Новые процессоры для мобильных устройств

В мобильных телефонах и планшетах скоро будут использоваться чипы, которые по производительности не уступают своим десктопным аналогам, потребляя при этом очень мало энергии.

  Новые процессоры для мобильных устройств Новые процессоры для мобильных устройств Классические мобильные телефоны — например, Nokia 6210 — обеспечивали время работы без подзарядки от нескольких дней до нескольких недель, о чем владельцы современных смартфонов могут только мечтать. Однако в то же время они не обладали широкой функциональностью. Сегодняшние аппараты по своим возможностям ни в чем не уступают компьютерам. Однако проблема состоит в том, что их приходится заряжать через один-два дня, а при полной загрузке это время сокращается до нескольких часов.

  Процессор Snapdragon 600 от Qualcomm, которым оснащены многие современные топовые смартфоны, выполняет в секунду больше операций, чем «разогнанный» Pentium 4 в эпоху Nokia 6210. Процессор Exynos 5 от Samsung, который используется в Galaxy Nexus и отчасти в S4, еще более убедителен в этом отношении. Однако одной высокой вычислительной мощности недостаточно — время автономной работы не должно отставать. Первый существенный шаг в этом направлении будет предпринят компанией Intel в конце текущего года. К тому времени будет выпущен новый процессор Atom под кодовым названием Silvermont, который будет снабжен некоторыми техническими новшествами, обеспечивающими такую же большую скорость работы, как и современные четырехъядерные процессоры в смартфонах, и в четыре раза более высокую энергоэффективность.

Состязание производителей чипов

Впрочем, и ARM, чьи наборы команд используются в CPU Snapdragon, Exynos и Tegra, не дремлет: необычная архитектура процессора, разработанная данной компанией, призвана обеспечить возможность создавать устройства с высокой скоростью работы и продолжительным временем без подзарядки. Именно этого стремятся достичь все фирмы путем усовершенствования технологии производства, структуры и функций своих процессоров. Ввиду того что процессор наряду с дисплеем, беспроводным и GPS-модулем является не единственным потребителем энергии в мобильном устройстве, в заключительной части данной статьи мы представим несколько приложений, которые умеют ловко управляться с важными, но «прожорливыми» функциями телефона, повышая таким образом время автономной работы на несколько дней.

Техпроцесс: уменьшение тока утечки

В процессе непрерывного и неизбежного уменьшения размеров полупроводниковых элементов встают большие проблемы.

Наиболее эффективным способом усовершенствования процессоров является уменьшение размеров транзисторов. Дело в том, что при меньших размерах плотность размещения транзисторов на кристалле повышается. Кроме того, небольшие размеры позволяют транзисторам работать от меньшего напряжения. Ввиду того, что потребляемая мощность находится от напряжения в квадратичной, а не линейной зависимости, снижение напряжения обеспечивает наибольший эффект. Уменьшение техпроцесса с 30 до 20 нм привело к тому, что производители практически «уперлись» в пределы законов физики, столкнувшись с таким явлением, как ток утечки. Это явление ответственно за половину всей потребляемой энергии.

Ток утечки возникает тогда, когда носители заряда проникают через слой изоляции, который должен быть для них непреодолимой преградой. В квантовой механике это явление известно как туннельный эффект. Чем меньше барьеры, тем больше вероятность возникновения туннельного эффекта и выше ток утечки. Частицы проникают прежде всего из затвора через слой изоляции в кремниевую подложку. Чтобы это предотвратить, Intel и Samsung больше не используют диоксид кремния в качестве изоляции для затвора, а применяют двуокись гафния, обеспечивающую более высокую проницаемость электрических полей транзисторов (High-k, высокопроницаемые), которые могут обладать большей толщиной, не теряя при этом скорость переключения. Qualcomm использует транзисторы High-k в своих процессорах Snapdragon 800, NVIDIA — в Tegra 4. Поставки обоих чипов уже начались.

Новые технологии снижают ток утечки

Носители заряда переходят не только через изоляцию между затвором и подложкой, но и через слой подложки между истоком и стоком. Поэтому в десктопных процессорах, начиная с Core i третьего поколения (Ivy Bridge), равно как и в мобильном чипе Silvermont, компания Intel использует транзисторы FinFET (Tri-Gate). Они имеют не плоский (планарный) вид, а трехмерный. На поверхности подложки возвышается канал, похожий на рыбий плавник. В результате проблема тока утечки здесь исключена. По данным Intel, транзисторы FinFET способны снизить потребляемую мощность в идеальном случае на 50%.

