Как устроен процессор в телефоне

Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

1. С чего все началось

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TextEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

2. Появление транзисторов

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезызвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

3. Как работает транзистор

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние «0» или «1».

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Вдыхаем!

Кремний (он же Si – «silicium» в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы «–» касался p-стороны пластины, а «+» – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. «+» от источника к p-стороне, а «–» – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив «+» контакт на «центральную» p-область (базу), а «–» контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

Выдыхаем!

4. Так как все-таки работает компьютер?

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – «0».

При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или «1» в двоичной системе.

Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

5. И началась транзисторная гонка

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

• 1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.
• 70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.
• 1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.
• 1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.
• 1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.
• 1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.
• 1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.
• 1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.
• 1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.
• 1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.
• 1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

• кэш-памяти;
• конвейера;
• встроенного сопроцессора;
• множителя.

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

• SPARC;
• ARM;
• PowerPC;
• Intel P5;
• AMD K5;
• Intel P6.

В их основе лежала платформа RISC, а в некоторых случаях и частичное, совмещенное использование CISC-платформы. Но развитие технологий вновь подталкивало чипмейкеров продолжить наращивание процессоров.

В августе 1999 года на рынок выходе AMD K7 Athlon, изготовленный по 250 нанометровому техпроцессу и включающий 22 млн транзисторов. Позднее планку подняли до 38 млн процессоров. Потом до 250 млн.

Увеличивался технологический процессор, росла тактовая частота. Но, как гласит физика, всему есть предел.

7. Конец транзисторных соревнований близко

В 2007 году Гордон Мур выступил с весьма резким заявлением:

Закон Мура скоро перестанет действовать. Устанавливать неограниченное количество процессоров до бесконечности невозможно. Причина тому — атомарная природа вещества.

Невооруженным глазом заметно, что два ведущих производителям чипов AMD и Intel последние несколько лет явно замедлили темпы развития процессоров. Точность технологического процесса выросла всего до нескольких нанометров, но размещать еще больше процессоров невозможно.

И пока производители полупроводников грозятся запустить многослойные транзисторы, проводя параллель с 3DNand памятью, у упершейся в стену архитектуры x86 еще 30 лет назад появился серьезный конкурент.

8. Что ждет «обычные» процессоры

«Закон Мура» признан недействительным еще с 2016 года. Об этом официально заявил крупнейший производитель процессоров Intel. Удваивать вычислительную мощность на 100% каждые два года чипмейкеры больше не состоянии.

И теперь у производителей процессоров есть несколько малоперспективных вариантов.

Первый вариант – квантовые компьютеры. Попытки построить компьютер, который использует для представления информации частицы, уже были. В мире существует несколько подобных квантовых устройств, но они способны справляться лишь с алгоритмами небольшой сложности.

К тому же, о серийном запуске подобных устройств в ближайшие десятилетия не может идти и речи. Дорого, неэффективно и… медленно!

Да, квантовые компьютеры потребляют намного меньше энергии, чем их современные коллеги, но при этом работать они будут медленнее до тех пор, пока разработчики и производители комплектующих не перейдут на новую технологию.

Второй вариант – процессоры со слоями транзисторов. О данной технологии всерьез задумались и в Intel, и в AMD. Вместо одного слоя транзисторов планируют использовать несколько. Похоже, что в ближайшие годы вполне могут появится процессоры, в которых будут важны не только количество ядер и тактовая частота, но и количество транзисторных слоев.

Решение вполне имеет право на жизнь, и таким образом монополистам удастся доить потребителя еще пару десятков лет, но, в конце концов, технология опять-таки упрется в потолок.

Сегодня же, понимая стремительное развитие ARM-архитектуры, Intel провела негромкий анонс чипов семейства Ice Lake. Процессоры будут изготавливаться по 10-нанометровому технологическому процессу и станут основой для смартфонов, планшетов и мобильных устройств. Но произойдет это в 2019 году.

9. Будущее за ARM

Итак, архитектура x86 появилась в 1978 году и относится к типу платформы CISC. Т.е. сама по себе она предполагает наличие инструкций на все случаи жизни. Универсальность – главный конек x86.

Но, в тоже время, универсальность сыграла с этими процессорами и злую шутку. У x86 есть несколько ключевых недостатков:

• сложность команд и откровенная их запутанность;
• высокое потребление энергии и выделение теплоты.

За высокую производительность пришлось попрощаться с энергоэффективностью. Более того, над архитектурой x86 сейчас трудятся две компании, которых можно смело отнести к монополистам. Это Intel и AMD. Производить x86-процессоры могут только они, а значит и правят развитием технологий только они.

В тоже время разработкой ARM (Arcon Risk Machine) занимаются сразу несколько компания. Еще в 1985 году в качестве основы для дальнейшего развития архитектуры разработчики выбрали платформу RISC.

В отличие от CISC, RISC предполагает разработку процессора с минимально необходимым количеством команд, но максимальной оптимизацией. Процессоры RISC намного меньше CISC, более энергоэффективны и просты.

Более того, ARM изначально создавался исключительно как конкурент x86. Разработчики ставили задачу построить архитектуру, более эффективную чем x86.

Еще с 40-х годов инженеры понимали, что одной из приоритетных задач остается работа над уменьшением габаритов компьютеров, а, в первую очередь — самих процессоров. Но вряд ли почти 80 лет назад кто-либо мог предположить, что полноценный компьютер будет меньше спичечного коробка.

Архитектуру ARM в свое время поддержала компания Apple, запустив производство планшетов Newton на базе семейства ARM-процессоров ARM6.

Продажи стационарных компьютеров стремительно падают, в то время как количество ежегодно реализуемых мобильных устройств уже исчисляется миллиардами. Зачастую, помимо производительности, при выборе электронного гаджета пользователя интересуют еще несколько критериев:

• мобильность;
• автономность.

x86 архитектура сильна в производительности, но стоит вам отказаться от активного охлаждения, как мощный процессор покажется жалким на фоне архитектуры ARM.

10. Почему ARM – неоспоримый лидер

Вряд ли вы будете удивлены, что ваш смартфон, будь то простенький Android или флагман Apple 2016 года в десятки раз мощнее полноценных компьютеров эпохи конца 90-х.

Но во сколько мощнее тот же айфон?

Само по себе сравнение двух разных архитектур – штука очень сложная. Замеры здесь можно выполнить лишь приблизительно, но понять то колоссальное преимущество, что дает построенные на ARM-архитектуре процессоры смартфона, можно.

Универсальный помощник в таком вопросе – искусственный тест производительности Geekbench. Утилита доступна как на стационарных компьютерах, так и на Android и iOS платформах.

Средний и начальный класс ноутбуков явно отстает от производительности iPhone 7. В топовом сегменте все немного сложнее, но в 2017 году Apple выпускает iPhone X на новом чипе A11 Bionic.

Там, уже знакомая вам архитектура ARM, но показатели в Geekbench выросли почти вдвое. Ноутбуки из «высшего эшелона» напряглись.

А ведь прошел всего один год.

Развитие ARM идет семимильными шагами. Пока Intel и AMD год за годом демонстрируют 5 – 10% прирост производительности, за тот же период производители смартфонов умудряются повысить мощность процессоров в два – два с половиной раза.

Скептически настроенным пользователям, которые пройдутся по топовым строчкам Geekbench лишь хочется напомнить: в мобильных технологиях размер – это то, что прежде всего имеет значение.

