Techbox: SoC tvoří srdce každého telefonu

Tento článek je čtrnáctým dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.

Malé rozměry smartphonů a tabletů si žádají zcela jinou koncepci, než s jakou se setkáváme u desktopů, kde se na jednu základní desku připojují počítačové karty. Takové plýtvání prostorem si tato zařízení nemohou dovolit, proto je zde použit koncept SoC (System on Chip = Systém na čipu). V podstatě se jedná o to, že celý systém je vměstnán do jednoho čipu.

SoC od různých výrobců se mohou lišit komponenty, které obsahuje, přesto lze definovat některé základní. Tou nejdůležitější částí každého SoC je procesor, který může být jednojádrový nebo vícejádrový. Většinou se jedná o typ ARM, kterému se ještě podíváme na zoubek podrobněji.

Chybět nemůže ani operační paměť a grafický čip GPU, který vykresluje všechnu tu náročnou grafiku, kterou si na svém mobilu nebo tabletu prohlížíte. Aby mohl procesor se všemi komponenty komunikovat neobejde se bez Northbridge (Severní můstek), který je znám také znám jako systémový řadič. Kromě severního existuje ještě Southbrige (Jižní můstek), který se také může v některých případech nacházet v SoC. Jedná se o čip, který zpracovává jednotlivé I/O funkce.

Někteří výrobci si přidávají do SoC i mobilní rádia. Příkladem je Qualcomm Snapdragon S4, který tak má už přímo v sobě zabudovanou podporu LTE. Dalšími často používanými moduly v SoC jsou pak například Wi-Fi, Bluetooth, satelitní navigace GPS, ale i konkurenční ruský systém GLONASS.

Mobilním procesorům vládne ARM

Drtivá většina dnes používaných SoC v mobilních telefonech, tabletech a dalších mobilních zařízeních dnes používá architekturu ARM. Tu na počátku 80. let vyvinula britská společnost Acorn Computers. Ten prvotní impuls, kterému vděčíme za existenci této platformy, však vyšel ze zcela nečekaného místa. Je jím britská rozhlasová a televizní společnost BBC. Tu v první polovině 80. let, kdy na rychle rozvíjejícím se trhu s osmibitovými počítači ve Velké Británii kralovala společnost Sinclair, napadlo, že by bylo dobré mít jednoduchý výukový počítač, který by oslovil nejen školy, ale i širokou veřejnost. Záhy se však ukázalo, že je to pro BBC příliš velké sousto a nemá vlastní kapacity ani finanční prostředky na vývoj a masovou výrobu takového počítače.

Hledala proto partnera a volba nakonec padla právě na cambridžskou společnost Acorn Computers. Plodem spolupráce mezi oběma společnostmi byl počítač vybavený levným osmibitovým mikroprocesorem MOS 6502, který mimo jiné nabídl operační jazyk BBC Basic, což byla odnož BASICu.

Na osmibitovém procesoru sice jednoduché úlohy napsané v BASICu běhaly bezproblémově, ale snaha o vytvoření grafického rozhraní již narážela na technické limity. Acorn Computers tak měl dvě řešení, buď mohl sáhnout po některém 16/32bitovém mikroprocesoru na trhu nebo vyvinout svůj vlastní mikroprocesor. Pro nás na štěstí se rozhodl pro druhou variantu a společnost se pustila do vývoje vlastního čipu.

To, co původně vzniklo z nouze pro potřeby vyvíjeného počítače, se postupně ukázalo jako hlavní obor podnikání pro Acorn Computers, kterému se s prodejem vlastních počítačů v konkurenci IBM PC nedaří. Světlo na konci tunelu se definitivně objevuje v roce 1990, kdy zakládá Acorn Computers společně se společnostmi Apple Computer a VLSI Technology novou společnost ARM Holdings. Ta se kromě vývoje procesorů ARM zabývá i navrhováním a licencováním celých počítačových platforem a nástrojů pro návrh počítačových programů. Jde o jednoho z nejvýznamnějších hráčů v oboru.

Uvádí se, že jen v roce 2007 jste mohli najít některý z licencovaných procesorů ARM v 98 procentech mobilních telefonů. V roce 2013 zůstávají procesory ARM nejpoužívanější architekturou v mobilních zařízeních a nejoblíbenější architekturou v 32bitových vestavěných zařízeních.

