Building blocks móviles 2014: núcleos móviles

Cada año después de CES y Mobile World Congress, reflexiono sobre los anuncios de los programas y lo que significan para el futuro de los procesadores de aplicaciones móviles. Ciertamente hemos visto algunos desarrollos interesantes, que incluyen un conjunto de anuncios de chips de 64 bits, algunos de los cuales están dirigidos más a teléfonos de gama media, pero los nuevos chips de 32 bits parecen ser el tema de conversación más popular en la gama alta..

Casi todas las empresas que fabrican chips están hablando de mejores gráficos, con enormes ganancias en rendimiento, y todas hablan de múltiples núcleos, con chips de 4 e incluso 8 núcleos que ahora se están convirtiendo en rutina. Lo que no hemos visto aún son procesadores de aplicaciones importantes creados con tecnología de 20 nm (excepto los de Intel, que controla el diseño y la fabricación de sus chips), ni realmente nuevos chips de 64 bits de gama alta de la mayoría de los jugadores. Como resultado, los cambios que probablemente veamos en los chips para los teléfonos de gama alta en los próximos meses pueden no ser enormes, incluso cuando los teléfonos de gama media y baja se ponen al día.

Discutiré los detalles de los principales chips más adelante esta semana, pero me gustaría comenzar hablando sobre los bloques de construcción básicos que intervienen en la creación de procesadores de aplicaciones. A diferencia del mundo de las PC, en general, los fabricantes de dichos procesadores tienden a utilizar al menos algo de propiedad intelectual (IP), ya sea licencias arquitectónicas o núcleos completos, para crear sus productos. Recuerde que un procesador de aplicaciones típico hoy en día incluye una CPU, un núcleo de gráficos, a menudo un módem de banda base y una serie de otras características; y muchos fabricantes licencian la arquitectura de la CPU, los gráficos o potencialmente ambos. Un fabricante de procesadores típico combinará estas características, tanto las que ellos mismos crean como las que licencian, para diseñar un chip específico para un mercado objetivo. En esta publicación, hablaré sobre la arquitectura de la CPU, luego seguiré mañana con una sobre diseño gráfico.

Los muchos sabores de los diseños ARM

La gran mayoría de los procesadores de aplicaciones móviles que ve hoy ejecutan alguna variante de la arquitectura ARM. De hecho, en todos los mercados, ARM afirma que se han vendido más de 50 mil millones de procesadores que utilizan su tecnología, con más de 10 mil millones vendidos solo en 2013. Los mercados de teléfonos y tabletas son una parte importante de eso, con ARM afirmando que el 95 por ciento de los teléfonos inteligentes del mundo ejecutan alguna versión de su arquitectura, pero los procesadores ARM también se encuentran en muchos otros productos.

Pero es importante entender que ARM en realidad no vende procesadores; en su lugar, vende IP, incluidos los diseños de núcleos reales y la arquitectura básica subyacente, que utilizan varios proveedores de chips, incluidos Apple y Qualcomm, para crear núcleos únicos. El uso de una arquitectura común, efectivamente el conjunto de instrucciones, permite un cierto grado de compatibilidad y, por lo tanto, facilita que el software se ejecute en chips de varias compañías.

Hay dos arquitecturas ARM básicas que vemos hoy en los procesadores móviles: la versión ARMv7 de 32 bits y la versión ARMv8 de 64 bits.

ARMv7 ha sido el estándar en el mercado telefónico durante años. Este es un diseño de 32 bits que se utiliza en una variedad de núcleos (incluidos los diseños Cortex-A9, A7 y A15 de ARM, así como la arquitectura "Krait" de Qualcomm y los núcleos utilizados en los procesadores de Apple antes del A7). El Cortex-A9 ha sido increíblemente popular, pero sus días parecen contados. Este año, estamos viendo más diseños que incluyen un Cortex-A7 más pequeño y más eficiente en energía; o un Cortex-A15 más potente, que ofrece un mayor rendimiento; o una combinación de los dos en lo que ARM llama su configuración "big.LITTLE".