Установите на стол моноблок с мощным 18-ядерный процессором, который «в клочья разрывает ARM-архитектуру», а затем положите рядом iPhone. Чувствуете разницу?

11. Вместо вывода

Объять 80-летнюю историю развития компьютеров в одном материале невозможно. Но, прочитав данную статью, вы сможете понять как устроен главный элемент любого компьютера – процессор, и чего стоит ждать от рынка в последующие годы.

Безусловно, Intel и AMD буду работать над дальнейшим наращиванием количества транзисторов на одном кристалле и продвигать идею многослойных элементов.

Но нужна ли вам как покупателю такая мощность?

Вряд ли вас не устраивает производительность iPad Pro или флагманского iPhone X. Не думаю, что вы недовольны производительностью расположившейся на кухне мультиварки или качеством картинки на 65-дюймовом 4K-телевизоре. А ведь во всех этих устройствах используются процессоры на ARM-архитектуре.

Windows уже официально заявила, что с интересом смотрит в сторону ARM. Поддержку этой архитектуры компания включила еще в Windows 8.1, а ныне активно работает над тандемом с ведущим ARM-чипмейкером Qualcomm.

На ARM успела посмотреть и Google – операционная система Chrome OS поддерживает эту архитектуру. Появились сразу несколько дистрибутивов Linux, которые также совместимы с данной архитектурой. И это только начало.

И лишь попробуйте на минутку представить, каким приятным будет сочетание энергоэффективного ARM-процессора с графеновым аккумулятором. Именно эта архитектура позволит получить мобильные эргономичные гаджеты, которые смогут диктовать будущее.

(89 голосов, общий рейтинг: 4.67 из 5)

Что вообще такое микропроцессор и при чем тут транзисторы

Понятным языком можно сказать так: процессор представляет собой чип внутри устройства, который производит практически все вычисления. А эти вычисления основываются на применении транзисторов. Если упростить, то чем больше транзисторов на одной плате, тем лучше (то есть производительнее) весь CPU.

Для сравнения: первым микропроцессором считается Intel 4004 (1971 года выпуска). В нем установлено 2300 транзисторов. В этом году Apple представила систему на чипе A15 Bionic — на нем основывается последнее поколение iPhone. В A15 транзисторов уже 15 млрд.

При этом еще 50 лет назад (до появления процессора Intel 4004) транзисторы были в разы массивнее. Их продавали в специализированных радиотехнических лавках, а их «ножки» предлагалось спаивать самостоятельно. Но сейчас транзисторы уменьшились настолько, что их величина составляет всего несколько нанометров (это мера длины, равная одной миллиардной части метра). Их как бы «печатают» на кремниевых пластинах. Благодаря этому миллиарды транзисторов получается помещать на платах размером в несколько сантиметров.

В сети любят приводить такое описание работы транзисторов (оно также упрощенное, но показательное): транзисторы чем-то похожи на систему кранов и труб, которые выполняют только две базовые операции — либо пропускают через себя электрический ток, либо не пропускают. Если такие «краны и трубы» соединить (есть несколько способов), то устройство получится научить производить вычисления, то есть закодировать их на чтение и преобразование операций с нулями (нет тока) и единицами (есть ток).

По сути, таким образом процессор заставляют производить суммирование, умножение, сравнивание и другие, более сложные операции. И чем сложнее комбинации подобных операций, тем сложнее получается и результат — числами можно закодировать (если хотите, зашифровать) хоть текст, хоть нейронные сети.

Какие именно операции нужно производить в данный момент времени, процессор понимает, исходя из заложенных в него инструкций (то есть команд). Таких инструкций существует много. По мере развития микропроцессоров одни инструкции сменялись другими, но сегодня остались две основные архитектуры, применяемые, как правило, в персональных компьютерах и мобильных чипах: RISC и CISC. Про это подробнее поговорим ниже (во многом мнение насчет лидирующего положения Apple связано с переходом от одного набора инструкций к другому).

Почему так важен «чистый» кремний, как на него наносят транзисторы и при чем тут закон Мура

Процессоры создаются на кремниевой основе — все благодаря подходящей для подобных целей внутренней атомной структуре. Правда, процесс «добычи» кремния и уж тем более нанесения транзисторов и других компонентов еще более дорогой и сложный. По сути, поэтому сегодня «воспроизведением» микропроцессоров в основном занимаются всего несколько производств по всему миру. Среди них — Intel, Samsung, TSMC.

Источником кремния служит песок. Его долго обрабатывают химическим способом, чтобы получить так называемый «чистый» кремний (таким он считается при чистоте 99,9%) — на его основе производятся специальные кристаллы. Чтобы сделать подобное, кремний плавят и помещают внутрь маленький кристалл, формирующий вокруг себя еще один слой кристаллической решетки.

Так повторяется несколько раз, и в итоге добывается один большой монокристалл цилиндрической формы весом под сотню килограмм. Его нарезают алмазной пилой на диски диаметром порядка 30 сантиметров — такие вы наверняка видели на фотографиях, которыми иллюстрируют производство микроэлектроники, — и уже на них после тщательной шлифовки «печатают» транзисторы.

Мы уже рассказывали про тонкости этой процедуры в отдельном материале. Если вкратце, на эти диски воздействуют светом, чтобы создать мельчайшие детали будущих интегральных схем. Процесс называется фотолитографией: изначально с помощью системы линз и зеркал на поверхности светочувствительной кремниевой пластины фокусировали лучи света, которые проходили через заранее подготовленный шаблон и запечатлевали его схему на пластине.

Со временем процесс совершенствовался. Сперва источником света для литографии выступала ртутная лампа. Потом длину волны уменьшали, переходя от ртутных ламп к лазерам со смесями различных газов. Следующим поколением лазерных технологий стали устройства, излучающие свет с длиной волны 193 нанометра.

В конце концов пришли к технологии EUV — сверхжесткого ультрафиолетового излучения на длине волны 13,5 нанометра. Эта технология настолько сложная и уникальная, что сегодня в мире ей на достаточно высоком уровне занимается только одна компания — ASML. Она поставляет другим производителям электроники станки, которые и «печатают» компоненты системы на кремниевых дисках с требуемой точностью.

Уменьшение длины волны позволяет наносить на кремний больше транзисторов уменьшенных размеров, то есть увеличивать производительность чипа при сохранении его изначальных габаритов. Вы могли слышать про закон Мура, согласно которому каждые два года количество транзисторов, размещенных на одном и том же кристалле, удваивается.

Сейчас выяснилось, что это является скорее наблюдением одного из инженеров Intel, а не непреложным правилом. Однако оно дало «маркировку» понятию техпроцесса, которым сегодня производители электроники (что самих процессоров, что базирующихся на них смартфонов, компьютеров и прочей техники) любят щеголять во время презентаций.

В настоящее время «нанометровым техпроцессом» описывается условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение их количества относительно предыдущего техпроцесса.

Если объяснять еще проще, то чем меньше цифра перед словом «нанометровый», тем лучше. Процессоры, изготовленные по 5-нанометровому техпроцессу (на момент публикации материала считается передовым решением), ощутимо мощнее и в сравнении с теми, что базируются на 7-нанометровом. Через год-два производители планируют перейти на 3-нанометровый техпроцесс. Кроме того, у перехода на меньший техпроцесс есть еще одно преимущество: каждый транзистор начинает потреблять меньше электроэнергии, тем самым улучшая энергоэффективность всего устройства.

