Blocs de construction mobiles 2014: noyaux mobiles

Chaque année, après le CES et le Congrès mondial de la téléphonie mobile, je réfléchis aux annonces des salons et à leur signification pour l'avenir des processeurs d'applications mobiles. Nous avons certainement assisté à des développements intéressants, notamment un ensemble d'annonces de puces 64 bits, dont certaines sont davantage destinées aux téléphones de milieu de gamme, mais les nouvelles puces 32 bits semblent être le sujet de conversation le plus populaire dans le haut de gamme..

Presque toutes les entreprises qui fabriquent des puces parlent d’améliorations graphiques - avec d’énormes gains de performances - et parlent toutes de cœurs multiples, les puces à 4 et même à 8 coeurs devenant une routine. Ce que nous n’avons pas encore vu, ce sont des processeurs d’applications majeurs construits avec la technologie 20 nm (à l’exception de ceux d’Intel, qui contrôlent la conception et la fabrication de ses puces), ni de nouvelles puces 64 bits haut de gamme de la plupart des lecteurs. En conséquence, les changements que nous allons probablement voir dans les puces pour les téléphones haut de gamme au cours des prochains mois pourraient ne pas être considérables, même si les téléphones de milieu de gamme et bas de gamme se rattrapent.

Je discuterai des détails des principaux composants plus tard cette semaine, mais je voudrais commencer par parler des éléments de base de la création de processeurs d’application. Contrairement au monde des ordinateurs personnels, les fabricants de tels processeurs ont tendance à utiliser au moins une partie de la propriété intellectuelle, qu'il s'agisse de licences architecturales ou de cœurs complets, pour créer leurs produits. Rappelez-vous qu’un processeur d’applications typique comprend aujourd’hui un processeur, un cœur graphique, souvent un modem en bande de base, et une multitude d’autres fonctionnalités; et de nombreux fabricants concèdent sous licence l’architecture du processeur, les graphiques, voire les deux. Un fabricant de processeurs typique associe ces fonctionnalités, à la fois celles créées par lui-même et celles sous licence, pour concevoir une puce spécifique pour un marché cible. Dans cet article, je parlerai de l'architecture du processeur, puis de demain avec une autre sur la conception graphique.

Les nombreuses saveurs des conceptions ARM

La grande majorité des processeurs d'applications mobiles que vous voyez aujourd'hui exécute une variante de l'architecture ARM. En fait, sur tous les marchés, ARM affirme que plus de 50 milliards de processeurs utilisant sa technologie ont été vendus, dont plus de 10 milliards en 2013 seulement. Les marchés des téléphones et des tablettes en sont une partie importante, ARM affirmant que 95% des smartphones du monde utilisent une version de son architecture, mais les processeurs ARM sont également présents dans de nombreux autres produits.

Mais il est important de comprendre qu'ARM ne vend pas réellement de processeurs. au lieu de cela, il vend de la propriété intellectuelle - y compris les conceptions principales et l'architecture sous-jacente de base, utilisée par plusieurs fournisseurs de puces, notamment Apple et Qualcomm, pour créer des cœurs uniques. L'utilisation d'une architecture commune - le jeu d'instructions - permet un certain degré de compatibilité et facilite donc l'exécution de logiciels sur des puces de plusieurs sociétés.

Nous voyons actuellement deux architectures ARM de base dans les processeurs mobiles: la version ARMv7 32 bits et la version ARMv8 64 bits.

ARMv7 est la norme sur le marché de la téléphonie depuis des années. Il s'agit d'une conception 32 bits utilisée dans divers cœurs (y compris les conceptions Cortex-A9, A7 et A15 d'ARM, ainsi que l'architecture "Krait" de Qualcomm et les cœurs utilisés dans les processeurs Apple antérieurs à l'A7). Le Cortex-A9 a été incroyablement populaire, mais ses jours semblent comptés. Cette année, nous voyons davantage de conceptions comprenant un Cortex-A7 plus petit et plus économe en énergie; ou un Cortex-A15 plus puissant, offrant des performances supérieures; ou une combinaison des deux dans ce que ARM appelle sa configuration "big.LITTLE".

