Co je SoC a jak se v nich vyznat aneb co nám pohání smartphony a tablety – 1. díl

Co je SoC a jak se v nich vyznat aneb co nám pohání smartphony a tablety – 1. díl 2012-4-15

Tento článek si předsevzal představit Vám technologii systému na čipu (dále SoC) v mobilních zařízeních. SoC jsou integrované obvody, spojující v sobě procesor a další subsystémy. Většinou jde o přidání grafického nebo jiného čipu, který je důležitý pro zařízení (např. pro připojení periferie). Po prozkoumání architektur používaných v procesorech pro SoC, se dostaneme k jednotlivým výrobcům, kteří jsou aktuálně na trhu s těmito systémy. Také si představíme značky smartphonů nebo tabletů, ve kterých jsou jejich systémy použité. V roce 2012 většina výrobců oznámila novinky, které se chystá vydat. Uvidíme, že většině případů bude použit stejný 2,0 GHz čtyř-jádrový procesor ARM Cortex-A15. Systémy v zařízeních se liší spíše podle svého zaměření na výkon nebo výdrž.

Qualcomm-GPU

Co je SoC?

SoC (system on a chip) – „systém na čipu“ – je integrovaný obvod, který odstraňuje hranici mezi mikroprocesorem a mikropočítačem. Je tomu tak proto, že obsahuje kromě vlastního procesoru i další subsystémy pro zpracování grafiky, zvuku nebo připojení periferií. Nejde tedy o rozdělení do chipsetů nebo samostatných karet, jak to známe z osobních počítačů. Jader procesoru je v SoC v dnešní době i více.

Architektury používané v SoC

ARM

ARM (Advanced RISC Machine) je architektura procesorů, jejíž návrh se řídil filosofií RISC (Reduced Instruction Set Computer). Tato architektura způsobila nemalou revoluci v IT, protože na tehdejší dobu (v roce 1984) dovolila velmi vysoké taktovací frekvence.

Navíc 32 bitová šířka slova v té době nebyla samozřejmostí. V roce 2007 byla architektura ARM zastoupena v 98 % z více než jedné miliardy každoročně prodaných mobilů.

MIPS

MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) je procesor bez automaticky organizované pipeline. Pipeline využívá skutečnost, že jedna instrukce nemusí vždy používat všechny prostředky procesoru. Instrukcí může tedy procesor zpracovávat více najednou. Ovšem pouze za podmínky, že u těchto instrukcí nejde o využití stejných prostředků procesoru. Splnění této podmínky však musí hlídat programátor nebo překladač, a proto jde o non-interlocked pipeline. MIPS je stejně jako ARM v kategorii RISC procesorů.

MIPS procesory se uplatnily například ve velmi rozšířených konzolách Nintendo 64, PlayStation 2, PlayStation Portable a dalších zařízeních jako jsou set-top boxy, mobilní telefony, tiskárny a podobně.

x86

Označení x86 platí pro několik rodin instrukčních sad pro procesory navazující na 16-bitový procesor Intel 8086. Protože byl termín „x86“ zaveden až po uvedení procesoru Intel 80386, tak se při použití označení „x86“ předpokládá, že daný procesor je alespoň 32-bitový. Aby to bylo zdůrazněno, používá se též označení x86-32 (resp. IA-32) a pro současné 64-bitové procesory pak x86-64 (též „x64“). V současné době proto „x86“ označuje tři architektury se třemi různými sadami strojových instrukcí, přičemž novější procesory jsou schopné pracovat v režimech, které jsou zpětně kompatibilní.

Nejznámější SoC (a jejich výrobci)

Apple A-Series

Apple má ve svých zařízeních systém na čipu, jehož označení začíná velkým písmenem A, na které původně navazovala jedna číslice. Pro Apple vyrábí tyto čipy Samsung. Apple vydal první SoC s označením A4 společně s uvedením tabletu iPad začátkem roku 2010 a krátce nato byl integrován i do smartphonu iPhone 4, do čtvrté generace iPod Touch a druhé generace Apple TV. Tento čip měl frekvenci 1GHz a posazený byl na silikonový čip společnosti Samsung, vyráběný 45 nm technologií. Kombinuje v sobě ARM Cortex-A8 CPU (core processing unit) společně s PowerVR GPU (graphic processing unit). Zaměření toho čipu je více na výkon než na výdrž. A4 nezahrnuje RAM, ale umožňuje PoP (package on package) instalaci. Rok poté byl v druhé generaci tabletu iPad nahrazen čipem s označením A5, který má již dvě jádra. V třetí generaci má iPad čip A5X.