Что такое «система на чипе»

После того как на печатную плату наносят необходимые элементы, к ядру процессора добавляют контакты, чтобы его можно было вставить в материнскую плату, а сверху все это прикрывают крышкой. Последняя выполняет несколько функций: во-первых, защищает дорогостоящий кристалл с миллиардами транзисторов, а во-вторых, служит средством для отвода тепла во время работы CPU— воздушные кулеры или водяное охлаждение устанавливают на крышку не просто так.

В какой-то момент стало понятно, что чипы уже стали настолько миниатюрными, что под одной такой защитной крышкой вполне может уместиться не только сам CPU, но и другие компоненты — например, графический чип (GPU), отвечающий за вывод картинки на экран, а еще модули беспроводной связи и модемы. Решение, когда все критически важные для работы компьютера компоненты находятся вместе на одной интегральной схеме совсем рядом друг с другом, называется «система на чипе», или «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC).

По сути, такие «системы на кристалле» используются практически во всей современной мобильной технике: смартфонах, планшетах, смарт-часах. В первую очередь — за счет относительно небольших габаритов и меньшего энергопотребления и тепловыделения, благодаря чему технику получается сделать мобильной. Правда, производительность подобных SoC долго оставалась существенно ниже в сравнении со «взрослыми» центральными (CPU) и графическими (GPU) процессорами, причем не только в ПК, но и ноутбуках.

Еще несколько лет назад дело обстояло так: существуют мощные процессоры (что графические, что центральные) для настольных компьютеров, которые производят гиганты вроде AMD и Intel, а есть относительно слабые «системы на чипе» (когда все компоненты собраны вместе) на базе ARM-архитектуры для мобильных переносных девайсов — и эти два мира долго практически никак не пересекались.

Но к концу 2020 года ситуация с подачи компании Apple изменилась. Выяснилось, что подобные «системы на чипе» могут быть не просто соизмеримы по мощности со «взрослыми» аналогами, но и превосходить их, при этом сохраняя преимущество в виде намного меньшего потребления энергии. По сути, Apple пошла на рискованный шаг: начала переводить ноутбуки и настольные компьютеры на процессоры, изначально использовавшиеся только в мобильных устройствах. Компания оказалась не первой, кто пришел к такому решению, но как минимум одной из первых, кому удалось сделать это удачно.

Будущее — за ARM? И при чем тут Apple

Несколько десятилетий назад еще не существовало так называемых языков программирования «высокого уровня» вроде Python, так что все команды приходилось писать машинным кодом, и каждая подобная команда обозначала какую-либо инструкцию для процессора. В общем, процесс трудоемкий, а главное, громоздкий — каждая программа получалась очень большой и трудночитаемой.

Такой подход назвали RISC (Reduced Instruction Set Computing), то есть компьютер с ограниченным набором команд. С совершенствованием технологий RISC начали развивать двумя способами — так появились архитектуры x86 и ARM. Первая рассчитана на «взрослые» и производительные компьютеры с процессорами от тех же Intel или AMD, которые умеют исполнять инструкции на базе технологии CISC (Complex Instruction Set Computing, то есть вычислительная машина со сложным набором команд), вторая — на относительно небольшие мобильные устройства с низким потреблением энергии, исполняющие усовершенствованные и более простые инструкции RISC.

Если еще немного упростить: говорим CISC — имеем в виду «классические» процессоры от компаний Intel или AMD, говорим RISC — подразумеваем варианты мобильных «систем на чипе», как у Apple или Samsung. Чтобы сделать процессор с x86-архитектурой, производителю необходимо самому придумать и нарисовать все транзисторы и соединения между ними. Это сложно и дорого. С ARM ситуация иная: любая компания может купить лицензию и сделать свой процессор с этой архитектурой, изменив компоновку и добавив другие модули.

Сложность в том, что программы, созданные для CISC (то есть x86, больших настольных процессоров), не способны прочитаться RISC-чипами (ARM, мобильные варианты) из-за разного набора инструкций. Поэтому до недавнего времени просто так запустить на компьютере программу, созданную для смартфона, не получалось.

Решение Apple перейти в компьютерах на ARM-чипы, схожие с применяющимися в iPhone и понимающие инструкции для RISC-процессоров, называют революционным благодаря тому, что компания отыскала программный способ заставить их читать софт, созданный для старых процессоров Intel под архитектуру x86. То есть компьютеры Apple последнего поколения с фирменными чипами M1 на ARM-архитектуре универсальны и берут лучшее от двух миров: производительность, энергоэффективность и возможность чтения программ, созданных для устройств обоих типов.

Пойдут ли по такому пути другие гиганты вроде Intel и AMD? Пока однозначно утверждать это нельзя. Все же их «классические» CPU показывают не меньшую, а то и бо́льшую пиковую производительность. Кроме того, их процессоры в массовом сегменте, как правило, предназначены для компьютеров под управлением операционной системы Windows, а схожую работу по оптимизации ОС таким образом, чтобы она могла читать программы для обеих архитектур, в Microsoft еще не провели.

Читайте также:

• Эта компания делает машины, которые делают процессоры. Без нее невозможно будущее
• Учи матчасть. Выбираем смартфон по процессору

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Относительно недавно тема процессоров, их производителей и сроков выхода новых моделей была интересна узкой группе гиков. Сейчас гораздо большее количество людей знает, чем Qualcomm лучше MediaTek, какой конкретно чип подходит для тех или иных задач и когда не стоит смотреть на количество ядер или частоту.

Это же сопровождается большим количеством мифов, неточностей и недосказанностей. В этом материале мы расскажем все, что вам нужно знать о системах-на-кристалле, которые большая часть пользователей привыкла называть просто «процессорами»; научим определять их возможности точнее чем «Qualcomm лучше MediaTek»; и рассмотрим на примерах самые популярные чипы.

Развеивая мифы

Qualcomm Snapdragon 845 – это процессор? A Apple A11? Нет, это микросхемы, состоящие из нескольких элементов, включая тот самый микрочип, о которым мы привыкли говорить, рассуждая о компьютерных процессорах, таких как Intel i7-7700 и других.

Названные выше чипы и другие известные вам названия (Kirin 970 или Helio P60) – это системы на кристалле, однокристальные системы или системы на чипе (от англ. system on a chip). В английском используется аббревиатура SoC.

Тем не менее понятие «процессор» так плотно вошло в употребление, что даже специализированные СМИ, точно знающие значения этих терминов, используют их, ведь так понятнее потребителям. Правильнее же говорить чип или система с дальнейшим указанием ее названия.

Состав чипа

Профессиональный инженер видит в типичном чипе сотни элементов, но нам важно разбирать лишь основные его составляющие, особенно, если мы говорим о мобильной системе:

Процессорный модуль, состоящий из нескольких ядер. Их тип и производительность во многом определяют возможности системы. Именно этот единственный элемент стоит называть процессором

Графический модуль, определяющий возможности устройства в играх и других задачах с обработкой графики. Можно встретить сокращения GPU (Graphical Processing Unit) или VPS (Visual Processing Sybsystem)

Сотовый модем влияет на возможности устройства в вопросах связи: интернета и телефонии

Аудиочип отвечает за качество звучания устройства

Здесь можно было бы затронуть модуль DSP (digital signal processor), обрабатывающий цифровые сигналы, процессор данных изображений (ISP) и процессор безопасности (secure processing unit), контроллеры памяти, регулятор напряжения и еще более мелкие элементы, но чаще всего производители даже не упоминают их в «материалах для всех»,а знание таких подробностей не сделает ваш выбор конкретного чипа осознаннее.

