si dlhú dobu nechal vyrábať svoje SOC napríklad Apple.
Okrem toho existujú špecializovaní výrobcovia polovodičov, ktorí vlastné produkty nevyrábajú a zaoberajú sa len vývojom výrobného procesu a stavbou fabrík. Najvýznamnejším hráčom na tomto poli je taiwanský TSMC, u ktorého si svoje čipy necháva vyrábať napríklad Qualcomm, Nvidia či AMD. Ďalším takýmto výrobcom polovodičov je napríklad GlobalFoundries.
Zdroj: TSMCFabrika na výrobu polovodičov spoločnosti TSMC (Autor: TSMC)
Veľká päťka a tí ostatní
Z hľadiska tých najvýkonnejších SOC pre smartfóny a tablety môžeme prakticky hovoriť o veľkej päťke. Ide o spoločnosti:
- Apple (SOC vyrába u Samsungu a TSMC)
- Samsung (SOC si vyrába sám)
- Qualcomm (Samsung/TSMC)
- Nvidia (TSMC)
- Intel (vyrába sám).
Pokiaľ sa chceme venovať kráľom mobilných SOC, nikam sa od nich nepohneme. Z hľadiska objemu výroby je pri SOC smartfónov kráľom Qualcomm, pri SOC tabletov je to Apple. Podiel Nvidie je naopak mizivý, avšak z hľadiska výkonu a zaujímavosti celého SOC sa jej čipy nedajú ignorovať.
K významným hráčom patrí Mediatek, ktorému na smartfónoch aj tabletoch patrí podiel okolo 10 %. Jeho prednosťou je však útok na cenu, nie na výkon. Môže tak byť dobrým priateľom šporovlivých, nie však kráľom, ktorému konkurencia závidí. K ďalším lacnejším a už zďaleka nie tak trhovo úspešným spoločnostiam patria napríklad Allwinner, RockChip či Spreadtrum.
Apple a jeho aktuálne SOC A8 a A8X
Americká spoločnosť Apple je v súčasnosti návrhárom vlastných mobilných SOC, ktoré používa vo svojich smartfónoch a tabletoch. Používa ich výhradne pre vlastnú potrebu a nepredáva ich iným výrobcom zariadení. Pri prvých generáciách iPhonov ešte Apple čipy kupoval, podobne ako to dnes robí napríklad LG, Huawei, Xiaomi, či HTC. Napríklad iPhone 3GS z roku 2009 používal SOC Samsung S5PC100. V roku 2010 Apple začal navrhovať vlastné SOC označené ako A4, v ktorých na základe licencie od ARM Holdings osadzoval neupravené procesory Cortex-A8, spoločne s grafickými jadrami PowerVR od Imagination Technologies. Výrazná zmena prišla v roku 2012, kedy pri SOC A6 (iPhone 5) nepoužil štandardný návrh jadier Cortex od ARM, ale vytvoril vlastný návrh procesorových jadier Swift založených na architektúre inštrukčnej súpravy ARMv7-A. Ich nástupcom boli v roku 2013 opäť vlastné jadrá Cyclone založené na 64-bitovej architektúre ARMv8-A. Druhá generácia týchto jadier je použitá v aktuálnych SOC A8 a A8X.
SOC Apple A8 (Autor: iFixit)
Svoje jednotlivé SOC v podobe A4 (rok 2010, 32-bit, 45 nm), A5 (2011, 32-bit, 45 nm), A6 (2012, 32-bit, 32 nm) a A7 (2013, 64-bit, 28 nm) vyrábal Apple na zákazku vo výrobných továrňach Samsungu. V aktuálnej generácii však prišla veľká zmena a prednosť dal tchajwanskému výrobcovi TSMC. Pre výrobu 14 nm čipov nadchádzajúcej generácie SOC A9 sa však k Samsungu s najväčšou pravdepodobnosťou vráti. Podľa súčasného stavu to totiž vyzerá, že Samsung v spolupráci s Global Foundries má pri zavedení nového výrobného procesu pred TSMC náskok.
