Fabricantes de chips móviles: los componentes básicos

Si bien puede argumentar que el mercado de procesadores de escritorio y portátiles se ha vuelto bastante limitado y predecible últimamente, el mercado de procesadores de aplicaciones para teléfonos móviles y tabletas sigue siendo un mercado extremadamente vibrante con más de una docena de competidores. Estos procesadores se están moviendo con bastante rapidez, y la gran característica nueva del año pasado, los procesadores de aplicaciones de cuatro núcleos, se ha convertido en algo común este año.

He estado siguiendo hacia dónde se dirigen los procesadores y cómo deberían evolucionar durante el próximo año. En las próximas publicaciones, escribiré sobre los procesadores específicos, pero comencemos mirando los componentes que van en los chips.

Los bloques de construcción básicos

Todos los procesadores móviles incluyen núcleos de CPU y núcleos gráficos; la mayoría contiene algunas características de conectividad y / o hardware de banda base para conectarse a una red móvil. (Incluso entonces, generalmente los teléfonos requieren un chip RF separado para las conexiones, más un chip de conectividad separado para cosas como Wi-Fi y Bluetooth).

Una razón por la que hay tanta competencia en el espacio móvil es que la gran mayoría de los procesadores para teléfonos y tabletas se basan en alguna iteración de la arquitectura ARM, ya sea utilizando núcleos que el propio ARM Holdings diseña, o núcleos personalizados que se han creado utilizando un "licencia arquitectónica", que incluye notablemente Qualcomm (con su núcleo "Krait") y Apple en el espacio móvil.

Por supuesto, hay arquitecturas competidoras. Intel está tratando de impulsar la arquitectura x86 que ha sido tan popular en computadoras de escritorio y portátiles, y Imagination Technologies también tiene su arquitectura MIPS recientemente adquirida (más sobre eso más adelante). Aún así, ARM realmente domina el mercado de núcleos de CPU móviles.

Los gráficos son algo más diversos. El proveedor externo más conocido de gráficos IP es Imagination Technologies. Su familia Power VR se utiliza en una amplia variedad de procesadores, incluidos los de Intel y Apple. ARM ha estado compitiendo con su familia de núcleos gráficos Mali y varios fabricantes de chips crean sus propios gráficos, incluidos Qualcomm con sus gráficos Adreno y Nvidia con sus gráficos GeForce.

Núcleos ARM en todas partes

ARM en realidad produce varios núcleos diferentes, que van desde pequeños núcleos pequeños utilizados en todo tipo de dispositivos hasta la serie Cortex que generalmente se ve en los procesadores móviles. Incluso aquí, hay una variedad de opciones que van desde el Cortex-A9 (utilizado en la mayoría de los teléfonos actuales) hasta el nuevo Cortex-A15 más potente y el pequeño Cortex-A7 de bajo consumo.

El Cortex-A9 ha sido el corazón de la mayoría de los núcleos de aplicaciones de terceros en los últimos años, aunque este año muchos de los fabricantes de procesadores de aplicaciones se están moviendo a nuevos diseños. Muchos se basan en el Cortex-A15, que fue diseñado para un mayor rendimiento, y / o el Cortex-A7, que fue diseñado para usar menos energía. El A15 tiene un espacio de direcciones físicas de 40 bits, aunque los subprocesos individuales solo pueden acceder a 32 bits, y ofrece una nueva arquitectura que debería ser más potente. Broadcom, Nvidia, Samsung, ST-Ericsson y Texas Instruments han anunciado planes para procesadores que usan este núcleo.

El Cortex-A7 es interesante, ya que fue diseñado para usar significativamente menos energía y ser considerablemente más pequeño que el Cortex-A9. Como puede ver en el cuadro anterior, una implementación de 28 nm del Cortex-A7 puede ser pequeña, menos de medio milímetro cuadrado, y usar solo aproximadamente un tercio de la potencia de un Cortex-A9 de 40 nm. Si bien puede variar un poco según la implementación, en general, se espera que cada núcleo A7 use menos de 100 milivatios de potencia, en comparación con un pico de 200 a 300 milivatios para un A9, y hasta 500 milivatios para un A15.

Pero el mayor impulso de ARM es por lo que llama una arquitectura big.LITTLE, que combina el A7 y el A15. En tal diseño, un chip podría tener múltiples núcleos en cada arquitectura, con los núcleos de menor potencia funcionando la mayor parte del tiempo y el chip cambiando a los núcleos de mayor potencia cuando necesita el rendimiento adicional, tal vez mientras se ejecuta un cálculo complejo en el interior un juego, o incluso JavaScript complicado en una página web.