LNplMadPV3N4v1ec_medium

Vzhledem k tomu, že SoC vyrábí pro Apple společnost Samsung, tak vývoj těchto systému s označením série A záleží na jiných výrobcích.

Samsung Exynos

Exynos od společnosti Samsung je SoC vyráběný primárně pro mobilní zařízení. Samsung má bohatou historii co se výroby SoC týče. Jeho první systém na čipu měl procesor s frekvencí 66 MHz. V roce 2010 vyšel Hummingbird, který dostal později označení Exynos 3110 a byl součástí mobilního telefonu Samsung Galaxy S. Začátkem roku 2011 se začal vyrábět Samsung Galaxy S II s Exynos 4210, který obsahuje i linuxové jádro. Tehdy měl 1,2GHz dvoujádrový procesor ARM Cortex-A9 vyráběný 42nm polovodičovou technologii. Koncem roku 2011 doplnil Samsung další SoC, který již měl procesor s frekvencí 1,5 GHz a s 32nm technologií.

60584-samsungexynos

V roce 2012 lze očekávat, že Samsung vydá SoC s označením Exynos 5450, který bude mít 2,0GHz čtyř-jádrový procesor ARM Cortex-A15.

ST-Ericsson NovaThor / Nova

ST-Ericsson vznikla stejným podílem společností Ericsson a STMicroelectronics. Jejich SoC s názvem NovaThor nebo Nova se objevuje v různých smartphonech a tabletech od roku 2011. Na konci roku 2011 společnost Nokia oznámila, že je bude používat ve svých smartphonech místo Qualcomm Snapdragon. Jinak se systém objevil i v zařízeních Samsung Galaxy S Advance nebo HTC Sensation Z710T, který je dostupný pouze v Číně. ST-Ericsson se zaměřuje spíše na šetření energie a bude se snažit o využití nové technologie transistorů FD-SOI (silicon on insulator).

St-ericsson-h

V roce 2012 připravuje SoC s 2,5GHz dvou-jádrovým ARM Cortex-A15 procesorem s pomocí 28nm technologie.

Intel Medfield, Moorestown, …

Intel vyrábí procesory, které označuje podle názvů měst, takže i u SoC se setkáme s tímto názvoslovím. Vzhledem k tomu, že Intel je známý především jako výrobce procesorů, často dochází k zaměňování označení procesoru a systému na čipu podle procesoru, který v něm byl použit.
Procesory v SoC jsou založené na technologii x86. Medfield, který společnost vydala v roce 2009, měl procesory Intel Atom pro využití v smartphonech a tabletech. Byly vyráběné 32nm technologií. Poté začíná další problém s názvy, protože v roce 2010 vydal Intel SoC s označením Valley View, v roce 2011 Clockerview a též Vallery View 2 (obsahující čtyř-jádrový procesor), takže i když se často setkáme v článcích s porovnáváním jiných SoC s Intelem Medfield, může jít již o novější SoC od společnosti Intel.

6678631837_593fb377ff

Texas Instruments OMAP

Texas Instruments vydali první OMAP 1 v březnu 2009 a byl implementován v tabletech Nokia 770. OMAP 4 bylo možné nalézt u smartphonů různých výrobců, jako jsou Motorola, Samsung, LG, Huawei, BlackBerry, Toshiba, Panasonic nebo Fujitsu.

omap5_tm

OMAP 5, který vyjde ve třetím kvartálu roku 2012, bude připravený pro použití s operačním systémem Android 4.0 a v tabletech s Windows 8. Stejně jako ostatní výrobci využije 2,0 GHz procesor ARM Cortex-A15 vyrobený s pomocí 28nm technologie.

Qualcomm Snapdragon

Qualcomm vyrobil první Snapdragon založený na ARM technologii na konci roku 2008. V červnu 2009 představil využití ve smartbooku a v Asus Eee PC, na kterých běžel Android OS. V roce 2010 byl tento systém zabudován do přístroje Nexus One od HTC s procesorem o frekvenci 1 GHz. Postupně se nasazoval do veškerých smartphonů od HTC, takže v roce 2011 to byly například HTC Inspire 4G, Evo 3D nebo Thunderbolt. Qualcomm chce zjednodušit název na označení pomocí písmene S a číslice, takže čím výkonnější bude procesor v SoC, tím vyšší číslo dostane (S1, S2, S3,…).¨

qualcomm-snapdragon-01

V roce 2012 plánuje Qualcomm vydat (Snapdragon) S4 se čtyř-jádrovým procesorem ARM Cortex-A15.