Le Cortex-A7 est en fait très petit (moins d’un demi-millimètre carré sur un processus de 28 nm) et a été conçu pour utiliser beaucoup moins d’énergie; moins de 100 milliwatts, contre 200 à 300 milliwatts pour un A9 et jusqu'à 500 milliwatts pour un A15. Cortex-A15 ajoute la prise en charge d'un espace d'adressage physique de 40 bits, bien que les applications individuelles ne puissent accéder qu'à 32 bits. L’été dernier, ARM a présenté l’A12, censée remplacer l’A9, affirmant qu’elle était jusqu’à 40% plus rapide que l’A9 et qu’elle s'insérerait dans l’espace entre l’A7 et l’A15. Plus tôt cette année, la société a annoncé une version améliorée appelée Cortex-A17, qui devrait offrir une meilleure efficacité et des performances supérieures de 60% à celle du Cortex-A9. (Jusqu'à présent, seuls MediaTek ont ​​annoncé un processeur de téléphone et Realtek, un processeur de télévision utilisant l'A17.) ARM estime que l'A17 est le dernier de ses modèles 32 bits et qu'il est destiné à durer longtemps, dans des applications telles que produits grand public, tandis que la majeure partie du marché de la téléphonie mobile passe finalement aux conceptions 64 bits.

Un certain nombre de sociétés ont combiné les A7 et A15 (ou plus récemment, les A7 et A17) dans cette combinaison big.LITTLE, qui permet à une puce de fonctionner la plupart du temps avec des cœurs de puissance inférieure et de passer à la puissance supérieure. les cœurs quand il a besoin de performances supplémentaires, peut-être lors de l'exécution d'un calcul complexe dans un jeu, ou même du JavaScript compliqué dans une page Web. Dans certaines de ces conceptions, le bloc de cœurs A7 ou celui de A15 peuvent être actifs en même temps; dans d'autres, tous les noyaux peuvent fonctionner en même temps.

Là encore, il semble probable que la plupart des futures puces mobiles conçues avec des cœurs ARM passeront à l’architecture 64 bits, même si cela semble être le cas au tout début de cette migration. Le jeu d'instructions ARMv8 semble être utilisé dans le processeur A7 d'Apple, qui se trouve dans l'iPhone 5s et l'iPad Air, et devrait également figurer dans un certain nombre d'autres conceptions propriétaires. Et bien sûr, ARM a annoncé l'utilisation de cette architecture sur deux cœurs: un Cortex-A53 plus petit et un Cortex-A57 plus puissant, offrant à nouveau la possibilité de les combiner dans une configuration big.LITTLE. La version 64 bits est compatible avec les versions antérieures, mais comprend des registres plus volumineux pour les instructions générales et des instructions sur les supports (ce qui pourrait accélérer les opérations), ainsi que la prise en charge de la mémoire au-delà de 4 Go (particulièrement important dans les applications serveur). et de nouvelles instructions de cryptage et de cryptographie.

Le noyau Cortex-A53 est un peu plus avancé, avec des sociétés telles que MediaTek, Qualcomm et Marvell, qui annoncent toutes des puces avec plusieurs cœurs A53. ARM dit espérer que les premiers jetons de ce type sortiront cet été. L'A57 devrait être nettement plus puissant et ARM s'attend à ce que les puces mobiles dotées de ce noyau soient disponibles plus tard dans l'année. (AMD a annoncé une puce de serveur utilisant l’architecture A57, qui devrait entrer en production à la fin de l’année.)

ARM propose également un nombre beaucoup plus petit de cœurs utilisés dans les microcontrôleurs et autres périphériques de sa série M; ceux-ci ne feraient pas fonctionner seuls les processeurs d'applications, mais pourraient être utilisés dans de nombreuses autres puces de l'écosystème mobile et sont de plus en plus utilisés pour rendre les SoC mobiles plus intelligents. Par exemple, le SoC A7 d’Apple est doté d’un coprocesseur de mouvement M7, apparemment basé sur le processeur ARM Cortex-M3 et fabriqué par NXP, et le SoC Motorola X8 du Moto X associe un processeur double cœur Snapdragon S4 Pro à deux processeurs basse consommation. DSP Texas Instruments pour le traitement du langage naturel et l’informatique contextuelle.

