Mobile building blocks 2014: núcleos móveis

Todos os anos após a CES e o Mobile World Congress, reflito sobre os anúncios dos programas e o que eles significam para o futuro dos processadores de aplicativos móveis. Certamente, vimos alguns desenvolvimentos interessantes, incluindo um conjunto de anúncios de chips de 64 bits, alguns dos quais voltados mais para telefones de médio alcance, mas os novos chips de 32 bits pareciam ser o tópico mais popular de conversação no topo de linha.

Quase todas as empresas que fabricam chips estão falando de gráficos melhores - com enormes ganhos de desempenho - e todos estão falando de múltiplos núcleos, com chips de 4 e 8 núcleos agora se tornando rotina. O que ainda não vimos são os principais processadores de aplicativos criados com a tecnologia de 20 nm (exceto os da Intel, que controlam o design e a fabricação de seus chips), nem os novos chips de 64 bits de ponta da maioria dos players. Como resultado, as mudanças que provavelmente veremos nos chips para os telefones mais sofisticados nos próximos meses podem não ser enormes, mesmo quando os telefones de gama média e baixa alcançam.

Discutirei os detalhes dos principais chips ainda esta semana, mas gostaria de começar falando sobre os blocos de construção básicos que vão para a criação de processadores de aplicativos. Diferentemente do mundo dos PCs, em geral, os fabricantes desses processadores tendem a usar pelo menos alguma propriedade intelectual (IP), licenças de arquitetura ou núcleos completos, na criação de seus produtos. Lembre-se de que atualmente um processador de aplicativos típico inclui uma CPU, núcleo gráfico, geralmente um modem de banda base e uma série de outros recursos; e muitos fabricantes licenciam a arquitetura da CPU, gráficos ou potencialmente ambos. Um fabricante de processador típico combinará esses recursos, tanto os que eles mesmos criam como os que licenciam, para projetar um chip específico para um mercado-alvo. Neste post, falarei sobre a arquitetura da CPU e seguirei amanhã com uma sobre design gráfico.

Os Muitos Sabores dos Projetos ARM

A grande maioria dos processadores de aplicativos móveis que você vê hoje executa alguma variante da arquitetura ARM. De fato, em todos os mercados, a ARM alega que foram vendidos mais de 50 bilhões de processadores usando sua tecnologia, com mais de 10 bilhões vendidos apenas em 2013. Os mercados de telefones e tablets são uma parte significativa disso, com a ARM alegando que 95% dos smartphones do mundo executam alguma versão de sua arquitetura, mas os processadores ARM também estão em muitos outros produtos.

Mas é importante entender que o ARM não vende processadores; em vez disso, vende IP - incluindo projetos de núcleo reais e a arquitetura básica subjacente, que vários fornecedores de chips, incluindo Apple e Qualcomm, usam para criar núcleos únicos. O uso de uma arquitetura comum - efetivamente o conjunto de instruções - permite um certo grau de compatibilidade e, portanto, facilita a execução do software em chips de várias empresas.

Existem duas arquiteturas básicas do ARM que vemos hoje nos processadores móveis - a versão ARMv7 de 32 bits e a ARMv8 de 64 bits.

O ARMv7 é o padrão no mercado de telefones há anos. Esse é um design de 32 bits usado em diversos núcleos (incluindo os modelos Cortex-A9, A7 e A15 da ARM, bem como a arquitetura "Krait" da Qualcomm e os núcleos usados ​​nos processadores Apple anteriores ao A7). O Cortex-A9 tem sido incrivelmente popular, mas seus dias parecem numerados. Este ano, estamos vendo mais projetos que incluem um Cortex-A7 menor e mais eficiente em termos de energia; ou um Cortex-A15 mais poderoso, que oferece maior desempenho; ou uma combinação dos dois no que o ARM chama de configuração "big.LITTLE".

O Cortex-A7 é realmente muito pequeno - menos de meio milímetro quadrado em um processo de 28 nm - e foi projetado para usar muito menos energia; menos de 100 miliwatts em comparação com um pico de 200 a 300 miliwatts para um A9 e até 500 miliwatts para um A15. O Cortex-A15 adiciona suporte para um espaço de endereço físico de 40 bits, embora aplicativos individuais possam acessar apenas 32 bits. No verão passado, a ARM introduziu o A12, que substitui o A9, dizendo que era 40% mais rápido que um A9 e se encaixaria no espaço entre o A7 e o A15. No início deste ano, a empresa anunciou uma versão atualizada chamada Cortex-A17, que, segundo ela, deveria oferecer melhor eficiência e desempenho 60% a mais do que o Cortex-A9. (Até agora, apenas a MediaTek anunciou um processador de telefone e a Realtek, um processador de TV usando o A17.) A ARM acredita que o A17 é o último de seus projetos de 32 bits e deve ter uma vida útil longa em aplicativos como TVs e produtos de consumo, enquanto eventualmente a maior parte do mercado móvel muda para designs de 64 bits.

Várias empresas combinaram A7s e A15s (ou, mais recentemente, A7s e A17s) nessa grande combinação.LITTLE, que permite que um chip tenha os núcleos de menor consumo de energia em execução na maioria das vezes e que o chip mude para o de maior potência núcleos quando precisar de desempenho adicional, talvez durante a execução de um cálculo complexo dentro de um jogo ou até mesmo JavaScript complicado em uma página da web. Em alguns desses projetos, o bloco de núcleos A7 ou o A15 pode estar ativo ao mesmo tempo; em outros, todos os núcleos podem funcionar ao mesmo tempo.