Historie platformy ARM

Zásadním rozhodnutím při návrhu nového procesoru, který nesl jméno ARM1 (zkratka od Acorn RISC Machine, později Advanced RISC Machine), bylo nestavět na zelené louce, Místo toho vyšli jeho tvůrci Steve Furber a Sophie Wilson z v té době populární architektury úsporných mikroprocesorů RISC (Reduced Instruction Set Computing). Ta se vyznačuje redukovanou instrukční sadou, díky čemuž mohou nabídnout jednoduchou vysoce optimalizovanou sadu strojových instrukcí.

Typickými rysy architektury RISC, kterou přejalo i ARM je, že procesory komunikují s pamětí po sběrnici, redukované jsou pouze typy strojových instrukcí, které se skrývají takříkajíc pod povrchem. Jedna instrukce je dlouhá vždy jeden cyklus. Délky cyklů v bitech je tak u všech instrukcí stejná a mikroinstrukce jsou hardwarově implementované na procesoru. Hlavní výhodou tohoto řešení přitom je, že je výrazně zrychleno jejich provádění. U RISC procesorů neexistují jednoúčelové registry, což výrazně zjednodušuje tvorbu překladačů. Navíc procesory využívají tzv. pipelining neboli řetězení instrukcí.

První generace procesoru ARM1 byla představena v roce 1984 a první testovací várka mikroprocesorů byla dokončena 26. dubna 1985. Jeho tvůrci použili jako polovodiče GaAs (Arsenid gallitý), nabídl na svou dobu vysoké taktovací frekvence. Navíc použili šířku 32 bitů nejen u externí a interní datové sběrnice, ale i u instrukcí v instrukční sadě a registrů, což výrazně zjednodušilo řídící logiku v čipu. Procesor je schopný pracovat ve čtyřech režimech: uživatelský režim USR, privilegovaný režim supervizora SUP, privilegovaný režim přerušení IRQ a privilegovaný režim rychlého přerušení FIQ.

Už o rok později se objevuje druhá generace pojmenovaná ARM2, která přináší hardwarovou násobičku. Ta je oddělena od samotné aritmeticko-logické jednotky (ALU) a pracuje na ní nezávisle a paralelně. Frekvence procesoru byla rovněž zvýšena na 8 MHz. ARM2 nabídl 32bitovou datovou sběrnici, 26bitový adresový prostor a 27 32bitových registrů. Přitom bylo 8 bitů z registru programového čítače k dispozici pro jiné účely.

Z ARM2 byly odvozeny procesory ARM250, ARM2a. Poslední jmenovaný již byl vybavený miniaturní cache a dosahoval výkonu 12 MIPS@ 25 MHz (MIPS = milion operací za sekundu). Zástupcem této řady je například procesor Acorn Archimedes.

Následuje ARM3, který má architekturu ARMv2a a jádro ARM3. Jako první přichází s integrovanou mezipaměti a nabízí cache 4 kB. Už u této verze začíná být značení mírně řečeno nepřehledné, a tak například rodiny čipů ARM6 a ARM7, používají shodnou architekturu ARMv3 a liší se ve verzích jáder. Do rodiny ARM6 patří například procesor ARM 610 RISC, kterým byl vybaven jeden z prvních PDA Apple Newton, který byl představen v roce 1993. Příkladem zařízení s procesorem ARM 710a RISC je pak osobní digitální asistent Apple eMate 300 z roku 1997.

Poslední rodinou ARM procesorů s číselným označením je ARM11 s architekturou ARMv6KZ a jádrem As ARM1136EJ(F)-S, který dostal například první Apple iPhone, který byl oficiálně představen 29. června 2007. Poté ARM přechází na označení Cortex. V současnosti nejaktuálnější a nejvýkonnější verzí procesoru ARM určeného pro mobilní telefony a tablety je Cortex-A15 MPCore, který byl představen v dubnu 2011. Nabízí podporu až 16 jader, takt až 2,5 GHz, 4 MB vyrovnávací paměti a zvládá operační paměť až 1 TB.

Každý výrobce na to jde jinak

Jak již bylo řečeno, ARM Holding sice vyvíjí procesory ARM a licencuje je, ale výroba SoC je již zcela v režii jednotlivých výrobců. Mezi jednotlivými SoC jsou díky tomu rozdíly, třebaže používají stejné jádro. Stačí se podívat na loňské populární čipsety Nvidia Tegra 3 a Snapdragon S4, které se používají i v letošních modelech střední třídy. S Qualcommem se můžete potkat například v Lumiích od Nokie nebo v LG Optimus L7 II. Nvidii Tegra 3 má pod kapotou například HTC One X a řada tabletů.