SOC Apple A8, ktorý sa nachádza v smartfónoch iPhone 6 a iPhone 6 Plus, je 64-bitový čip založený na inštrukčnej súprave ARMv8-A. Obsahuje druhú generáciu procesorových jadier Cyclone, grafické jadrá PowerVR 6XT GX6450 od Imagination Technologies a takisto 1 GB operačnej pamäte LPDDR3. SOC je vyrobené 20 nm planárnym HKMG výrobným procesom (od TSMC) a obsahuje 2 miliardy tranzistorov.
Analytická spoločnosť Chipworks, ktorá sa zaoberá reverzným inžinierstvom polovodičových technológií, vykonala profesionálny rez celým čipom, vďaka čomu sa môžeme pokochať jeho útrobami.
SOC Apple A8 po odobratí krytu (Autor: Chipworks)
Po odlepení krytu, ktorý okrem ochrany proti mechanickému poškodeniu zabezpečuje aj odvod tepla, sa naskytne pohľad na celý čip s rozmerom 89 mm2. Prvá odkrytá vrstva ponúka pohľad na tranzistory a obvody operačnej pamäte LPDDR3 (1600 MHz). Pamäť zaberá celú plochu čipu a podľa označenia na kryte (H9CKNNN8KTMRWR-NTH) sa dá rozpoznať, že jej výrobcom je juhokórejská spoločnosť SK Hynix. Apple jej však nedáva prednosť výhradne a na niektorých A8 čipoch osadzuje aj totožnú pamäť od japonskej spoločnosti Elpida (EDF8164A3PM-GD-F). Samotná spoločnosť Eplida v roku 2012 zbankrotovala a dnes s menom Elpida Memory patrí pod krídla amerického výrobcu Micron Technology.
Rez čipom Apple A8. Horná vrstva operačnej pamäte vľavo, spodná vrstva s CPU a GPU vpravo (Autor: Chipworks)
Srdce samotného A8 čipu sa nachádza pod pamäťovou vrstvou, pričom tento rez je vidieť na druhom obrázku. V pravom dolnom rohu sú umiestnené dve procesorové jadrá Cyclone druhej generácie, založené na 64-bitovej inštrukčnej súprave ARMv8, ktorých maximálna frekvencia je 1,4 GHz. Nad nimi je pomerne veľký 4 MB blok vyrovnávacej pamäte L3 (SRAM), ktorú procesor používa pri rýchlych operáciách, aby sa nespomaľoval prenosom dát do a z operačnej pamäte. Nižšie a ešte rýchlejšie úrovne L2 (1 MB) a L1 (2 × 64 kB) sú na obrázku v časti CPU jadier, nie sú však dobre viditeľné.
Veľkú časť čipu zaberá GPU vľavo dole. Ide o Imagination Technologies PowerVR GX6450, ktoré sa dostalo na trh v treťom kvartáli minulého roku. Je to nástupca G6430 zo SOC A7, pričom patrí k výkonným grafickým riešeniam v tejto kategórií trhu. Pracuje na frekvencii 450 MHz a dodáva výkon približne 115 gigaFLOPS (GFLOPS). Je výkonovým ekvivalentom GPU Adreno 420, ktoré sa nachádza v SOC Snapdragon 805. Prekonáva ho len energeticky značne náročnejší a väčší model PowerVR GX6650 a takisto Nvidia Tegra K1. Podporuje OpenGL 3.X/4.X a takisto DirectX 10. Ide o štvorjadrové riešenie, pričom rozpoznať sa dajú dobre všetky jeho štyri jadrá, medzi ktorými sa nachádzajú zdieľané textúrovacie jednotky a obvody grafickej logiky.