El Cortex-A7 es realmente muy pequeño, menos de medio milímetro cuadrado en un proceso de 28 nm, y fue diseñado para usar mucha menos energía; menos de 100 milivatios en comparación con un pico de 200 a 300 milivatios para un A9, y hasta 500 milivatios para un A15. Cortex-A15 agrega soporte para un espacio de direcciones físicas de 40 bits, aunque las aplicaciones individuales solo pueden acceder a 32 bits. El verano pasado, ARM presentó el A12, destinado a ser un reemplazo del A9, diciendo que era hasta un 40 por ciento más rápido que un A9 y que encajaría en el espacio entre el A7 y el A15. A principios de este año, la compañía anunció una versión mejorada llamada Cortex-A17, que según dice debería ofrecer una mejor eficiencia y un 60 por ciento más de rendimiento que el Cortex-A9. (Hasta ahora, solo MediaTek ha anunciado un procesador de teléfono y Realtek un procesador de TV usando el A17.) ARM cree que el A17 es el último de sus diseños de 32 bits, y está destinado a tener una larga vida, en aplicaciones como televisores y productos de consumo, mientras que la mayor parte del mercado móvil cambia a diseños de 64 bits.

Varias compañías han combinado A7s y A15s (o más recientemente A7s y A17s) en esa gran combinación LITTLE, que permite que un chip tenga los núcleos de menor potencia funcionando la mayor parte del tiempo y el chip cambie a la potencia más alta núcleos cuando necesita el rendimiento adicional, tal vez mientras se ejecuta un cálculo complejo dentro de un juego, o incluso JavaScript complicado en una página web. En algunos de estos diseños, el bloque de núcleos A7 o el de los núcleos A15 pueden estar activos al mismo tiempo; en otros, todos los núcleos pueden funcionar a la vez.

De nuevo, parece probable que la mayoría de los futuros chips móviles diseñados con núcleos ARM se trasladen a la arquitectura de 64 bits, aunque parece que estamos en los primeros días de esa migración. El conjunto de instrucciones ARMv8 parece usarse en el procesador A7 de Apple, que se encuentra en el iPhone 5s y iPad Air, y se espera que también se encuentre en otros diseños exclusivos. Y, por supuesto, ARM tiene dos núcleos que ha anunciado usando esta arquitectura: un Cortex-A53 más pequeño y un Cortex-A57 más potente, nuevamente con la opción de combinarlos en una configuración big.LITTLE. La versión de 64 bits es compatible con versiones anteriores, pero incluye registros más grandes para propósitos generales e instrucciones de medios (lo que podría hacer que sea más rápido en algunas operaciones), soporte para memoria más allá de 4GB (particularmente importante en aplicaciones de servidor); y nuevas instrucciones de cifrado y criptografía.

El núcleo Cortex-A53 está un poco más adelante, con compañías como MediaTek, Qualcomm y Marvell que anuncian chips con múltiples núcleos A53. ARM dice que espera que los primeros chips salgan este verano. El A57 debería ser notablemente más potente, y ARM espera que los chips móviles con ese núcleo salgan más adelante en el año. (AMD ha anunciado un chip de servidor que utiliza la arquitectura A57, debido a que entrará en producción completa hacia fines de año).

ARM también ofrece una cantidad de núcleos mucho más pequeños utilizados en microcontroladores y otros dispositivos en su serie M; estos no ejecutarían procesadores de aplicaciones por sí solos, sino que podrían usarse en varios otros chips en el ecosistema móvil y se usan cada vez más para hacer que los SoC móviles sean más inteligentes. Por ejemplo, el SoC A7 de Apple tiene un coprocesador de movimiento M7 basado en el ARM Cortex-M3 y fabricado por NXP, y el SoC Motorola X8 en el Moto X combina una CPU de doble núcleo Snapdragon S4 Pro con dos coprocesadores de baja potencia basados ​​en DSP de Texas Instruments para procesamiento de lenguaje natural y computación contextual.