Альтернативой FinFET являются транзисторы FDSOI, которые компания STMicroelectronics намерена использовать в мобильных процессорах начиная с конца 2013 года. Несмотря на то что транзисторы FDSOI являются планарными, слой канала в них уменьшен и отделен от кремниевого слоя. Транзисторы FinFET и FDSOI в сравнении с традиционными решениями имеют значительные преимущества и создают технические предпосылки для дальнейшей миниатюризации.

Архитектура: гибкая и эффективная

Новые процессоры умело распределяют задачи между специализированными ядрами и отключают незадействованные области процессора.

В настоящее время в области мобильных процессоров конкурируют две архитектуры, которые используют один и тот же набор команд (ARM v7): Krait от Qualcomm и Cortex от ARM. Krait способна регулировать напряжение отдельных ядер в составе многоядерного процессора, что, по заявлениям Qualcomm, в сравнении с многоядерными процессорами Cortex обеспечивает от 25 до 40% экономии энергии. Однако в то же время чипы Qualcomm проигрывают при обмене данными между ядрами, работающими на различных частотах, так как в отдельных случаях им приходится простаивать в ожидании друг друга.

Дополнительно сэкономить энергию позволяет относительно короткий вычислительный конвейер Krait. Он обладает 11 уровнями. Флагманская модель от ARM Cortex-A15 выполняет команды на протяжении 15–24 уровней. Процессоры используют конвейеры, чтобы делить команды на несколько небольших частей, выполняемых на разных уровнях, которые они загружают друг за другом и обрабатывают параллельно. При длинных конвейерах процессор иногда выбирает неправильное ветвление цикла выполнения команд, и в конечном итоге ему приходится удалять все данные из конвейера и начинать все с начала. На это расходуется энергия. К тому же для внеочередного выполнения команд в процессоре должны присутствовать дополнительные логические схемы, которые также потребляют энергию.

В процессорах Qualcomm (1) для каждого ядра и кеш-памяти второго уровня устанавливается разное напряжение, зависящее от нагрузки. Это обеспечивает экономию энергии на уровне 25–40%. В процессорах таких производителей, как Samsung и NVIDIA (2), напряжение подается на все ядра одинаково.

Экономичные миниатюрные ядра

Ввиду того что ценой за высокую производительность Cortex-A15 является значительное энергопотребление, ARM предлагает производителям процессоров комбинировать его с Cortex-A7, который работает на более низкой частоте. ARM назвала эту архитектуру big.LITTLE. Cortex-A7 обладает лишь восьмиуровневым конвейером и обрабатывает команды строго в определенном порядке. Он занимает лишь пятую часть площади А15 и обладает в два раза меньшей производительностью, но зато в три раза более высокой энергоэффективностью. Первыми процессорами big.LITTLE являются Exynos 5 Octa от Samsung и NVIDIA Tegra 4. В обоих процессорах используются четыре ядра Cortex-A15 и четыре ядра Cortex-A7.

Чип ARM на основе архитектуры big.LITTLE распределяет задачи между мощными ядрами процессора Cortex-A15 и более слабыми, но потребляющими меньше энергии ядрами Cortex-A7. Специальный контроллер синхронизирует данные 12-уровневой кеш-памяти. Чип ARM на основе архитектуры big.LITTLE распределяет задачи между мощными ядрами процессора Cortex-A15 и более слабыми, но потребляющими меньше энергии ядрами Cortex-A7. Специальный контроллер синхронизирует данные 12-уровневой кеш-памяти.

Вначале все операции выполняет ядро Cortex-A7. При достижении предела своих возможностей оно передает поток ядру Cortex-A15. Неиспользуемые ядра процессор отключает посредством Powergating (об этом мы расскажем далее), чтобы экономить электроэнергию. Как только процессорный «тандем» переходит в неактивное состояние, чип отключает также соответствующую кешпамять второго уровня. На чередование процессоров также требуется энергия, поэтому оно должно выполняться только в случае необходимости.

Поэтому в будущем ARM намерена перейти на более эффективную архитектуру, называемую big.LITTLE MP. В данном случае все ядра процессора в любой комбинации могут выполнять одновременно любые задачи (например, два ядра A15 и четыре ядра А7). Это обеспечивает возможность нахождения более удачного компромисса между производительностью и потребляемой мощностью. Кроме того, диспетчер задач будет в состоянии заранее распределять задачи среди наиболее подходящих ядер. Однако система управления потоками и ядрами для big.LITTLE MP настолько сложна, что ARM придется вносить в операционную систему серьезные изменения.