Comme mentionné précédemment, un certain nombre de sociétés possèdent ce que l'on appelle une "licence architecturale", ce qui leur permet de créer leurs propres cœurs à l'aide du jeu d'instructions, ce qui leur permet de créer des puces qui se démarquent sur le marché grâce à de meilleures performances, gestion de l'alimentation, ou les deux. Il s'agit notamment de sociétés telles que Qualcomm, Marvell, Nvidia et Apple. D'autre part, proposer des cœurs standard permet aux entreprises de créer des conceptions plus rapidement et plus facilement. De nombreuses entreprises disposant d'une licence d'architecture utilisent des cœurs ARM standard dans certains produits. Notamment, Qualcomm dispose maintenant de certaines versions de sa gamme de processeurs Snapdragon qui utilisent ses cœurs Krait, tandis que d’autres utilisent des cœurs ARM standard.

Intel et MIPS offrent des alternatives

Si ARM continue de dominer le marché des processeurs mobiles, Intel a également beaucoup progressé, même si la plupart de ses succès ont été obtenus avec des tablettes fonctionnant sous Windows et quelques-unes sous Android. L'offre actuelle d'Intel semble davantage cibler les tablettes que les téléphones, bien que la société dispose de deux nouveaux processeurs qui semblent mieux adaptés aux téléphones sortants plus tard cette année (dont je parlerai plus tard lorsque j'entrerai en contact avec des processeurs de sociétés spécifiques). Sur la scène mobile, Intel repousse sa gamme de processeurs Atom, bien que certaines tablettes Windows utilisent la grande famille Core également utilisée dans les ordinateurs portables et les ordinateurs de bureau.

Toujours dans la famille x86, AMD a montré certaines tablettes exécutant ses processeurs x86 à faible consommation. Encore une fois, je discuterai des détails plus tard quand je parlerai des fabricants spécifiques. Bien entendu, dans les deux cas, les processeurs exécutent la version complète de Microsoft Windows, bien que les deux sociétés s’adressent désormais également à Android. Intel, en particulier, a fait beaucoup pour que Android fonctionne de manière native sur ses puces, tandis qu'AMD s'est davantage concentré sur l'émulateur BlueStacks pour ses produits x86, alors qu'il se prépare également à lancer des puces compatibles ARM plus tard cette année.

Une autre option serait les processeurs MIPS, une famille de processeurs RISC acquise par Imagination Technologies il y a un peu plus d'un an. MIPS propose depuis quelque temps une architecture 64 bits dans le cadre de sa gamme de cœurs Aptiv. Plus tôt cette année, la société a annoncé sa génération de processeurs "Warrior" série 5, qui comprend trois classes de processeurs MIPS - la série M pour les marchés intégrés, la classe I conçue pour des périphériques très intégrés à haute efficacité; et la classe P conçue pour plus de performances, y compris les processeurs d'applications. Les nouvelles fonctionnalités incluent la prise en charge intégrée des graphiques OpenCL et une sécurité améliorée. Imagination indique que ces puces utilisent jusqu'à 40% moins de surface que leurs concurrents, avec un meilleur multithreading pour une utilisation multicœur.

Les processeurs MIPS ont eu beaucoup de succès sur un certain nombre de marchés, y compris les processeurs de réseau et autres applications en temps réel et décodeurs, mais nous ne les avons pas vus jusqu'à présent dans de nombreuses tablettes ou smartphones traditionnels. Une société chinoise appelée Ingenic possède une ligne de processeurs exécutant l'architecture Xburst basée sur le noyau MIPS antérieur, utilisé dans certaines tablettes Android. Il y a quelque temps, j'en ai essayé une, mais la société qui l'a fabriquée semble désormais se concentrer sur les tablettes ARM. Néanmoins, il est possible que MIPS soit un concurrent dans le futur, en particulier avec sa nouvelle gamme de cœurs.