Jak zbudowany jest smok, czyli wszystko co musisz wiedzieć o procesorach Snapdragon

Obecnie na rynku jest czterech głównych twórców procesorów do urządzeń mobilnych – Nvidia, Samsung, Intel oraz Qualcomm. Produkty tej ostatniej wymieniona tu firmy są stosowana w największej liczbie urządzeń. Postanowiliśmy przybliżyć Wam budowę i systematykę układów Qualcomma.

Twórcy procesorów Snapdragon to jedna z nielicznych firm, która ma licencję na tworzenie procesorów opartych na architekturze ARM, ale mimo to zdecydowała się nie korzystać ze standardowych rdzeni Cortex, których używają główni konkurenci Samsung i Nvidia. Zamiast tego produkuje rdzenie Scorpion i Krait. Pierwsze to jednostki poprzedniej generacji, zaś Krait to najnowsze rdzenie Qualcomma, które pod względem wydajności nie ustępują najnowszym, znacznie później wprowadzonym rdzeniom Cortex-A15 stworzonym przez konsorcjum ARM.

Warto pamiętać, że to Qualcomm jako pierwszy wprowadził na rynek wiele praktycznych rozwiązań, z których najciekawsze to między innymi pierwszy procesor mobilny wyprodukowany w procesie technologicznym 28 nm, czy pierwszy chip z w pełni zintegrowanym modemem 3G i 4G przy zachowaniu naprawdę wysokiej wydajności (4 rdzenie Krait mogą pracować z maksymalną częstotliwością taktowania zegara rdzenia równą 2,3 GHz) oraz energooszczędności.

Integracja kolejnych funkcjonalności, w tym LTE, jest ważna z bardzo prostego powodu - użycie pojedynczego układu zamiast dwóch lub więcej to przede wszystkim oszczędność energii i oszczędność miejsca w obudowie telefonu, co daje twórcom telefonów dużo możliwości, chociażby takich jak zastosowanie większego akumulatora lub sprawienie, że telefon będzie jeszcze cieńszy.

Najbardziej spektakularną pozycją w ofercie Qualcomma są procesory Snapdragon S4. Jest ich jednak tak dużo, że postanowiono podzielić je na kolejne rodzaje, czyli: Snapdragon S4 Play, Snapdragon S4 Plus, Snapdragon S4 Pro oraz Snapdragon S4 Prime.

Wersja Play jest przeznaczona do średniej klasy urządzeń i może mieć dwu lub czterordzeniowy procesor z maksymalną częstotliwością taktowania równą 1,2 GHz, wykonany w nieco starym procesie technologicznym 45 nm. Ma ona przeciętny dziś układ graficzny Adreno 203 lub 305 i wspiera odtwarzanie materiału wideo w rozdzielczości FWVGA. W telefonie z taką jednostką aparat może matrycę z maksymalną rozdzielczością 8 megapikseli.

Jeśli chodzi o łączność, to telefony z Snapdragonem S4 Play mają moduły 3G/4G i gpsOne Gen 7. Snapdragon 4 Play nie został wyposażony we wbudowany moduł Bluetooth, więc do korzystania z tego standardu konieczne jest zamontowanie w telefonie modułu firmy zewnętrznej. Snapdragon S4 Play obsługuje też USB 2.0 bez On-The-Go, przez co do urządzenia z tym procesorem nie podłączymy pendrive'a czy myszki. Jak widać, to podstawowy układ przeznaczony do tańszych urządzeń. Modele należące do rodziny S4 Play to: MSM8625, MSM8225, MSM8225Q, MSM8625Q. Zastosowano je między innymi w smartfonach ZTE Tania oraz HTC Desire X.