Характеристики чипа

Мы добрались до самого интересного раздела — как научиться определять возможности системы и сравнивать ее с остальными. Вам нужно хотя бы в основе разбирать типы комплектующих, чтобы корректно их сопоставлять между собой. Хотя игроков на рынке систем на кристалле не так уж и много, так что если вы заинтересуетесь, разберетесь за один присест.

1. Архитектура

В процессе написания этого материала мы столкнулись с тем, что определение архитектуры отличается и при этом довольно спокойно принимается в самых разных значениях.

Условно говоря, архитектура — это способность чипа исполнять определенный машинный код. Это методы взаимодействия аппаратных составляющих и софта. На рынке компьютеров преобладает архитектура x86 авторства Intel, а в мобильном мире — ARM.

ARM – это и архитектура, построенная на платформе RISC, и название компании, которая ее лицензирует. Последняя предоставляет сторонним производителям возможность самостоятельно создавать чипы.

На ARM работают, грубо говоря, все современные смартфоны или планшеты.

Актуальной версией архитектуры считается ARMv8.4-A. Этот факт вряд ли будет упоминаться в описаниях чипов, но запомнить его стоит.

Напоследок стоит отметить, что переход с ARMv7 на ARMv8 обозначил смену архитектуры с 32-битной на 64-битную. Говоря простым языком, с того момента как произошла смена, чипы смартфонов научились работать с числами, имеющими не 32, а 64 разряда. Это не только увеличило их производительность, но и позволило использовать в связке с ними бóльшие объемы оперативной памяти.

2. Количество ядер

Все-таки об архитектурах речь заходит не так часто, как о ядрах. В эпоху компьютеров многие судили по их количеству о том, насколько мощный ПК. Теперь почти все знают, что это не главное.

В случае с SoC значение имеет тип каждого отдельного ядра. Производители часто объединяют в одном модуле несколько производительных ядер, которые будут использоваться для производительных задач, в частности, ресурсоемких игр, и некое число энергоэффективных ядер. Последние уменьшат энергопотребление в тех ситуациях, когда пользователь работает с простыми программами. Такой принцип называется big.LITTLE.

3. Тактовая частота

Этот пункт также часто вызывает недоразумения. Частота всегда указывается в герцах. Средний показатель современного чипа: 1.5-2.2 ГГц.

ГГц — расшифровывается как «гигагерц». Гига — миллиард, герц — один цикл в секунду. Частота чипа — это то, сколько операций (или тактов) он способен выполнить в секунду.

Но стоит понимать, что более высокая частота (2,4 ГГц) среднепроизводительного чипа хуже чем средняя частота (1,8 ГГц) производительной системы, если речь идет о сложных задачах.

4. Кэш (сверхоперативная память)

Это миниатюрный модуль, предоставляющий процессору некий объем памяти. Он дает возможность не обращаться каждый раз к оперативной памяти (которая работает медленнее, чем чип) и таким образом увеличить скорость исполнения простых программ.

5. Технологический процесс

Технологический процесс полупроводникового производства определяется разрешающей способностью оборудования для производства. Проще объяснить будет довольно сложно, но если упростить — это разрешение электронного пучка, используемого в литографии.

Флагманские чипы 2018 года выполнены по 10нм процессу, однако уже в конца года ожидается ряд чипов, построенных по 7нм.

Уменьшение разрешающей способности дает возможность уместить ту же систему на физическом кристалле меньшего размера или, соответственно, большую систему на кристалле такого же размера.

Топовые производители

Как мы уже знаем, почти все процессоры построены на архитектуре ARM. Но компания абсолютно лояльно относится ко всем остальным и предлагает им широкие возможности в плане создания собственных решений. Те же Apple и Samsung не просто создают на базе ARM собственные чипы, но даже уникальные версии ядер.

В лидерах по производству однокристальных систем такие компании как Apple (серия Apple A), Qualcomm (Snapdragon), MediaTek (Helio), Samsung (Exynos), Huawei (Kirin).

Некоторое время назад в мобильных устройствах можно было встретить чипы Intel. Этот тот редкий случай, когда вместо архитектуры ARM использовалась x86. Правда, подобное положение вещей создавало проблемы для производителей смартфонов, ведь другая архитектура предусматривает иные принципы работы с софтом, и поэтому часто даже очень оптимизированные игры и программы хуже работали на таких системах. В свое время в пользу Intel свой выбор сделала компания Asus, представившая линейку из трех смартфонов Asus Zenfone 4, 5 и 6, а потом и Zenfone 2 на Intel Atom. На этом эксперимент был окончен, а сейчас Zenfone комплектуется чипами Snapdragon.

Отдельно стоит отметить компанию Nvidia, которая лишь экспериментирует на мобильном рынке, но не пытается с кем-то конкурировать. Nvidia Tegra использовался в минимальном количестве устройств, а сейчас на нем работает портативная консоль Nintendo Switch, и неизвестно, есть ли у компании дальнейшие планы в этом направлении.

Кое-какие шаги в этом направлении предпринимает и китайская Xiaomi. Зимой прошлого года она показала первое поколение Surge S1. Многие ждали продолжения в этом году и ожидали, что он предстанет в Xiaomi Mi A2, но компания пока хранит молчание.

О составляющих на примерах

Теперь, когда мы разобрали, что из себя представляет типичная система на кристалле, из чего она состоит и чем характеризуется, можем рассказать о тех же вещах, но уже называя конкретные имена.

Первым делом речь всегда заходит о ядрах. В случае с процессорами ARM это почти всегда Cortex. Например, в топовом на 2018 год Kirin 970 используются самые производительные ядра ARM Cortex-73. Всего их 4, несмотря на то что система восьмиядерная. Еще 4 ядра — это Cortex-A53, более энергоэффективные. Это тот самый принцип big.LITTLE, когда система включает в себя несколько ядер для разных задач.

Хоть ARM и является повсеместной архитектурой, компания дает возможность сторонним производителям максимально кастомизировать свои чипы. Так, Qualcomm в топовых чипах предлагает собственные решения (основанные на тех же Cortex) — Kryo. У флагманского Snapdragon 845, например, стоит 8 ядер Kryo 385. В данном случае используются одни и те же ядра с разной частотой: для требовательных задач до 2,8 ГГц, а в простых — до 1,8 ГГц.

Со следующими названиями графических ускорителей вы также наверняка знакомы. Qualcomm использует собственную разработку Adreno, у Apple стоят решения от PowerVR, а у всех остальных ARM Mali – разработка той же компании, которой принадлежит архитектура. Возможности каждого ускорителя можно определить количеством ядер, но намного важнее смотреть на поддерживаемые технологии: OpenGL ES 3.2, DirectX 12 и так далее.

В скобочках с уточнением техпроцесса часто указывается название компании, которая производит чипы (Samsung или TSMC).

Названия сетевых модемов вам вряд ли что-то скажут, поэтому всегда смотрите на максимальные показатели скорости, достижимые при их использовании в устройствах.