V októbri minulého roku sa dostal na trh aj výkonnejší variant tohto SOC, nazvaný A8X (objavil sa v iPad Air 2). Jeho procesorová časť pracuje na vyššej frekvencii (1,5 GHz), pričom dostala do vienka jedno jadro navyše. Grafická časť je posilnená ešte viac, pričom došlo k jej zdvojeniu. Ide prakticky o dve GX6450, ktoré majú dohromady osem grafických jadier. Neoficiálne sa toto riešenie označuje ako GXA6850 či GX6450MP2. Výsledkom značného zvýšenia výkonu je podstatne väčšia energetická náročnosť, čo si však tablety vďaka väčšej batérii môžu dovoliť. Zaujímavé je, že toto SOC už na rozdiel od klasického A8 neobsahuje integrovanú operačnú pamäť. Tá je na základných doskách tabletov iPad Air 2 osadzovaná na dvoch samostatných čipoch s kapacitou 1 GB od Elpidy.
SOC Apple 8X osadený na základnej doske iPad Air 2 (Autor: iFixit)
Samsung Exynos 5 Octa a Exynos 7 Octa
Juhokórejský Samsung patrí k najväčším výrobcom polovodičov na svete a svoje SOC si vyrába vo svojich vlastných výrobných továrňach. Procesorovú a grafickú časť SOC vyrába na základe licencie od ARM Holdings, pričom používa spoločnosťou ARM navrhnuté mikroarchitektúry procesorových jadier Cortex a grafických jadier Mali. Tieto časti uzatvára spoločne s vlastnou operačnou pamäťou do SOC čipu známeho pod menom Exynos.
Čip sa po prvýkrát dostal do sveta v roku 2011 (smartfóny Galaxy SII, Note) ako 45 nm Exynos 4210, respektíve Exynos 4 Dual. Používal procesorové jadrá Cortex-A9 (inštrukčná súprava ARMv7-A) a grafické jadrá Mali-400MP4. Dodatočne názov Exynos dostalo aj staršie SOC s označením S5PC110 (napr. smartfón Galaxy S), po novom Exynos 3110 / Exynos 3 Single.
Samsung v súčasnosti používa najmä názov Exynos 5 Octa, pričom do tejto rodiny zaraďuje niekoľko rôznych SOC. Ide o 28 nm Exynos 5410 a 5420 z roku 2013, Exynos 5422 a 5800 z prvej polovice roku 2014 a takisto aktuálne 20 nm Exynos 5430.
Spoločným menovateľom Exynos 5 Octa je heterogénna architektúra big.LITTLE, ktorú vyvinula spoločnosť ARM Holdings. Jej princípom je kombinácia málo výkonných, ale veľmi úsporných jadier spoločne s výkonnejšími, ale viac energeticky náročnejšími variantmi. Podľa náročnosti úloh tak procesor môže voliť medzi menej výkonnými alebo výkonnejšími jadrami a v ideálnom prípade dosahovať lepší pomer výkon/spotreba, než pri jednoduchom znižovaní a zvyšovaní frekvencie.
SOC Exynos 5 Octa používa štyri veľké jadrá Cortex-A15 a štyri malé a menej výkonné Cortex-A7. V oboch prípadoch ide o mikroarchitektúru od spoločnosti ARM, ktorá je založená na inštrukčnej súprave ARMv7-A. V závislosti od konkrétneho modelu SOC bežia výkonnejšie jadrá na maximálnej frekvencii 1,7 až 1,9 GHz a menej výkonné jadrá na 1,2 až 1,3 GHz.
Rez čipom Samsung Exynos 5 Octa, model 5410 (Autor: Techninsights)
V základe teda ide o osemjadrový procesor, ale je zrejmé, že jednotlivé kvartetá jadier nie sú rovnocenné. To vidieť dobre na reze čipom, ktorý vykonala analytická spoločnosť Techinsights. Tmavšia časť s jadrami Cortex-A15 je niekoľkonásobne väčšia, ako štvorjadro Cortex-A7 vľavo. Poriadny rozdiel je aj v zdieľanej vyrovnávacej pamäti L2. Kým jadrá Cortex-A15 si užívajú 2 MB, ich menší spolupútnici majú k dispozícii len 512 kB.