O wiele lepiej prezentuje się Snapdragon S4 Plus, który ma dwa rdzenie Krait pracujące z częstotliwością taktowania zegara nie większą niż 1,7 GHz. Został on wykonany w najnowszym procesie technologicznym 28 nm, dzięki czemu jest mały, wydajny i energooszczędny. Układ graficzny to Adreno 305 lub 225, który radzi sobie z odtwarzaniem materiału wideo w rozdzielczości 1080p. Snapdragon S4 Plus wspiera aparaty z matrycą o rozdzielczości 20 megapikseli, także robiących zdjęcia stereoskopowe. Snapdragon ten ma zintegrowane moduły 3G/4G (opcjonalnie LTE) gpsOne Gen8A, Bluetooth 4.0 oraz WiFi w standardzie n (2,4/5 GHz). Oprócz tego obsługiwany jest standard USB 2.0 On The Go. Procesory te znajdują się w HTC Windows 8S, Nokii Lumia 620 oraz BlackBerry Z10.

Przeznaczony do najlepszych urządzeń na rynku Snapdragon S4 Pro różni się od wersji Plus zastosowaniem dwóch lub czterech rdzeni Krait oraz wydajniejszego układu graficznego Adreno 320. Do tej rodziny należą dwa modele: APQ8064 i MSM8960T, które użyto do produkcji HTC Butterfly, LG Nexus 4 oraz Sony Xperia Z.

Z kolei S4 Prime jest to platforma do urządzeń SmartTV. Do tej rodziny należy tylko jeden układ o oznaczeniu MPQ 8064.

Rdzenie Krait to pierwszy smartfonowy procesor zbudowany w procesie technologicznym 28 nm. Jest to znacznie mniejszy wymiar niż w przypadku procesorów konkurencji, takich jak Tegra 3, które zostały wyprodukowane w 40-nanometrowym procesie technologicznym.

Zaletą mniejszego procesu technologicznego jest możliwość stworzenia bardziej zaawansowanego chipu co wcześniej, ale o znacznie mniejszych rozmiarach bądź też stworzenie bardziej zaawansowanego chipu, który zachowa wymiary poprzednika i co za tym idzie zmieści się w smartfonie lub tablecie - urządzeniu, które z zasady musi cechować się małymi wymiarami.

Jeszcze inną zaletą mniejszego procesu technologicznego jest niższe zużycie energii i wydzielanie ciepła. Parametry te są niezwykle ważne, gdyż przekładają się na czas pracy smartfona lub tabletu na akumulatorze oraz na komfort pracy dzięki niższej temperaturze pracy. Zbyt wysoka temperatura sprawia, że urządzenie nieprzyjemnie trzyma się w dłoni, w sporadycznych warunkach może też powodować samoistne wyłączanie się urządzenia.

Rdzenie Krait to serce większości nowych układów Qualcomma. Jest to następca procesorów Scorpion, które były używane w procesorach poprzedniej generacji. Część czołowa procesora (front-end), która zajmuje się pobieraniem danych jest znacznie szersza niż w przypadku układów poprzedniej generacji. Rdzeń Krait może pobrać i zdekodować maksymalnie trzy instrukcje w jednym cyklu zegara, podczas gdy Scorpion mógł wykonać tylko dwie instrukcje w jednym cyklu. Z 10 do 11 etapów zwiększyła się też długość potoku wykonawczego , co nie ma dobrego wpływu na wydajność.

Każdy fan techniki pamięta premierę procesorów Pentium 4, które często okazywały się mniej wydajne od Pentiumów III. Wszystko przez to, że potok wykonawczy miał aż 31 etapów! Dla porównania - jednostki Cortex A15 mają potok jeszcze dłuższy niż w procesorze Qualcomma i wynosi on 15 etapów.

Część wyjściowa procesora (back-end) również uległa poprawie, gdyż Krait ma aż siedem portów prowadzących do jego jednostek wykonawczych. Dla porównania - Scorpion miał ich tylko trzy. Dzięki nim Krait może rozwiązywać cztery problemy jednocześnie i uchronić się przed występowaniem w nich błędów. Część front-end procesora zajmuje się kolejnymi porcjami danych w ustalonej kolejności, jednak część back-end ma możliwość działania na kolejnych instrukcjach poza kolejnością, oczywiście jeśli nie spowoduje to żadnych niedogodności. Jest to typowy zabieg zwiększający wydajność procesora, który jest stosowany nie tylko w układach mobilnych, ale też stacjonarnych.