Los licenciatarios actualmente anunciados de la arquitectura combinada incluyen CSR, Fujitsu, MediaTek, Renesas Mobile y Samsung Electronics. El primer anuncio de esto fue Exynos 5 Octa de Samsung, pero otros proveedores como Renesas parecen estar muy cerca. En el show, ARM demostró cómo la combinación big.LITTLE puede ahorrar energía.

El A15 y el A7 irán seguidos del Cortex-A57 y el A53, que también se unirán en un esquema big.LITTLE, con el A53 de baja potencia funcionando la mayor parte del tiempo, pero el A57 disponible cuando se necesita más potencia. Si bien estos son procesadores con capacidad de 64 bits, inicialmente se ejecutarán con sistemas operativos de 32 bits, que no pueden abordar más de 4 GB, el límite de los procesadores de 32 bits en la mayoría de las circunstancias. (Estos núcleos también encontrarán su camino en los procesadores destinados al mercado de servidores, donde se necesita mayor memoria).

Pero no solo estamos viendo un enfoque. Parece que cada proveedor de procesadores tiene un enfoque diferente para sus procesadores de gama alta. Samsung y Renesas ofrecen cuatro A15 y cuatro A7. Nvidia está impulsando cuatro A15 de potencia completa más un núcleo de baja potencia. MediaTek y otros están usando simplemente cuatro A7. ST-Ericsson está promoviendo núcleos A9 pero a una velocidad más rápida.

Y luego están las empresas que tienen "licencias de arquitectura". Esencialmente, esto permite a las empresas crear núcleos que tienen características únicas, pero que aún son compatibles con la arquitectura ARM. Esa arquitectura, efectivamente el conjunto de instrucciones, ha tenido múltiples variaciones en sí misma, con A9, A7 y A15 utilizando todo lo que se conoce como ARMv7. Los próximos A53 y A57 utilizan una variación más nueva que admite la informática de 64 bits, conocida como ARMv8.

Muchas compañías tienen licencias arquitectónicas. Quizás el más conocido es Qualcomm, que usa su núcleo "Krait" en la mayoría de sus procesadores actuales (aunque usa A7 en el extremo inferior). Krait es un núcleo compatible con ARMv7. Marvell diseña sus propios núcleos en su línea de procesadores Armada. Apple no revela la mayoría de los detalles de sus procesadores, pero se cree que ha diseñado sus propios núcleos para sus procesadores A6 y A6X para iPhone y iPad. Es probable que los primeros núcleos de procesador que sean compatibles con ARMv8 estén en chips de servidor como el AppliedMicro X-Gene, pero es probable que muchas de las otras compañías que fabrican núcleos compatibles con ARM sigan su ejemplo. Por ejemplo, Nvidia ha anunciado planes para crear su propio núcleo llamado "Proyecto Denver" para un procesador móvil que saldrá en 2015.

Las alternativas x86 y MIPS

Si bien la arquitectura ARM domina los teléfonos móviles y las tabletas, existen alternativas. Intel ha estado haciendo el mayor ruido últimamente con una serie de productos y una hoja de ruta para su familia Atom dirigida a dispositivos móviles. La compañía mostró un nuevo procesador dirigido al extremo inferior del mercado de teléfonos inteligentes llamado Z2420 (con el nombre en código de Lexington) en CES en enero, y en el Mobile World Congress presentó su plataforma Clover Trail +, liderada por el dual-core / four- hilo Atom Z2580, funcionando a hasta 2GHz.

Si bien la compañía ha estado mostrando teléfonos basados ​​en Atom durante algún tiempo, solo en el último año estos teléfonos realmente llegaron al mercado. Intel dice que ahora tiene 10 diseños de teléfonos móviles basados ​​en su chip Atom en más de 20 países, y ha estado promocionando características como el soporte de cámara HDR sin desenfoque de movimiento. Los procesadores Atom actuales de Intel están hechos con tecnología de 32 nm, pero la compañía tiene planes de pasar a la tecnología FinFET de 22 nm que utiliza en sus procesadores Core a finales de año. Por supuesto, Intel ha dominado durante mucho tiempo el segmento de portátiles y este año también ha progresado con las tabletas y los convertibles basados ​​en Atom y Core. Discutiré los detalles cuando llegue a los proveedores de procesadores individuales en la próxima publicación.

