>
>
>
>
>
>
>
>
>
Přehled procesorových jader Cortex
26.2.2016, Jan Pánek, článek
V dnešním článku se podíváme na architektury a jádra společnosti ARM. Konečně se zorientujete ve světě jader Cortex-Axx a dozvíte se, jestli je lepší mít v telefonu Cortex-A57, nebo Cortex-A72. Jaký je mezi nimi vůbec rozdíl? Aktualizováno.
Kapitoly článku:
Ještě před tím, než se pustíme do samotných architektur a jader, si objasníme nějaké základní pojmy, se kterými budeme v článku pracovat. Také zavítáme trochu do minulosti, abychom pochopili širší souvislosti.
Společnost ARM vznikla v roce 1985 jako Acorn RISC Machine, později byla přejmenována na Advanced RISC Machine (RISC = Reduced instruction set computing). Společnost se zabývá mikroprocesory, a to konkrétně jejich vývojem.
Abychom se dobře zorientovali v pojmech - nejdůležitější vývojovou linií jsou architektury. Ty jsou označené ARMv1, ARMv2,... ARMv7-M, ARMv7E-M, ARMv7-R, ARMv7-A, ARMv8-A, ARMv8.1-A... Na těchto architekturách jsou postavena jednotlivá jádra. My se budeme zabývat jen architekturami končící na písmeno A, jež se používají v dnešních přenosných zařízeních. Např. na ARMv8-A jsou postavena jádra ARM Cortex-A35, ARM Cortex-A53, ARM Cortex-A57 a ARM Cortex-A72 (poznámka ke značení: vyšší číslo u jádra neznamená vyšší výkon ani lepší čip, pouze se můžeme orientovat tak, že do Cortex-A17 jsou 32bitová jádra a výše 64bitová).
Budeme se tedy zabývat jen architekturami ARMv7-A a ARMv8-A, na kterých jsou postavena jádra, jež se používají v mobilním světě. Jaké jsou mezi nimi hlavní rozdíly? Zcela zásadní je podpora 64bitových instrukcí u ARMv8-A na rozdíl od ARMv7-A, kde jsou podporovány pouze 32bitové instrukce. Nezapomínejte, že 64bitové instrukce jsou podporovány od Androidu 5.0, jinak se procesor chová jako 32bitový.
Společnost ARM se zabývá čistě vývojem procesorových architektur a jader, nikoliv jejich výrobou. Pokud se výrobci procesorů rozhodnou vyrobit čip pro Android, Windows 10 Mobile nebo dříve pro Windows Phone, mají celkem 3 možnosti.
Prosté licencování jednotlivých jader. Jako příklad můžeme vzít MediaTek nebo Huawei s Kirinem - koupili si licence na jádra od ARMu a následně si sami zvolili, kolik jakých jader do procesoru umístí, jakou budou mít jádra frekvenci a kde daný procesor vyrobí.
Výroba samotných procesorů je totiž další věc. V dnešní době jsou 3 hlavní výrobci polovodičů, u kterých si další velké firmy nechávají čipy vyrábět. Jedná se o Intel, Samsung a TSMC. Každý z těchto výrobců má jiné prostředky a jinou výrobní technologii.
Druhou možností je si licencovat různá jádra a následně si je upravit podle sebe. To zaručí kompatibilitu s Androidem i s aplikacemi, ale zároveň to umožní výrobcům optimalizovat procesory. Taková řešení jsou obvykle lepší než jádra přímo od ARMu. Jako příklad můžeme uvést Samsung Exynos 8890 s vlastními jádry Mongoose nebo Qualcomm Snapdragon 820 s vlastními jádry Kryo.
Poslední možností je si navrhnout vlastní jádra. Ve světě mobilních telefonů je nejlepším příkladem Intel. Několik let zpátky vstoupil jako dodavatel procesorů na mobilní trh se zcela vlastním řešením. Na úplném začátku se ale potýkal s menší nekompatibilitou, kdy se na jeho procesorech nedaly spouštět některé aplikace.
U téměř každého výkonného procesoru najdete tuto značku - co ale znamená? Mnozí už tuší, že se jedná o to, že výrobce zkombinuje dva typy jader. Jeden typ jader (např. Cortex-A72) bude zajišťovat maximální výkon, zatímco jiný typ jader (např. Cortex-A35) bude zajišťovat minimální spotřebu, když nebude třeba maximální výkon.
To je způsobeno rozdíly jednotlivých jader. Jak se dozvíte později, Cortex-A35 je velmi efektivní, takže nabídne solidní výkon s minimální spotřebou. Když je ale výkonu nedostatek, nastoupí výkonná jádra Cortex-A72, která ale nenabízí takovou efektivitu, a proto stoupne spotřeba.