Тенденции

Тик-так

Большинству интересующихся сферой информационных технологий известно понятие «Тик-так». Это стратегия производства микропроцессоров компании Intel, которая распределена на 2 стадии: «Тик» — уменьшение технологического процесса; «Так» — оптимизация текущего поколения. У топовых производителей мобильных чипов есть аналогичные подходы, которые не так давно были нарушены. Это связано с тем, что изначально каждая стадия должна занимать год, но из-за физических ограничений, связанных с невозможностью так быстро уменьшать техпроцесс, компании работают с одной технологией чуть дольше. К слову, первые 7нм чипы должны показать в конце 2018 года, а вот когда ждать следующего обновления неизвестно.

Искусственный интеллект

Эту тему также эксплуатируют почти все производители.

У Huawei есть NPU (neural processing unit) для задач, связанных с работой нейронных сетей, искусственного интеллекта и так далее. У A11, который имеет приставку Bionic в названии, за это отвечает Neural Engine. А вот у Qualcomm пока нет выделенного решения. За ИИ в чипах компании отвечает сигнальный процессор Hexagon.

В скором времени стоит ожидать появления отдельных модулей даже в среднебюджетных и недорогих чипах. Пока этим может похвастаться лишь Helio P60.

Модем

Здесь речь идет уже больше не о чипах, а о производителях устройств, которые успеют использовать их раньше остальных, застолбив за собой звание первых со связью нового поколения.

Новое поколение связи не только обеспечит большую скорость данных, но и даст возможность использовать режим «device-to-device», минуя сервера. Что касается чипов, то они постепенно начнут появляться сначала в дорогих устройствах, со временем становясь решением для всех.

Резюмируя

В отличие от микропроцессоров, устанавливаемых в компьютеры и ноутбуки, системы на кристалле (SoC) состоят из множества элементов и представляют из себя целые устройства, размещенные, тем не менее, на одной интегральной схеме.

Основные элементы любой такой схемы: процессорный модуль из нескольких ядер, графический процессор, модем, аудиочип и цифровой сигнальный процессор. Достаточно знать только их, чтобы составить впечатление о производительности чипа.

Все современные мобильные системы построены на архитектуре ARM, но сторонние производители добавляют в них собственные элементы, начиная с ядер и заканчивая графическими ускорителями. Двигателями отрасли являются Qualcomm, MediaTek, Huawei, Samsung и Apple.

В конце этого года мы ожидаем появления первых систем, построенных по 7нм техпроцессу, увеличения роли модулей для работы с искусственным интеллектом и перехода на связь нового поколения (5G).

Сегодня мы не будем начинать с того, как важны процессоры и оперативная память, это и так всем понятно. Другой вопрос: «Как это работает?». А еще больше нас интересует то, какое будущее у этих ростков науки? В этой статье мы разберёмся со всеми «непонятками», если вам интересно узнать, из чего состоит оперативная память и процессор, какой их принцип работы и какое будущее нас ожидает, непременно стоит взглянуть. Это уже третий этап нашего изучения аппаратных частей смартфонов и их будущего. На этот раз мы поговорим о процессорах и оперативной памяти. Объединили мы их неспроста, ведь принцип работы очень схож, впрочем, не будем забегать вперед.

Процессоры

Каждый смартфон, как вы знаете, оснащается процессорами, или, как их принято называть, SoC (socket on chip). В смартфонах, как правило, процессор включает в себя видеоускоритель и ряд других компонентов, впрочем, о них мы не так давно писали. За основу, конечно, берут GPU и CPU — устройство, которое служит для обработки логических данных.
В сравнении с первым смартфоном HTC Dream (Google G1), нынешние девайсы ушли далеко вперед. Тогда Dream предлагал нам процессор, работающий на 65-нм техпроцессе с частотой 528 МГц. Сегодня новый Snapdragon 810 демонстрирует публике 20-нм техпроцесс, впрочем, для Samsung с её Exynos 7, работающим на 14-нм техпроцессе, даже это не предел.
Еще стоит уточнить один момент, возьмем Nvidia Tegra 3. Вы наверняка думаете, что на Nexus 7 и HTC One X устанавливаются идентичные? Нет, производители выпускают различные вариации своих процессоров, которые порой заметно различимы в производительности, размерах и так далее.
Процессор состоит из транзисторов, и от того, как много транзисторов можно уместить на площади кремниевой пластины (кремниевая подложка или пластина составляет основу для всего процессора, на ней расположены все транзисторы, сама же пластина изготавливается из песка), зависит размер самих транзисторов, логично. Однако транзисторы настолько малы, что их измеряют в нанометрах. Отсюда и весь смысл этих цифр, то есть что такое 20 нанометров? Это если бы на вашем кончике пальца расположились 5 миллиардов транзисторов. Отметим, процесс создания процессоров настолько серьезен, что при их создании используют цеха, в которых воздух в 1000 раз чище, чем в хирургической операционной, потому что если хоть одна микропылинка попадёт на кремниевую пластину — образец можно выбрасывать.
Однако многих интересует вопрос: «Из чего же состоят эти транзисторы?».

Выше на картинке изображен транзистор, он представляет собой затвор управления и диэлектрик или изолятор, который изолирует его от поверхности кремниевой пластины. Когда на затвор поступает напряжение, он способствует появлению канала, соединяющий сток и исток.
Сегодня очень многое зависит от архитектуры процессора. От того, каким образом проведены соединения между транзисторами, а ведь это не один слой, наносят около 40 слоёв соединений. Процессоры, построенные на разных архитектурах, имеют различные соединения, которые еще принято называть шинами. Каждый год производители ищут новые пути для создания более технологичных архитектур. Например, Apple не так давно представила чип A8X, который является собственной разработкой компании и включает в себя трехъядерный CPU и восьмиядерный GPU, что даёт в сумме около трех миллиардов транзисторов.

NAND-память

Принцип её работы очень схож с тем, что мы видели чуть выше. Перед нами также кремниевая пластина, однако теперь между затвором управления и диэлектриком пластины расположился плавающий затвор, который имеет отрицательный заряд, он-то и стал «ахиллесовой пятой», ведь именно он определяет принцип работы памяти, именно в нем хранятся данные, а изоляция позволяет ему хранить заряд очень долгий период времени.
Существует два вида или, правильнее сказать, уровня памяти, первый может принимать лишь два значения: когда плавающий затвор не имеет положительного заряда, и наоборот, имеет. В случае, если имеет, то говорят, что транзистор хранит в себе один бит информации, и, соответственно, если не имеет заряда, то ничего в себе он не хранит. Отсюда получаем два возможных значения: 0 и 1. А вот мультиуровневая память может принимать множество различных значений, это позволило хранить больше памяти при том же объеме, однако это и создало ряд проблем, включая большое количество ошибок в момент чтения/записи данных из-за слишком маленькой разницы между уровнями.
Существует также CT-память (CFT), в которой вместо плавающего затвора используется отрицательно заряженная тонкая пленка, у нее много преимуществ, в том числе большие ёмкости при тех же габаритах, небольшие производственные затраты и невысокая цена. И время такой памяти уже, можно сказать, наступило, так как 20 нанометров — это некий предел для NAND-памяти, при более низких показателях возникнут различные ошибки при чтении/записи данных.

3D NAND-память

Данная технология была разработана в 2013 году компанией Samsung, более того, 3D NAND-память уже увидела свет на рынке в лице серии SSD Samsung 850. Память, построенная на данной технологии, более надежна, способна хранить больше информации, и её разработка обходится заметно дешевле. Удалось решить и проблемы, связанные с уменьшением размера транзисторов ниже 20 нанометров.