Системы big.LITTLE — например, Exynos 5 Octa — распределяют задачи между специализированными ядрами: если Cortex-A7 достигает предела своих возможностей, он передает поток более мощному Cortex-A15. Системы big.LITTLE — например, Exynos 5 Octa — распределяют задачи между специализированными ядрами: если Cortex-A7 достигает предела своих возможностей, он передает поток более мощному Cortex-A15.

Intel также намерена утвердиться на рынке мобильных телефонов и планшетов. Доступный на сегодняшний день процессор Atom Saltwell, который используется в RAZR I от Motorola и Fonepad от ASUS, уже успел принести этой компании успех. В ходе тестирования устройства на его основе продемонстрировали не только отличную производительность, но и продолжительное время работы без подзарядки. Причиной успеха являются энергосберегающие режимы S0i1 и S0i3, которые используют агрессивный Powergating (технология отключения неактивных компонентов). В отличие от полного отключения, процессор при применении Powergating лишает питания незадействованные логические схемы, в то время как остальные компоненты чипа сохраняют активность. Благодаря этому он потребляет меньше энергии и мгновенно «просыпается» из режима «активный Standby». В режим S0i1 устройство переходит в том случае, если пользователь,например, положил телефон на стол, а дисплей отключился. В состояние глубокого сна S0i3 гаджет переходит только после длительного простоя. В отличие от классического энергосберегающего режима S3, используемого в Linux и Андроид, приложения могут сохранять свою активность, чтобы синхронизировать данные.

Энергосберегающий режим Intel в процессоре Atom   Powergating имеет для процессоров большое значение, поскольку технология позволяет экономить энергию и одновременно оставаться в активном состоянии. На рисунке выше (в рамке) схематически представлены отдельные области процессора. Atom от Intel обладает 19 подобными «силовыми островами» («Power Island»). Powergating имеет для процессоров большое значение, поскольку технология позволяет экономить энергию и одновременно оставаться в активном состоянии. На рисунке выше (в рамке) схематически представлены отдельные области процессора. Atom от Intel обладает 19 подобными «силовыми островами» («Power Island»).

Экономия с помощью приложений

Кроме процессора крупными потребителями энергии в мобильных устройствах являются дисплей и модуль беспроводной связи. Используя механизм «WakeLock», препятствующий переходу системы в спящий режим, приложения, которые работают в фоновом режиме, могут занимать часть системных ресурсов. Благодаря этому устройство не переходит полностью в состояние «глубокого сна», сохраняя определенную функциональность — например, телефон способен воспроизводить музыку или загружать данные. Ввиду того что функция «WakeLock» обладает лишь несколькими уровнями энергосбережения, многие разработчики приложений используют дополнительные «лазейки» для экономии электроэнергии. Так, Qualcomm анализирует с помощью Андроид-приложения BatteryGuru действия пользователя и затем определяет время, когда программы могут работать и синхронизировать данные. В остальное время система отключает модуль мобильной связи и Wi-Fi. Приложение Juice Defender работает схожим образом. В режиме «Standby» оно всегда отключает модуль мобильной связи, принимая все запросы различных утилит и отправляя их через определенные промежутки времени в Сеть, что значительно экономит энергию.

Аналогично встроенным в процессоры функциям энергосбережения некоторые специальные приложения для Андроид отключают «прожорливые» системные компоненты — например, модуль беспроводной или мобильной связи — с целью увеличения времени автономной работы.

Аналогично встроенным в процессоры функциям энергосбережения некоторые специальные приложения для Android отключают «прожорливые» системные компоненты — например, модуль беспроводной или мобильной связи — с целью увеличения времени автономной работы. * - Совместима только с процессорами Snapdragon. Аналогично встроенным в процессоры функциям энергосбережения некоторые специальные приложения для Android отключают «прожорливые» системные компоненты — например, модуль беспроводной или мобильной связи — с целью увеличения времени автономной работы. * — Совместима только с процессорами Snapdragon.

ПОДЕЛИТЬСЯ


Предыдущая статьяТри четверти пользователей страдают от мобильного спама
Следующая статьяSmart TV по цене флешки
КОММЕНТАРИИ