Zatímco Nvidia ve svém SoC Tegra 3 kromě procesoru požívá už jen GPU, paměťový řadič a video výstup, tak Qualcommu se do něj podařilo vměstnat i GPS, Wi-Fi a LTE. To je dáno i tím, že Qualcomm v případě tohoto čipsetu používá 28 mm výrobní proces, díky čemuž potřebuje méně křemíku, zatímco Nvidia setrvává u 40 mm. Oba čipsety přitom používají shodné jádro ARMv7.

Dalším významným a tradičním producentem SoC postavených na ARM je společnost Texas Instruments se svou řadou OMAP. Svou vlastní řadu SoC má však i jihokorejský Samsung. V roce 2010 představuje svůj čipset S5PC110 (nyní známý jako Exynos 3 Single), který je postavený na základech ARM Cortex-A8, a vybavuje jím svou tehdejší vlajkovou loď Samsung Galaxy S. V současnosti nejnovější typ Exynos 5 Octa (interně známý jako Exynos 5420) nabízí 1,8-1,9 GHz čtyřjádrový ARM Cortex-A15 a 1,3 GHz čtyřjádrový ARM Cortex-A7. Setkat se s ním můžete v Samsung Galaxy Note 3 nebo Samsung Galaxy Note 10.1 (2014 Edition).

Své vlastní SoC na základě ARM si pro své produkty vyvíjí i Apple. Už pro svůj první iPhone si nechal od Samsungu vyrobit čipset APL0098, který obsahoval jednojádrový procesor ARM11 taktovaný na 412 MHz a grafický čip PowerVR MBX Lite. Zatím poslední verze Apple A7, kterou je vybavený Apple iPhone 5S, má být 40x rychlejší než čipset v prvním iPhonu. Přináší 64bitovou architekturu a je založena na ARMv8.

Do mobilních zařízení fušuje i Intel

Přestože ARM zdá se neohroženě vládne světu mobilních zařízení, svůj kousek koláče by si rád ukousl i Intel s platformou x86, která je jinak doménou stolních počítačů a notebooků. Tato architektura je jinak známá především díky operačnímu systému Windows, který je pro ni typický. Výjimkou je pouze Windows 8.x RT, který běží na ARM. Obě platformy jsou přitom mezi sebou nekompatibilní.

Loni v lednu proto Intel ve spolupráci s Motorolou představil SoC postavený na jednojádrovém procesoru Atom Z2460 s kódovým označením Medfield, které nabízí srovnatelný výkon jako vícejádrové procesory ARM. S procesory Intel Atom Zxxx se můžete setkat například u některých modelů ZTE, jako je ZTE Grand X2 In.

V GPU je nabídka pestřejší

Podobně, jako existují různé procesory použité v SoC existují i různé architektury GPU. Zde však není taková dominance jednoho řešení jako u procesorů. Mezi přední výrobci grafických čipů patří PowerVR, což je divize britské společnosti Imagination Technologies (dříve známé jako VideoLogic), která se zabývá vývojem hardwaru a softwaru pro rendrování 2D a 3D grafiky a pro encodování a decodpvání videa. S jejich výrobky se můžete setkat například v SoC OMAP, Apple Ax, ale i v IntelMedfield.

NVIDIA, která je sama významým výrobcem grafických karet si vyvíjí pro své SoC Tegra vlastní grafické čipy GeForce. Součástí SoC Snapdragon od Qualcommu jsou pak vlastní GPU Adreno. Pozadu však nezůstáví ani samotné ARM, které kromě procesorů navrhuje i GPU ARM Mali, s nímž se můžete setkat například v SoC Exynos od Samsungu.

Je dobré se při výběru smartphonu řídit pouze použitým SoC?

Není možné vypíchnout jednu konkrétní značku a jeden konkrétní model SoC jako nejlepší. Jistě, každý výrobce to dělá trochu jinak, každý výrobce si přidá něco svého, ale pokud vezmeme modely se stejným použitým jádrem a architekturou, jsou jejich výkony srovnatelné. Můžeme mít dvě zařízení se srovnatelným SoC, ale každý z nich nám může nabídnout diametrálně odlišný uživatelský zážitek.

Při výběru smartphonu nebo tabletu jistě patří použitý SoC mezi důležité parametry a zajímá nás, kolik má jeho procesor jader, na jaké frekvenci je taktovaný, jak výkonnou má grafickou kartu nebo kolik má paměti. Stejně tak je ale důležité sledovat další parametry, jako je použitý displej, kapacita baterie nebo jaký má operační systém a jak je odladěný. Důležité tak je vnímat zařízení jako celek navzájem spolupracujících částí.

A co vy, je pro vás použitý SoC důležitým určujícím ukazatelem při výběru mobilu či tabletu nebo spíše hledíte na jiné věci?