PC-память (Phase Change Flash)

IBM и Western Digital поработали на славу, продемонстрировав миру первые разработки PCF SSD. Отличительной особенностью стала скорость чтения/записи данных, которая варьируется, согласно коллегам из androidcentral, от 70 до 1 миллисекунды. В отличие от NAND-памяти, транзисторы в PCF не испытывают помех при значениях, не превышающих 20 нанометров.

Энергонезависимая магнитная оперативная память (MRAM)

Магнитные ленты использовались около века назад, однако сегодня, похоже, возрождение технологии неизбежно. С помощью магнитной памяти силами компании Everspin удалось уменьшить время чтения и записи до очень небольших показателей (небольшие десятичные значения). И если раньше это было лишь в теории, сегодня компания начала их производство, кто знает, может, совсем скоро именно магнитные свойства станут основой хранения всех данных современного человека, возвращаемся к истокам.

LPDDR4

LPDDR4 уже не новшество, более того, первые смартфоны на базе LPDDR4 совсем скоро появятся на прилавках магазинов. А всё благодаря Samsung, которая и затеяла всю игру, впрочем, затея привела к увеличению скорости передачи данных на 50%, потребление энергии снизилось на 40%. Первыми подобную память получат LG G Flex 2 и Xiaomi Mi Note Pro. Нет, Asus Zenfone 2 работает на LPDDR3-памяти.

20 нанометров. Кто меньше?

Как упоминалось выше, производство NAND-памяти зашло в тупик, вы не сможете создать память с транзисторами, по размерам менее 20 нанометров, всё упирается в законы физики. При создании транзисторов используют фотолитографию, с помощью которой гравируют поверхность кремниевых пластин, на которые перед этим наносят различные химикаты, нынешние технологии используют такие источники света, длина волны которых при транзисторах, размером менее 20 нанометров, равна длине зазора так называемого шаблона, что способствует рассеиванию света.
Однако «экстремальная ультрафиолетовая литография» позволила увеличить длину волны света таким образом, чтобы достигнуть значения в 13,5 нанометра. Показатель впечатляет, но пока это предел.
Предыдущие статьи цикла «Будущее смартфонов»:
Аккумуляторы
Дисплеи

За несколько десятилетий вычислительные машины стремительно эволюционировали. Многокомнатные релейные, ламповые и транзисторные монстры уступили дорогу куда более совершенным устройствам, собранным из полупроводниковых микросхем. Благодаря миниатюрности, надежности, малому энергопотреблению и невысокой стоимости компьютеры проникли во все сферы быта – от телефонов до стиральных машин. Но развитие на этом не остановилось. И если средневековые схоласты спорили о том, сколько ангелов может поместиться на острие иглы, инженеры будущего наверняка смогут разместить там полнофункциональный мобильный компьютер. Впрочем, и современные достижения микроэлектроники весьма впечатляют.

Высокоинтегрированные системы

Традиционные мобильные платформы, состоящие из микросхем системной логики (чипсета) и процессора, размещенных на системной плате, годятся для ограниченного круга устройств, прежде всего ноутбуков и нетбуков. Однако есть целый класс сверхмобильных аппаратов, которым в качестве платформы требуется нечто более компактное и менее энергопотребляющее. Среди них – планшетные компьютеры, смартфоны, ультракомпактные нетбуки и всевозможные специализированные гаджеты (навигаторы, MP3- и MP4-плееры и т.д.). В основе – сверхмобильная платформа, которая чаще всего представляет собой так называемую систему на кристалле (System-on-a-Chip, SoC). Это в буквальном смысле самодостаточная система, объединяющая разнообразные устройства (процессоры, память, контроллеры интерфейсов и многое другое) и выполненная в виде единой микросхемы (кристалла).

Краеугольным камнем SoC является особый центральный процессор со сверхнизким энергопотреблением. В отличие от процессоров для ПК, в которых применяется разработанная Intel архитектура х86, процессоры мобильных платформ в подавляющем большинстве случаев используют архитектуру ARM, позволяющую создавать пусть менее производительные, зато более экономичные и компактные устройства.

Самыми известными производителями процессоров данной архитектуры являются фирмы Qualcomm, Marvell, Apple и Samsung. Их разработки используются не только в мобильных устройствах собственного производства, например Apple iPhone, но и в изделиях сторонних производителей, таких как HTC или Nokia.

Несмотря на жесткие технические ограничения, задаваемые «ультракомпактными» условиями эксплуатации, частоты современных одночиповых систем уже смогли превысить знаковый рубеж 1 ГГц. Такая производительность вовсе не является избыточной – она нужна прежде всего для плавного воспроизведения насыщенного технологией flash-контента – в частности, многих интернет-сайтов.

В ближайшее время ведущими разработчиками ARM-процессоров запланирован массовый переход на двухъядерную архитектуру с дальнейшей перспективой внедрения полноценной многоядерности.

В связке с процессором работает графическое ядро, также разработанное с учетом максимальной экономичности. Впрочем, современные мобильные графические ядра способны не только выводить элементы интерфейса на экран, но и воспроизводить видео стандартов высокой четкости (HD-видео), а также брать на себя расчеты сложной трехмерной графики, использующейся в разнообразных популярных 3D-играх.

Хотя новейшие решения класса ARM Mali 400, NVIDIA GeForce ULP (Tegra 2) или Imagination PowerVR SGX540 по своим графическим и иным возможностям уступают настольным аналогам, однако вполне сопоставимы с видеопроцессорами, применяющимися в таких популярных игровых приставках, как Microsoft Xbox 360 и Sony PlayStation 3. Недаром в последнее время появилось множество динамичных трехмерных игр с впечатляющей графикой и сложными спецэффектами.

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

Как в любой компьютерной системе, одним из обязательных элементов SoC является оперативная память. Преимущественное распространение получил тип памяти LPDDR (Low Power Double Data Rate – память с низким энергопотреблением и удвоенной скоростью передачи данных). Несмотря на сходство с названиями DDR2 и DDR3, новый тип памяти несовместим с этими стандартами напрямую из-за примененных в LPDDR многочисленных микроархитектурных решений, призванных существенно снизить энергопотребление.

Типичный объем оперативной памяти в современных мобильных устройствах за последнее время существенно возрос (с 128 до 512 Мб–1 Гб) и фактически соответствует объему ОЗУ настольных ПК трех-четырехлетней давности, позволяя использовать новейшие мобильные операционные системы и приложения, которые по своей функциональности мало в чем уступают настольным аналогам.

ДИСПЛЕИ

В современных гаджетах применяются сенсорные дисплеи двух типов: емкостные и резистивные. Первые обладают более высокой прозрачностью и, следовательно, требуют менее мощной подсветки для обеспечения высокой яркости и контрастности – это положительно сказывается на энергопотреблении, позволяя увеличить время автономной работы мобильного устройства. Кроме того, емкостные экраны лучше реагируют на легкое касание пальцем, тогда как для четкого срабатывания резистивного экрана требуется некоторое усилие при нажатии – оптимальным является ввод с помощью стилуса. Впрочем, в 2008 году компания HTC разработала и запатентовала электронное перо для работы с емкостными экранами, специально предназначенное пользователям, привыкшим к управлению с помощью стилуса и не желающим переходить на «пальцевый» метод.