Mnoho lidí se domnívá, že mohou porovnat dva procesory, když srovnají počet jader a frekvence, což bohužel nelze. Jiní si myslí, že mohou porovnat dva procesory, když srovnají frekvence, počet jader a architektury, na kterých jsou postaveny - to ale také nelze. Dokonce pravdu nemají ani ti, kteří by srovnávali i výrobní proces (velikost tranzistoru).
Dva procesory, které běží na 4 jádrech Cortex-A53 na 1,2 GHz a jsou vyrobeny třeba 14nm technologií, nemusí mít stejný výkon. Důležitá je i fáze výroby polovodičů. Např. Samsung přecházel z brzké produkce 14nm čipů na pokročilejší, což automaticky navyšovalo výkon a snižovalo spotřebu o 15 %!
NEON - jedná se o součást výpočetního jádra, která má za úkol zpracovávat média. Pod tímto označením ARM myslí např. akceleraci videa, jeho dekódování a enkódování, podporu nejrůznějších video formátů, ale třeba i rozpoznávání zvuku, zpracování obrázků nebo 2D a 3D grafiky.
ARM TrustZone je SoC technologie, která rozdělí hardware přístroje na dvě části. První je bezpečná a druhá je potenciálně zranitelná. Tyto dvě části nejsou nikterak spojeny, nicméně používají stejné komponenty. Cílem je oddělit aplikace, kterým systém věří a kterým nevěří.
Jazelle pomáhá vykonávat příkazy Javy na hardwaru, když bereme Javu jako výrobce 3. strany. Tento systém ale není nyní tak podstatný, protože s příchodem Dalviku namísto ART (Android Run Time) jeho účinek mizí.
In-order/out-of-order - to je způsob, jak procesor zpracovává data. V případě in-order je zpracovává v pořadí, jak přišla. To je sice pomalejší způsob, ale šetří energii. Out-of-order je zpracovává podle priority, což značí vyšší rychlost zpracování (nemusí se čekat na počítání méně podstatných dat), ale bere si více energie.
Podpora hardwarové virtualizace - tato technologie umožňuje více softwarovým prostředím a jejich aplikacím současně přistupovat do systému.
DSP & SIMD extensions - jde o rozšířený instrukční set. DSP se stará např. o podporu enkódování nebo dekódování audia (MP3, AAC, WMA), dekódování MPEG4, rozpoznávání hlasu a psaného písma. SIMD se stará např. o streamování médií a další přenosy po síti, má na starosti dekódování a enkódování MPEG4 a H264.
Nemělo by se zapomínat ani na GPU (grafický čip), která jsou nedílným pomocníkem samotného CPU. ARM je totiž také uzpůsobuje a nutno říct, že se jedná o oblíbená řešení. Jsou to čipy ARM Mali.
Společnost ARM vznikla v roce 1985 jako Acorn RISC Machine, později byla přejmenována na Advanced RISC Machine (RISC = Reduced instruction set computing). Společnost se zabývá mikroprocesory, a to konkrétně jejich vývojem.
Abychom se dobře zorientovali v pojmech - nejdůležitější vývojovou linií jsou architektury. Ty jsou označené ARMv1, ARMv2,... ARMv7-M, ARMv7E-M, ARMv7-R, ARMv7-A, ARMv8-A, ARMv8.1-A... Na těchto architekturách jsou postavena jednotlivá jádra. My se budeme zabývat jen architekturami končící na písmeno A, jež se používají v dnešních přenosných zařízeních. Např. na ARMv8-A jsou postavena jádra ARM Cortex-A35, ARM Cortex-A53, ARM Cortex-A57 a ARM Cortex-A72 (poznámka ke značení: vyšší číslo u jádra neznamená vyšší výkon ani lepší čip, pouze se můžeme orientovat tak, že do Cortex-A17 jsou 32bitová jádra a výše 64bitová).
Budeme se tedy zabývat jen architekturami ARMv7-A a ARMv8-A, na kterých jsou postavena jádra, jež se používají v mobilním světě. Jaké jsou mezi nimi hlavní rozdíly? Zcela zásadní je podpora 64bitových instrukcí u ARMv8-A na rozdíl od ARMv7-A, kde jsou podporovány pouze 32bitové instrukce. Nezapomínejte, že 64bitové instrukce jsou podporovány od Androidu 5.0, jinak se procesor chová jako 32bitový.
Společnost ARM se zabývá čistě vývojem procesorových architektur a jader, nikoliv jejich výrobou. Pokud se výrobci procesorů rozhodnou vyrobit čip pro Android, Windows 10 Mobile nebo dříve pro Windows Phone, mají celkem 3 možnosti.
Prosté licencování jednotlivých jader. Jako příklad můžeme vzít MediaTek nebo Huawei s Kirinem - koupili si licence na jádra od ARMu a následně si sami zvolili, kolik jakých jader do procesoru umístí, jakou budou mít jádra frekvenci a kde daný procesor vyrobí.