Podobne, ako v prípade SOC od Apple, aj v prípade Exynosu je časť operačnej pamäte na vrchnej časti čipu. Na obrázku je Exynos 5 Octa vo verzii 5422, ktorý je osadený v Samsung Galaxy S5. Ide o 2 GB LPDDR3 vlastného návrhu a výroby (Samsung patrí spoločne s SK Hynix a Micron/Elpida k trom najväčším producentom DRAM čipov, ktorí spolu ovládajú 90% trhu). Všimnite si, ako cez pamäť presvitá tmavá obdĺžniková časť „big“ s jadrami Cortex-A15 (v strede vpravo) a menšia tmavá časť „LITTLE“ s jadrami Cortex-A7 (vpravo hore).
Rez pamäťovou vrstvou čipu Exynos 5 Octa vo verzii 5422 (Autor: Techinsigths)
SOC Exynos 5 Octa obsahuje integrovaný grafický procesor ARM Mali-T628 MP6 (výnimku tvorí Exynos 5410, ktorý obsahuje slabšie GPU PowerVR SGX544MP3). Na 32 nm modeloch Exynos 5420, 5422 a 5800 pracuje Mali-T628 MP6 na frekvencii 533 MHz, na novšom 20 nm Exynos 5430 na 600 MHz. Označenie MP6 ukazuje, že ide o zostavenie so šiestimi jadrami. Čo do výkonu je šesťjadrové Mali-T628 zrovnateľné s GPU Qualcomm Adreno 330 (použité v SOC Snapdragon 800) a s Imagination Technologies PowerVR G6430 (SOC Apple A7). Vo svojej kategórii ide o dostatočne výkonné GPU, ktoré nie je žiadnou brzdou. Podporuje OpenGL ES 3.0 aj DirectX 11. Za novým PowerVR GX6450 v SOC Apple A8 však aj vďaka svojmu veku zaostáva.
Na jeseň minulého roku predstavil Samsung novú generáciu Exynosu v smartfóne Galaxy Note 4. Ide o Exynos 7 Octa (model 5433). Použitý je 20 nm výrobný proces, avšak významnou zmenou je prechod na 64-bitovú inštrukčnú súpravu ARMv8-A. Výkonnejšiu časť v tomto prípade tvorí kvarteto jadier Cortex-A57 (max. 1,9 GHz), zatiaľ čo tú úspornejšiu štvorica jadier Cortex-A53 (max. 1,3 GHz). Zatiaľ čo najnovší 20 nm Exynos 5 Octa v podobe modelu 5430 sa čo do procesorového výkonu rovná Qualcomm Snapdragon 801 a Nvidia Tegra 4, tak nový Exynos 7 Octa s novou architektúru a jadrami je pri viacvláknových úlohách na úrovni Nvidia Tegra K1, čo znamená miernu výkonnostnú prevahu nad Apple A8. V testoch merajúcich výkon na jedno vlákno má však najnovšie SOC od Apple prevahu.
Exynos 7 Octa dostal nové vnútornosti aj z hľadiska grafickej časti. ARM Mali-T628 MP6 bol nahradený grafickým procesorom Mali-T760 MP6 pracujúcim na frekvencii 700 MHz. Ide o výkonné mobilné grafické jadro, ktoré je zrovnateľné s PowerVR GX6450 (Apple A8) a Adreno 420 (Snapdragon 805).
Ďalšie zlepšenie Exynos 7 môžeme očakávať už behom pár nasledujúcich mesiacov. Samsung totiž práve tento týždeň začal masovú produkciu na svojich nových 14 nm výrobných linkách.
(Článok pokračuje na ďalšej stránke)