Дополнительным преимуществом емкостных экранов является возможность определения нескольких нажатий сразу (технология Multitouch). Типичный размер экрана для планшета составляет 7–10 дюймов (18–25 см) по диагонали, с разрешающей способностью от 800х480 до 1280×800 точек. У смартфонов и медиаплееров диагональ равна, как правило, 3–4 дюймам (7–10 см), а разрешение экрана варьируется от скромных 320х200 до впечатляющих 960х640 точек (Retina display в новых iPhone и iPod touch).

ОC ДЛЯ СВЕРХМОБИЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ

Несколько слов об операционных системах, используемых в составе высокоинтегрированных мобильных платформ. Одна из старейших мобильных ОС – Symbian – формально является самой авторитетной на рынке, но стремительно теряет популярность под натиском молодых и перспективных конкурентов. По последним статистическим отчетам, быстрее всех распространяется операционная система Android, разработанная и внедряемая компанией Google.

Буквально за два года эта ОС получила широчайшую известность и уверенно отвоевывает позиции в самых разных устройствах: от смартфонов и коммуникаторов до нетбуков и планшетов. И, несмотря на то что новая версия Android с заявленной официальной поддержкой планшетов (Android 3.0 Honeycomb) находится пока в стадии разработки, производители не стесняются использовать в своих устройствах ее смартфонную версию.

Уступает позиции и BlackBerry OS, разрабатываемая компанией Research In Motion (RIM). Впрочем, в выпущенной летом 2010 года версии 6.0 появились многочисленные нововведения (возможность одновременного управления с помощью трекбола, аппаратной клавиатуры и сенсорной панели, обновленный браузер, поддержка HTML5 и др.), с помощью которых производитель надеется догнать конкурентов.

На четвертом месте – операционная система от Apple под названием iOS, получившая массовое распространение благодаря огромной популярности таких мобильных устройств, как iPhone, iPod touch и, конечно, iPad. Раньше продукты Apple считались нишевыми и имиджевыми, предназначались узкой аудитории поклонников «яблочной» фирмы; сегодня же Apple стала законодателем мод, а порой выступает первопроходцем.

Пытается идти в ногу со временем и такой столп программной индустрии, как Microsoft. В 2010 году компания выпустила совершенно новую и перспективную операционную систему Windows Phone 7, призванную заменить теряющую популярность Windows Mobile (к сожалению, русифицированная версия пока не выпущена). Сенсацией стало официальное заявление компании Nokia о прекращении поддержки Symbian и переходе на новую операционную систему от Microsoft.

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ

Разработкой систем на кристалле занимаются более десятка крупных фирм, но лишь некоторые из решений получили распространение на быстро растущем рынке мобильных устройств. Как уже упоминалось, в подавляющем большинстве SoC используются процессоры архитектуры ARM. Следует отметить, что производители, как правило, не разрабатывают процессоры самостоятельно, а лицензируют готовые модификации архитектуры у компании ARM. Каждый SoC-процессор собирается индивидуально, под конкретные задачи и условия применения, из готовых блоков-«кубиков», обеспечивающих необходимую функциональность с учетом требуемых характеристик. По такой схеме работают компании Texas Instruments, ST-Ericsson, Samsung, Freescale, Apple.

Собственной разработкой процессоров, помимо «материнской» компании ARM, занимаются Qualcomm (SnapDragon) и Marvell (XScale). Несмотря на то, что в составе новой платформы Tegra 2 еще используется «стандартный» процессор на ядре Cortex, компания NVIDIA недавно приобрела полную (full-custom) лицензию на архитектуру ARM, чтобы иметь возможность создать процессор следующего поколения на основе собственного дизайна. Наиболее актуальными сегодня являются мобильные процессоры на базе ядер ARM11 (применяются в составе Apple iPhone 2G, iPod touch первых двух поколений, HTC Dream, Nintendo 3DS и др.) и Cortex-A8 (iPhone 3GS, iPhone 4, iPad, семейство Samsung Galaxy Tab, Google Nexus S, LG Optimus 2X и др.).

APPLE A4/A5

Начнем рассмотрение возможностей платформ в алфавитном порядке – с компании Apple. До недавнего выхода iPad 2 последним продуктом компании являлась платформа Apple A4. В ее основе – разработанный совместно с Samsung одноядерный процессор S5L8930 на архитектуре ARM Cortex-A8. Частота процессора достигает значения 1000 МГц для iPad и 800 МГц для iPhone 4. Мощности вполне достаточно, чтобы снимать и воспроизводить HD-видео стандарта 720p, обеспечить отзывчивую работу и плавную прорисовку интерфейса.

Платформа поддерживает память типа LPDDR, в одноканальном режиме подключенную по специальной скоростной шине AMBA 3 AXI шириной 64 бит. Типичный устанавливаемый по технологии PoP (в едином корпусе, но не на одном кристалле!) объем памяти 256–512 Мб вполне достаточен для текущих запросов мобильных приложений.

На кристалле также интегрирован видеопроцессор PowerVR SGX 535 от компании Imagination, поддерживающий API OpenGL ES версии 2.0. Данный графический процессор, несмотря на немолодой по современным меркам возраст, способен поддерживать игры с достаточно сложной 3D-графикой и спецэффектами на основе шейдеров второго поколения. Кстати, идентичное идеоядро применялось в одном из первых в мире нетбуков ASUS Eee PC – Intel GMA500 IGP.

В зависимости от модели платформа оснащается сторонними модулями Wi-Fi стандартов 802.11a/b/g/n, Bluetooth 2.1+EDR, GPS и HSDPA/Edge. Для хранения данных и операционной системы в состав платформы входит 8–64 Гб энергонезависимой памяти типа NAND. Традиционно для продукции Apple присутствуют акселерометр, гироскоп, магнитный компас и датчик освещения, управляющий яркостью подсветки. В качестве операционной системы используется только «родная» ОС от Apple – iOS 4 (бывшая iPhone OS).

Кстати, нередко отмечаемые недостатки устройств на данной платформе, отсутствие поддержки технологии Adobe Flash, кард-ридера или USB-порта являются следствием идеологии компании, а отнюдь не техническими недоработками.

В начале марта нынешнего года компания Apple смогла порадовать поклонников выпуском новейшей платформы Apple A5. В данный момент она используется в планшете iPad 2, и, вероятнее всего, на ее основе будут представлены новые iPhone и iPod пятого поколения. Процессор, как и для платформы А4, разрабатывался совместно с компанией Samsung. Он основан на модифицированной архитектуре ARM Cortex A9, имеет частоту 1ГГц и теперь уже два ядра. Память типа LP DDR2 стала работать на более высокой частоте 1066 МГц. В качестве видеопроцессора применяется новый PowerVR SGX543, в несколько раз превосходящий по мощности прежнее решение. Несмотря на значительно возросшую мощность процессора и видеоядра, разработчикам Apple удалось сохранить экономичность платформы на прежнем уровне.

MARVELL ARMADA

Следующей по списку идет SoC-платформа от Marvell. Выкупив в свое время у Intel подразделение XScale, эта компания сегодня одна из немногих самостоятельно занимается проектированием и разработкой процессоров данной архитектуры.

Модельный ряд серий PXA и Armada 100 был весьма популярен у производителей смартфонов и электронных книг, выделяясь среди конкурентов высокой энергоэффективностью, наличием модуля Wireless MMX (аналог NEON) и быстрой 2D-графики, позволяющей осуществлять плавную прокрутку и масштабирование.