Novamente, parece provável que a maioria dos futuros chips móveis projetados com núcleos ARM passem para a arquitetura de 64 bits, embora pareçamos estar nos primeiros dias dessa migração. O conjunto de instruções do ARMv8 parece ser usado no processador A7 da Apple, encontrado no iPhone 5s e no iPad Air, e espera-se que ele também esteja em vários outros designs proprietários. E, é claro, o ARM possui dois núcleos anunciados usando essa arquitetura: um Cortex-A53 menor e um Cortex-A57 mais poderoso, novamente com a opção de combiná-los em uma configuração big.LITTLE. A versão de 64 bits é compatível com versões anteriores, mas inclui registros maiores para fins gerais e instruções de mídia (o que poderia torná-lo mais rápido em algumas operações), suporte para memória além de 4 GB (particularmente importante em aplicativos de servidor); e novas instruções de criptografia e criptografia.

O núcleo do Cortex-A53 está um pouco mais adiante, com empresas como MediaTek, Qualcomm e Marvell anunciando chips com vários núcleos A53. A ARM espera que os primeiros chips sejam lançados neste verão. O A57 deve ser notavelmente mais poderoso, e a ARM espera que os chips móveis com esse núcleo sejam lançados no final do ano. (A AMD anunciou um chip para servidor usando a arquitetura A57, que deve entrar em produção completa no final do ano.)

O ARM também oferece vários núcleos muito menores usados ​​em microcontroladores e outros dispositivos em sua série M; eles não rodam processadores de aplicativos por conta própria, mas podem ser usados ​​em vários outros chips no ecossistema móvel e são cada vez mais usados ​​para tornar os SoCs móveis mais inteligentes. Por exemplo, o A7 SoC da Apple possui um coprocessador de movimento M7 baseado no ARM Cortex-M3 e fabricado pela NXP, e o Motorola X8 SoC no Moto X combina um CPU dual-core Snapdragon S4 Pro com dois coprocessadores de baixa potência baseados em DSPs da Texas Instruments para processamento em linguagem natural e computação contextual.

Como mencionado anteriormente, várias empresas têm o que é conhecido como "licença de arquitetura", o que lhes permite criar seus próprios núcleos usando o conjunto de instruções, que eles pensam que lhes permite criar chips que se destacam no mercado por melhor desempenho, gerenciamento de energia, ou ambos. Isso inclui empresas como Qualcomm, Marvell, Nvidia e Apple. Por outro lado, a oferta de núcleos padrão permite que as empresas criem projetos com mais rapidez e facilidade; muitas das empresas que possuem uma licença de arquitetura usam núcleos ARM padrão em alguns produtos. Notavelmente, a Qualcomm agora possui algumas versões de sua linha de processadores Snapdragon que usam seus núcleos Krait, enquanto outros usam núcleos ARM padrão.

Intel e MIPS oferecem alternativas

Embora o ARM continue dominando o mercado de processadores móveis, a Intel também está dando um grande empurrão, embora a maioria de seus sucessos ocorra em tablets com Windows e alguns com Android. A oferta atual da Intel parece mais voltada para tablets do que para telefones, embora a empresa tenha dois novos processadores que parecem mais adequados para telefones que serão lançados ainda este ano (o que discutirei quando entrarmos em processadores de empresas específicas no próximo post). Na área móvel, a Intel está desenvolvendo sua linha de processadores Atom, embora existam alguns tablets Windows que usam a família Core, também usada em laptops e desktops.

Também dentro da família x86, a AMD tem mostrado alguns tablets executando seus CPUs baseados em x86 de menor potência. Mais uma vez, discutirei detalhes mais tarde ao falar sobre os fabricantes específicos. Nos dois casos, é claro, os processadores executam a versão completa do Microsoft Windows, embora agora as duas empresas também estejam abordando o Android. A Intel, em particular, fez um grande esforço para fazer o Android rodar nativamente em seus chips, enquanto a AMD se concentrou mais no emulador BlueStacks para seus produtos x86, enquanto também se prepara para lançar chips compatíveis com ARM ainda este ano.

Outra opção seria os processadores MIPS, uma família de processadores baseados em RISC que foi adquirida pela Imagination Technologies há pouco mais de um ano. O MIPS oferece uma arquitetura de 64 bits há algum tempo, como parte de sua linha de núcleos Aptiv. No início deste ano, a empresa anunciou sua geração de CPU Série 5 "Warrior", que inclui três classes de processadores MIPS - a série M para mercados embarcados, a classe I projetada para alta eficiência e dispositivos muito integrados; e a classe P projetada para obter mais desempenho, incluindo processadores de aplicativos. Novos recursos incluem suporte integrado para gráficos OpenCL e segurança aprimorada. A Imagination diz que esses chips usam até 40% menos área do que seus concorrentes, com melhor multiencadeamento para uso com vários núcleos.

Os processadores MIPS tiveram bastante sucesso em vários mercados, incluindo processadores de rede e outros aplicativos em tempo real e decodificadores, mas até o momento, não os vimos em muitos tablets ou smartphones tradicionais. Uma empresa chinesa chamada Ingenic possui uma linha de processadores executando a arquitetura Xburst com base no núcleo MIPS anterior, e isso foi usado em alguns tablets Android. Um tempo atrás, eu tentei uma, mas a empresa que a criou agora parece estar se concentrando em tablets baseados em ARM. Ainda assim, é possível que o MIPS possa ser um concorrente no futuro, principalmente com sua nova linha de núcleos.