El rival tradicional de Intel en procesadores x86, AMD, también estuvo en el Mobile World Congress, mostrando Temash, su próximo procesador dirigido a tabletas e híbridos de Windows. Estará disponible en versiones de doble núcleo y de cuatro núcleos, y AMD mostró demostraciones de cómo superó a la plataforma Clover Trail existente. Está previsto que salga en el primer semestre de 2013. AMD aún no tiene una plataforma telefónica.

La otra arquitectura de CPU que hemos visto en dispositivos móviles proviene de MIPS, que fue adquirida recientemente por Imagination Technologies. MIPS ofrece tres niveles con su familia de núcleos de procesador Aptiv, incluida la línea Pro-Aptiv dirigida a procesadores de aplicaciones. Los funcionarios de imaginación señalan que MIPS ha estado vendiendo núcleos de 64 bits durante 20 años y dicen que la compañía tiene el objetivo de enviar el 25 por ciento de todos los núcleos de CPU en los próximos cuatro a cinco años. Por ahora, la mayor parte de los procesadores MIPS se destinan a mercados como redes, infraestructura y decodificadores, pero Ingenic fabrica un procesador para dispositivos móviles y la compañía espera ver más énfasis en esa área. MIPS anunció recientemente una nueva versión de la arquitectura, llamada V5, y espera ver los chips iniciales más adelante este año.

Gráficos: competencia sorprendente

Si ARM domina en los núcleos de aplicaciones móviles, Imagination Technologies ha dominado en los núcleos de gráficos móviles, aunque se ha enfrentado a una competencia cada vez mayor.

La imaginación actual está representada principalmente a través de su serie PowerVR 5, incluida su extensión 5XT que agrega algunas capacidades que permiten las capacidades de OpenGL ES 3.0. La gama alta de hoy es la SGX 544MP4: el "4" indica la cantidad de núcleos gráficos. Muchas empresas admiten gráficos Imagination, incluidos Apple, Intel, MediaTek, ST-Ericsson, Ingenic, Allwinner y Texas Instruments. Aunque Apple generalmente no lo confirma, el procesador A6X del iPad actual tiene gráficos PowerVR SGX 554MP4 de cuatro núcleos. (La imaginación mostró esto en su stand en el Mobile World Congress). La compañía luego confirmó que el Samsung Exynos 5410 Octa también usa esos gráficos.

En el futuro, la compañía está promoviendo PowerVR series 6, que admitirá de forma nativa DirectX 10 y Open GL ES 3.0. Esto se ofrecerá con entre uno y seis grupos de gráficos, que van desde el G6100 hasta el 6630 de gama alta. Imagination dice que tiene 10 licenciatarios para gráficos VR6.

La imaginación también está impulsando una capacidad gráfica separada en forma de núcleos de video PowerVR, que incluye decodificación y codificación de video. La compañía dice que sus licenciatarios han enviado más de 500 millones de estos núcleos.

Entre los gráficos con licencia, el mayor competidor de Imagination es ARM, que ofrece sus núcleos de GPU Mali (unidades de procesamiento de gráficos). ARM dice que ahora tiene 75 licenciatarios para esto y espera que 240 millones de procesadores se envíen con esta tecnología en 2013. En particular, la compañía anunció cómo se puede usar la combinación para cosas como la computación GPU, demostrando fotografía computacional, detección de rostros, y juegos en tiempo real.

Dentro de la familia Mali, hay varias gradaciones, incluidas las familias Mali-400 y -450 destinadas principalmente a los teléfonos inteligentes del mercado masivo y la familia Mali-T600 dirigida más a la gama alta.

Entre las compañías que usan núcleos Mali están Samsung Electronics, Leadcore, MediaTek, Spreadtrum, ST-Ericsson, AllWinner y Rockchip. Si nota alguna superposición con la lista de Imaginación, es porque algunas empresas usan gráficos diferentes en procesadores diferentes.

Pero quizás los mayores competidores de los núcleos de gráficos con licencia son los gráficos únicos que incorporan muchos de los fabricantes de procesadores de aplicaciones. Qualcomm probablemente ha sido el más exitoso, utilizando sus gráficos Adreno ampliamente en su familia de procesadores Snapdragon. Esto también viene en diferentes sabores, dependiendo del mercado para el que está destinado el chip. Probablemente, Nvidia haya hecho lo máximo en usar gráficos como diferenciador, hablando sobre sus gráficos GeForce y cómo ha tomado su herencia de juegos para PC y los ha aplicado a los procesadores móviles. Broadcom también tiene su propia tecnología multimedia, conocida como VideoCore.

Cubriré más a los vendedores de chips específicos en mi próxima publicación.