Como se mencionó anteriormente, varias compañías tienen lo que se conoce como una "licencia arquitectónica", que les permite crear sus propios núcleos utilizando el conjunto de instrucciones, que creen que les permite hacer chips que se destacan para el mercado a través de un mejor rendimiento, administración de energía, o ambas. Estas incluyen compañías como Qualcomm, Marvell, Nvidia y Apple. Por otro lado, ofrecer núcleos estándar permite a las empresas crear diseños de manera más rápida y sencilla; Muchas de las empresas que tienen una licencia de arquitectura utilizan núcleos ARM estándar en algunos productos. En particular, Qualcomm ahora tiene algunas versiones de su línea de procesadores Snapdragon que usan sus núcleos Krait, mientras que otros usan núcleos ARM estándar.

Intel y MIPS ofrecen alternativas

Si bien ARM continúa dominando el mercado de los procesadores móviles, Intel también ha estado dando un gran impulso, aunque la mayoría de sus éxitos provienen de tabletas con Windows y algunas con Android. La oferta actual de Intel parece más dirigida a las tabletas que a los teléfonos, aunque la compañía tiene dos nuevos procesadores que parecen más adecuados para los teléfonos que saldrán a finales de este año (lo que discutiré cuando entre en procesadores de compañías específicas en la próxima publicación). En el ámbito móvil, Intel está impulsando su línea de procesadores Atom, aunque hay algunas tabletas de Windows que usan la familia Core más grande que también se usa en computadoras portátiles y de escritorio.

También dentro de la familia x86, AMD ha estado mostrando algunas tabletas que ejecutan sus CPU basadas en x86 de menor potencia. Nuevamente, discutiré detalles más adelante cuando hablemos de los fabricantes específicos. En ambos casos, por supuesto, los procesadores ejecutan la versión completa de Microsoft Windows, aunque ambas compañías ahora también se dirigen a Android. Intel, en particular, ha hecho un gran esfuerzo para hacer que Android funcione de forma nativa en sus chips, mientras que AMD se ha centrado más en el emulador BlueStacks para sus productos x86, ya que también se prepara para lanzar chips compatibles con ARM a finales de este año.

Otra opción serían los procesadores MIPS, una familia de procesadores basada en RISC que fue adquirida por Imagination Technologies hace poco más de un año. MIPS ha ofrecido una arquitectura de 64 bits durante algún tiempo, como parte de su línea de núcleos Aptiv. A principios de este año, la compañía anunció su generación de CPU "Warrior" de la Serie 5, que incluye tres clases de procesadores MIPS: la serie M para mercados integrados, la clase I diseñada para dispositivos de alta eficiencia y muy integrados; y la clase P diseñada para un mayor rendimiento, incluidos los procesadores de aplicaciones. Las nuevas características incluyen soporte integrado para gráficos OpenCL y seguridad mejorada. La imaginación dice que estos chips usan hasta un 40 por ciento menos de área que sus competidores, con un mejor multihilo para el uso de múltiples núcleos.

Los procesadores MIPS han tenido bastante éxito en varios mercados, incluidos los procesadores de red y otras aplicaciones en tiempo real y decodificadores, pero hasta la fecha, no los hemos visto en muchas tabletas o teléfonos inteligentes tradicionales. Una compañía china llamada Ingenic tiene una línea de procesadores que ejecutan la arquitectura Xburst basada en el núcleo MIPS anterior, y esto se usó en algunas tabletas Android. Hace un tiempo, probé uno, pero la compañía que lo hizo ahora parece centrarse en las tabletas basadas en ARM. Aún así, es posible que MIPS pueda ser un competidor en el futuro, particularmente con su nueva línea de núcleos.