Jedną z najciekawszych nowości jest dodanie do Kraita nowych instrukcji wirtualizacji, które są obsługiwane przez jednostki Cortex A15. Z Cortex A15 zapożyczono też obsługę 40-bitowego LPAE (Large Physical Adress Extension - do adresowania dużej ilości pamięci). Dzięki temu możliwe jest używanie dużej ilości szybkiej pamięci.

Bardzo ważnym elementem każdego procesora jest pamięć podręczna. W najnowszych jednostkach Qualcomma jest ona podzielona na trzy poziomy – zerowy, pierwszy i drugi. Pamięć podręczna zerowego i pierwszego poziomu jest zintegrowana z każdym rdzeniem, z kolei pamięć drugiego poziomu jest współdzielona między wszystkimi rdzeniami. Jest to wspólny mianownik wszystkich rdzeni, który łączy je i pozwala im efektywniej wykonywać wszystkie zadania.

Każdy rdzeń Krait ma 8 kB pamięci cache zerowego poziomu, z czego 4 kB są przeznaczone na instrukcje, a 4 kB na dane. Pamięć ta jest dostępna w każdym cyklu zegara i jest priorytetowa. Większość instrukcji jest w niej przetrzymywanych, przez co większa pamięć podręczna pierwszego poziomu jest rzadziej uruchamiana, co skutkuje mniejszym zużyciem energii. To z kolei przekłada się na dłuższy czas pracy na baterii i szybsze ładowanie telefonu.

Z kolei pamięć podręczna pierwszego poziomu jest znacznie większa i wynosi 32 kB na każdy rdzeń, po 16 kB na dane oraz instrukcje. Ze względu na chęć obniżenia zużycia energii nie stosuje się tu żadnego systemu predykcji. Jest to pamięć czterodrożna. Zarówno pamięć zerowego, jak i pierwszego poziomu pracuje z częstotliwością taktowania zegara rdzeni i takim samym jak w rdzeniach napięciem. Może to się wydawać niezbyt oczywiste, jednak jest to konieczne, gdyż pamięć cache L0 i L1 to integralna część procesora.

Jak wspominałem, pamięć cache L2 nie jest zintegrowana z rdzeniami i łączy je w jedną całość. W celu zmniejszenia poboru energii zdecydowano się na to, by pracowała ona z autonomicznym zegarem wynoszącym nie więcej niż 1,3 GHz

Adreno 320 to najlepszy obecnie dostępny mobilny układ graficzny w ofercie Qualcomma, który wymyślono z myślą o obsłudze standardu OpenGL ES 3.0. Innym wspieranym API jest DirectX 9.0c. Wykorzystanie tego API pozwoli użyć wielu nowych rozwiązań, dzięki czemu będzie możliwe użycie wielu nowych efektów graficznych. Ważne jest użycie zunifikowanych shaderów, czyli jednostek mogących wykonywać obliczenia na wierzchołkach i na pikselach, zależnie od potrzeb. Taka elastyczność oznacza lepsze wykorzystanie układu w grach mobilnych, gdzie warunki obliczeniowe cały czas się zmieniają.

Obecnie jest to najsilniejszy układ graficzny obecny na urządzeniach z Androidem. Niebawem jednak może to się zmienić ze względu na premierę Nvidia Tegra 4, Mali T604 oraz... nowych chipów Qualcomma, które mają zapewnić sporo większą wydajność niż w przypadku dotychczasowych jednostek i stać się nowym liderem wydajności.

*Czy zauważyliście, że Adreno to anagram słowa Radeon, nazwy kart graficznych firmy AMD?

Podczas targów Consumer Electronic Show 2013 Qualcomm zapowiedział premierę nowej rodziny układów mobilnych. Będą się na nią składać serie Snapdragon 800, Snapdragon 600, Snapdragon 400 oraz Snapdragon 200.

Snapdragon 200 to najtańszy procesor Qualcomma nowej generacji. Tak jak Snapdragon S4 Play, będzie on składać się z czterordzeniowego procesora Cortex-A5 o taktowaniu do 1,4 GHz i układu graficznego Adreno 203. Jest to układ, który najlepiej jest określić mianem minimalnie podrasowanego Snapdragona S4 Play, najtańszego procesora z poprzedniej rodziny Snapdragon.