На сегодня наиболее актуальной является платформа Armada 500, предназначенная для нетбуков и смартбуков. Она базируется на процессорном ядре Dove (88AP510) архитектуры ARMv7 (аналог процессоров Cortex) собственной разработки. Частотный диапазон – в пределах 1000–1250 МГц. Процессор оснащен дополнительным блоком для быстрого расчета векторных операций (VFP), модулем декодирования HD-видео стандарта 1080р и производительным 3D-видеоядром, поддерживающим ускорение технологии Adobe Flash.

Судя по последним анонсам, компания ARM всерьез планирует вскоре выйти на серверный рынок с новыми четырехъядерными процессорами Armada XP. Обновленный контроллер памяти будет в состоянии работать с обоими современными типами мобильной ОЗУ: LPDDR2/DDR3. Заявлена поддержка всех востребованных на сегодняшний день внешних интерфейсов: USB 2.0, SATA 2, PCI Express, Gigabit Ethernet и др. Из беспроводных адаптеров названы Wi-Fi 802.11a/b/g/n, WiMAX, 3G modem и Bluetooth. Наконец, данная платформа рассчитана на работу с множеством операционных систем: Android 3.0, Chrome OS, Ubuntu Linux, Windows Phone 7.

NVIDIA TEGRA/TEGRA 2

Поговорим теперь о разработках сравнительно нового, но весьма амбициозного игрока – NVIDIA. Первый блин «видеокарточной» компании традиционно вышел комом. Платформа Tegra не получила сколько-нибудь широкого распространения, несмотря на вполне приличные характеристики, в частности мощное видеоядро (в этой сфере позиции NVIDIA весьма сильны). Большинство анонсированных устройств на первой Tegra так и не попало в широкую розницу или было попросту отменено.

Иная судьба, похоже, ожидает новую платформу Tegra 2. В ее составе мощный современный двуядерный процессор ARM Cortex-A9 с частотой до 1 ГГц на ядро. Платформа поддерживает 1 Гб оперативной памяти, причем как мобильной LPDDR2, так и обычных модулей DDR2-667. Новое производительное 3D-видеоядро GeForce ULP опережает ближайших конкурентов на 30% и по мощности вполне сравнимо с «настольным» аналогом GeForce 9300. Поддерживаются одновременный вывод на два дисплея, стандартные видеовыходы CRT и HDMI 1.3, а также аппаратное кодирование и декодирование всех форматов видео, включая HD.

Помимо этого, выделен отдельный медиапроцессор для обработки звука и сигнала с цифровых камер (масштабирование, поворот, автофокус и т.п.) с разрешением до 12 Мпикс. Поддерживаются все актуальные на сегодняшний день интерфейсы: USB 2.0, SATA, кард-ридеры и др. Сетевые возможности, включая Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth, в платформу не интегрированы и реализуются с помощью дополнительных сторонних контроллеров.

В настоящее время анонсировано немало перспективных устройств на основе Tegra 2: планшеты LG Optimus Pad, Samsung Galaxy Tab II и ASUS Eee Pad Transformer, выпущенный недавно смартфон LG Optimus 2X и т.д. О намерении использовать данную платформу официально заявили такие крупные компании, как Acer, Dell, Toshiba, ViewSonic.

Отметим, что платформы от NVIDIA поддерживают все популярные мобильные операционные системы: Android, Chrome OS, Windows Mobile, Windows Phone 7, MeeGo.

QUALCOMM SNAPDRAGON

На очереди еще один из самостоятельных Full-custom-разработчиков SoC-платформ – компания Qualcomm. Семейство платформ Snapdragon основано на процессорах Scorpion собственной разработки по спецификациям аналогичных ARM Cortex-A8 и представляет новый этап их развития.

Современные высокоинтегрированные процессоры Scorpion имеют в своем составе два производительных ядра с частотным потолком до 1500 МГц. Центральный процессор усилен блоком VPF, ускоряющим вычисления с векторами и дробными числами. Встроенный контроллер памяти поддерживает LPDDR первого поколения, работающую в двухканальном режиме.

Видеоподсистема Adreno 220, ведущая родословную от графического ядра, применяемого в игровой приставке Microsoft Xbox360 Xenos, обеспечивает производительность в 3D-приложениях на вполне конкурентоспособном уровне.

С помощью специального блока видеопроцессор без проблем справляется с воспроизведением форматов высокой четкости без привлечения вычислительной мощности основного процессора, что положительно сказывается на экономии энергии при просмотре видео.

Особенностью платформы Snapdragon является наличие огромного количества встроенных сетевых контроллеров с поддержкой всех возможных технологий беспроводной связи: GSM, GPRS, EDGE, UMTS/WCDMA, HSDPA, HSUPA, MBMS, CDMA2000 и пр.

На основе платформы от Qualcomm собраны такие популярные модели мобильных устройств, как HTC HD2, HTC Desire HD, HTC Inspire, Sony Ericsson Xperia, LG Revolution, HP TouchPad и др.

TI OMAP 4/OMAP 5

Последней платформой, о которой пойдет речь в нашей статье, будут популярные семейства OMAP 4 и OMAP 5 от компании Texas Instrument. Четвертая серия OMAP базируется на двухъядерных процессорах ARM Cortex-A9 с частотой до 1500 МГц и оснащена спецблоками TrustZone и NEON. Платформа выгодно отличается от конкурентов наличием двухканального контроллера памяти с поддержкой LPDDR2. В состав также входит мощное видеоядро PowerVR SGX540 от Imagination Technologies, мало в чем уступающее разработкам NVIDIA. Реализованы поддержка OpenGL ES 2.0 и аппаратная обработка Full HD 1080p.

Данная платформа положена в основу весьма продвинутых устройств – RIM BlackBerry Playbook и LG Optimus 3D.

Еще более перспективной выглядит платформа OMAP 5. В ней будут задействованы уже четырехъядерные процессоры Cortex-A15 с частотой не менее 2000 МГц. Видеоподсистема оснащена последним многоядерным решением PowerVR SGX544MP, позволяющим существенно поднять планку производительности в 3D-играх и поддерживающим одновременный вывод сразу на четыре дисплея.

Конкуренцию OMAP 5, судя по всему, сможет составить только будущая Tegra 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нетрудно заметить, что платформа каждого производителя имеет свои сильные стороны. Продукция Apple отличается сбалансированностью и отлично отлаженной операционной cистемой, плюс огромный выбор ПО. Платформы от Marvell обладают высокой экономичностью. NVIDIA сильна графическими решениями. Фирма Qualcomm разрабатывает высокопроизводительные процессоры и оснащает свои платформы серьезной поддержкой сетевых протоколов. А компании Texas Instrument чаще других удается воплотить в кремнии самые последние разработки в области архитектуры. В итоге у покупателя всегда есть выбор и возможность приобрести устройство, наиболее полно отвечающее его запросам.

Но не это главное. Как и в живой природе, многообразие видов порождает конкуренцию, конкуренция ведет к естественному отбору – а это одно из ключевых условий эволюции, или, в нашем случае, научно-технического развития. Именно это позволяет надеяться на то, что в обозримом будущем мы сможем увидеть полнофункциональные компьютеры в наручных часах, мобильные телефоны в серьгах и прочие шедевры миниатюризации.