NVIDIA Tegra

NVIDIA přišla na trh se SoC v roce 2008 se systémem s procesorem Tegra APX 2500 (600 MHz) a celý systém dostal označení Tegra. Tegra byla nejdříve využívána v zařízeních s operačním systémem Windows Mobile nebo Windows CE. Od roku 2009 byla použitelná i s operačním systémem Android. V roce 2010 pak vydala společnost NVIDIA novou sérii s označením Tegra 2. V roce 2011 NVIDIA oznámila vydání prvního SoC se čtyř-jádrovým procesorem. Tento systém pojmenovala Kal-El, ale víc se ujal název Tegra 3. (pozn. NVIDIA používá názvy podle komixů, takže Tegra 4 možná dostane název Wayne podle přijmení komixového Batmana.) Tegra 3 má procesor s taktovací frekvencí 1,5 Ghz a vytvořená je 40nm technologií. Používá se v tabletech, například v Asus Eee Pad Transformer Prime, který umožňuje připojení do dokovací stanice s klávesnicí a působí velice prakticky.

nvidia-tegra-3-processor

Tegra 4 (Wayne), která by měla vyjít v roce 2012 a má ohlášené využití procesoru ARM Cortex-A15.

Závěr

I když je na trhu se SoC dost výrobců, často se v článcích objevuje vyzdvihování jednoho nebo druhého systému na čipu. Pravděpodobně nejlepší budoucnost se v článcích odhaduje pro Tegru od NVIDIA. Myslím si, že jde o zbytečnou reklamu, protože při koupi smartphonu bych se osobně díval na hodnoty parametrů a na výrobce smartphonu. Výrobce SoC by pro mě nebyl tak důležitý, obzvláště pak pokud v nich většina výrobců použije stejný procesor. I tak ale považuji za správné, že i v této oblasti je velká konkurence mezi výrobci, která je nutí zlepšovat výkon zařízení, společně se zachováním rozumné ceny. Také by výrobci neměli zapomínat na výdrž baterií, která u tak výkonných procesorů klesá, protože každý nemusí chtít na smartphonu nebo tabletu hrát hry a zařízení chce využívat na praktické účely.

Zdroje:
news.cnet.com, mips.com, intel.com, macworld.com, samsung.com, ti.com, nasdaq.com
Váňa, V.: ARM pro začátečníky. BEN – technická literatura, Praha, 2009. ISBN 978-80-7300-246-6.


2. díl – Přehled GPU v tabletech a smartphonech

Redaktor si nevyplnil profil

VVelda

15. 4. 2012, 22:08:57
reply

Mám přípomínky a plně souhlasím s příspěvkem výše. :)

Nahoře jsi vypsal procesory/SoCky nejznámějších (nejmarketingovějších výrobců řekl bych) výrobců. Avšak kromě Qualcommu jsou technologicky nevyáznamné a stejně jako tam je Samsung nebo TI, mohl by tam byt čínský Rockchip, který bývá osazen v elvných talbetech z číny nebo Huawei, které je aspoň zajímavé s tím, že mělo jako první 4jádrový ARM čip anebo třeba Ingenic Semiconductor, který je ale spíše povinností jako příklad ze stáje MIPS, když už tuto architekturu výše zmiňujete. :)

No ale z těch dalších technologicky významých, víc než nějaká nVidia tu chybí Freeascale, Marvell, Broadcom ale hlavně ZiiLabs (subdivize Creativu) se svýmy xjádrovými procesory (x říkám schválně, mají tam jiný počet, než jsme zvkylí ;).

Vaši práci oceňuji, pro laika dobré, ale osvěta to je to bohužel malá. :) Zvlášť v době, kdy lidé nejenže jsou schopni srovnávat 2jdárový Krati s 2jdárovým Scorpionem či jedno z těch dvuch s ARMem, ale dokonce ARM/Scorpion s x86 jen podle frekvence by bylo třeba. :)

giff

15. 4. 2012, 16:51:36
reply

Postradam rozsahlejsi obecny uvod jako co je to Cortex, ARMv7, u snapdragonu zminka o Scorpionu a Kraitu a proc se lisej od zbytku.

Pak bych take uvedl, ze az na Samsung, se jedna o fabless vyrobce. Vyroba samotna tedy probiha u Samsungu, TSMC, UMC, Global Foundries nebo snad i v Intelu.

Vyvoj a upravy licencovanych navrhu od ARM si dela kazda spolecnost sama. Chybi i nejaky strucny prehled GPU.

Jako prvni dil serie clanku, ale dobry.