Výroba samotných procesorů je totiž další věc. V dnešní době jsou 3 hlavní výrobci polovodičů, u kterých si další velké firmy nechávají čipy vyrábět. Jedná se o Intel, Samsung a TSMC. Každý z těchto výrobců má jiné prostředky a jinou výrobní technologii.
Druhou možností je si licencovat různá jádra a následně si je upravit podle sebe. To zaručí kompatibilitu s Androidem i s aplikacemi, ale zároveň to umožní výrobcům optimalizovat procesory. Taková řešení jsou obvykle lepší než jádra přímo od ARMu. Jako příklad můžeme uvést Samsung Exynos 8890 s vlastními jádry Mongoose nebo Qualcomm Snapdragon 820 s vlastními jádry Kryo.
Poslední možností je si navrhnout vlastní jádra. Ve světě mobilních telefonů je nejlepším příkladem Intel. Několik let zpátky vstoupil jako dodavatel procesorů na mobilní trh se zcela vlastním řešením. Na úplném začátku se ale potýkal s menší nekompatibilitou, kdy se na jeho procesorech nedaly spouštět některé aplikace.
big.LITTLE - co to je?
U téměř každého výkonného procesoru najdete tuto značku - co ale znamená? Mnozí už tuší, že se jedná o to, že výrobce zkombinuje dva typy jader. Jeden typ jader (např. Cortex-A72) bude zajišťovat maximální výkon, zatímco jiný typ jader (např. Cortex-A35) bude zajišťovat minimální spotřebu, když nebude třeba maximální výkon.
To je způsobeno rozdíly jednotlivých jader. Jak se dozvíte později, Cortex-A35 je velmi efektivní, takže nabídne solidní výkon s minimální spotřebou. Když je ale výkonu nedostatek, nastoupí výkonná jádra Cortex-A72, která ale nenabízí takovou efektivitu, a proto stoupne spotřeba.
Výrobní technologie
Mnoho lidí se domnívá, že mohou porovnat dva procesory, když srovnají počet jader a frekvence, což bohužel nelze. Jiní si myslí, že mohou porovnat dva procesory, když srovnají frekvence, počet jader a architektury, na kterých jsou postaveny - to ale také nelze. Dokonce pravdu nemají ani ti, kteří by srovnávali i výrobní proces (velikost tranzistoru).
Dva procesory, které běží na 4 jádrech Cortex-A53 na 1,2 GHz a jsou vyrobeny třeba 14nm technologií, nemusí mít stejný výkon. Důležitá je i fáze výroby polovodičů. Např. Samsung přecházel z brzké produkce 14nm čipů na pokročilejší, což automaticky navyšovalo výkon a snižovalo spotřebu o 15 %!
Použité technologie
NEON - jedná se o součást výpočetního jádra, která má za úkol zpracovávat média. Pod tímto označením ARM myslí např. akceleraci videa, jeho dekódování a enkódování, podporu nejrůznějších video formátů, ale třeba i rozpoznávání zvuku, zpracování obrázků nebo 2D a 3D grafiky.
ARM TrustZone je SoC technologie, která rozdělí hardware přístroje na dvě části. První je bezpečná a druhá je potenciálně zranitelná. Tyto dvě části nejsou nikterak spojeny, nicméně používají stejné komponenty. Cílem je oddělit aplikace, kterým systém věří a kterým nevěří.
Jazelle pomáhá vykonávat příkazy Javy na hardwaru, když bereme Javu jako výrobce 3. strany. Tento systém ale není nyní tak podstatný, protože s příchodem Dalviku namísto ART (Android Run Time) jeho účinek mizí.
In-order/out-of-order - to je způsob, jak procesor zpracovává data. V případě in-order je zpracovává v pořadí, jak přišla. To je sice pomalejší způsob, ale šetří energii. Out-of-order je zpracovává podle priority, což značí vyšší rychlost zpracování (nemusí se čekat na počítání méně podstatných dat), ale bere si více energie.
Podpora hardwarové virtualizace - tato technologie umožňuje více softwarovým prostředím a jejich aplikacím současně přistupovat do systému.
DSP & SIMD extensions - jde o rozšířený instrukční set. DSP se stará např. o podporu enkódování nebo dekódování audia (MP3, AAC, WMA), dekódování MPEG4, rozpoznávání hlasu a psaného písma. SIMD se stará např. o streamování médií a další přenosy po síti, má na starosti dekódování a enkódování MPEG4 a H264.
GPU
Nemělo by se zapomínat ani na GPU (grafický čip), která jsou nedílným pomocníkem samotného CPU. ARM je totiž také uzpůsobuje a nutno říct, že se jedná o oblíbená řešení. Jsou to čipy ARM Mali.
-100.jpg)