Snapdragon 400 to wydajniejszy układ wyposażony w dwa rdzenie Krait lub cztery Cortex-A7, zależnie od wersji. Taktowania rdzeni wyniosą odpowiednio do 1,7 GHz oraz 1,4 GHz. Snapdragon 400 wyposażony będzie w układ graficzny Adreno 305, który będzie umożliwiał komfortową rozgrywkę w trzech wymiarach, szybkie przeglądanie zasobów internetu oraz bardzo szybki czas reakcji.

Snapdragon 600 zastąpi obecnego Snapdragona S4 Pro w najbardziej zaawansowanych smartfonach. Układ ten jest wyposażony w cztery rdzenie Krait 300 o maksymalnej częstotliwości taktowania zegara równej 1.9 GHz oraz układ graficzny Adreno 320 o większej szybkości. Qualcomm obiecuje wzrost wydajności o 40% względem poprzedniej generacji. Urządzenia mobilne ze Snapdragonem 600 to: HTC One, Asus Padfone Infinity, LG Optimus G Pro oraz ZTE Grand Memo.

Najwydajniejszy Snapdragon 800 to sprzęt, którego teoretyczna wydajność musi imponować każdemu. Qualcomm zapowiedział, że część odpowiadająca procesorowi głównemu (CPU) będzie aż o 75% bardziej wydajna niż w wypadku zeszłorocznych rozwiązań. W przypadku układu graficznego (GPU) wzrost ten będzie jeszcze większy, bo aż stuprocentowy. Wynik ten udało się uzyskać dzięki zastosowaniu nowej grafiki Adreno 330 i procesorowi wyposażonemu w zupełnie nowe rdzenie Krait 400, które mogą pracować z maksymalną częstotliwością taktowania zegara 2.3GHz. Dzięki możliwości asynchronicznego taktowania poszczególnych rdzeni, rozwiązanie to zapewnia najwyższy stopień energooszczędności i nie wymaga stosowania dodatkowych, wolniejszych rdzeni.

Oprócz tego w najlepszym Snapdragonie można znaleźć szybszy niż w poprzedniej generacji SoC modem LTE i lepszy moduł WiFi. Jednostka pozwoli nagrywać wideo w rozdzielczości 3840×2160, cztery razy większej niż obecnie stosowane Full HD (1920×1080) i obsłuży wyświetlacze o maksymalnej rozdzielczości 2560×2048. Nowe Snapdragony mają cechować się mniejszym zużyciem energii.

Może się wydawać, że tak wydajne układy znajdą się tylko w tabletach, ale nie ma nic bardziej mylnego. Firma zapowiedziała, że już są planowane smartfony wykorzystujące Snapdragona 800 pracującego z maksymalną częstotliwością taktowania zegara rdzeni równą 2.3 GHz. Smartfony i tablety wyposażone w ten chip powinny pojawić się w sklepach na przełomie drugiego i trzeciego kwartału tego roku.

Qualcomm pochwalił się także tym, iż nowe układy będą stosowane co najmniej w 50 nowych urządzeniach, a lista ta cały czas się powiększa. Firma ma nadzieję, że przebije sukces poprzedniego modelu, S4, który dzięki wbudowanemu modemowi LTE, wysokiej wydajności i oszczędności energii znalazł się w ogromnej liczbie urządzeń produkowanych przez najróżniejsze firmy.

To nie wszystko, co mam Wam do przekazania na temat technologii procesorów Qualcomma. Za dwa-trzy tygodnie opublikuję drugą, bardziej praktyczną część tekstu, w której dokładnie opiszę działanie zintegrowanego modułu LTE w układach Snapdragon, a także postaramy się porównać najlepsze układy Qualcomma, Nvidii, Intela, Texas Instruments oraz Samsunga, czyli wszystkich czołowych producentów mobilnych procesorów. Jeśli chcecie dowiedzieć się czegoś konkretnego, proszę pisać w komentarzach. Postaram się spełnić Wasze prośby.

* Wpis powstał we współpracy z partnerem merytorycznym Spider's Web, firmą Qualcomm.