Современные и грядущие ультрамобильные платформы / Ноутбуки и ПК

Этой публикацией мы открываем цикл статей, посвящённый аппаратным и программным компонентам нынешних и будущих мобильных платформ, на базе которых уже освоен или только планируется выпуск электронных информационных устройств ультрамобильного класса. Сказать, что тема эта горячая – почти ничего не сказать, ибо последние месяцы анонсы совершенно новых архитектур для этого сегмента электроники появляются один за другим, уже сейчас в них запросто можно запутаться. Будем надеяться, что систематизированные публикации по этой теме будут полезны не только специалистам, но также широкому кругу пользователей, интересующихся устройством портативной электроники на уровне процессорных микроархитектур, блок-схем и схемотехники компонентов, а также определяющих свой выбор аппаратной платформы возможностью сочетания с той или иной программной платформой. Уточним, что же подразумевается под термином "ультрамобильный класс". Это ультрамобильные ПК (UMPC, Ulltra Mobile PC), интернет-планшеты (MID, Mobile Internet Devices), планшетные ПК (Tablet PC); нетбуки, коммуникаторы, навигаторы и даже портативные развлекательные устройства. Словом, всё мобильное, что, с одной стороны, не называется классическим телефоном и классическим смартфоном (Smartphone 2.0 – это уже несколько другая история), и с другой стороны, не является классическим портативным ПК, то есть, ноутбуком.

Разумеется, деление платформ на "телефонно-смартфонные", "ноутбучные" и "промежуточные-ультрапортативные" более чем условно. Например, процессоры Xscale успешно трудятся в смартфонах, коммуникаторах, навигаторах и даже мини-планшетах. Или процессоры Intel Atom, которые будут задействованы не только в устройствах класса UMPC и MID, но также в бюджетных ноутбуках и даже настольных ПК. Основное внимание в этом цикле статей будет уделяться главным образом, тому, что может быть использовано в ультрамобильных устройствах. Также нет никакой возможности чётко размежевать различные платформы по "софтовому" признаку. Активность производителей процессоров с архитектурой x86 на рынке ультрамобильных устройств растёт как на дрожжах, так что не исключено, что в лидеры со временем могут выбиться операционные системы Microsoft Windows XP/Vista и Linux, потеснив доминирующую ныне Windows Mobile. Возможно, всё будет развиваться по другому сценарию: придёт "лесник" и разгонит тех и других. Например, совершенно новая программная платформа с уникальным сочетанием функций вроде Google Android. Таким образом, в нашем рассказе проще будет вовсе не привязываться к программным оболочкам; ограничимся лишь перечислением вариантов, актуальных для каждой аппаратной платформы. Наконец, ключевой вопрос: почему этот цикл статей выходит именно сейчас? Ответ прост и прозрачен: пора разложить по полочкам, систематизировать всё разнообразие анонсированных решений, пока конечный пользователь окончательно во всём этом не запутался. Помимо этого, уже совсем скоро – во втором полугодии 2008 года, в продаже начнут появляться ноутбуки, коммуникаторы и ультрамобильные устройства с поддержкой скоростных беспроводных сетей нового поколения – Mobile WiMAX, а в ближайшей перспективе подтянутся массовые сотовые сети 3G/4G. Ближе к концу 2008 года преимущества сетей Mobile WiMAX станут доступны, как минимум, жителям Москвы; в ближайшие годы ожидается быстрый рост количества таких сетей во всей России и странах СНГ, а в более дальней перспективе – объединение сетей Mobile WiMAX и 3G под концепцией "единого бесшовного роуминга" по всему миру (на первых порах с автоматическим переходом на GPRS/EDGE/Wi-Fi в местах недоступности более быстрых сетей). Подробнее эта тема развита в нашей статье Комстар-ОТС и Intel запускают первую российскую сеть Mobile WiMAX. Итого, наша сегодняшняя задача – определить круг актуальных (или хотя бы потенциально актуальных) аппаратных платформ для ультрамобильных решений из числа уже анонсированных, очертить круг возможных анонсов ближайших месяцев, а также каким-то образом классифицировать всё это разнообразие.

Мобильные архитектуры на базе x86 процессоров

В рынок ультрамобильных устройств активно, и последнее время всё более успешно вливаются поставщики платформ x86 – наиболее успешно Intel и VIA, в меньшей степени AMD. На стыке конкурирующих платформ начинают появляться интереснейшие модификации уже известных аппаратных решений, и даже причудливые их сочетания и симбиозы. Процессоры с архитектурой x86 ещё недавно были уместны лишь в настольных и [традиционных] ноутбучных решениях. Теперь они с успехом уходят от своего "стационарного прошлого", резко уменьшаясь в габаритах, обзаводясь сверхэкономными режимами работы и компактными чипами "обвязки". Увы, шлейф нерешённых проблем x86-платформ тянется ещё со времён тех самых x86-х процессоров, с которыми теоретически совместимы современные чипы. Разработчикам ультрамобильных версий процессоров приходится изрядно "кромсать" собственные былые достижения в виде филигранно разработанных схем предсказания ветвления, буферов ветвления, разнообразных кэшей и других "прожорливых" модулей, балансируя при этом между снижением энергопотребления и разумным снижением производительности. Говоря о программном аспекте, не стоит забывать, что на стороне x86-платформ – как говорится, "вкус, знакомый с детства": весь спектр привычных программных платформ настольно-ноутбучного класса, включая Windows XP, Windows Vista, Linux, что на практике означает нулевой период адаптации ко всему пулу офисно-оформительских программ. Впрочем, не без недостатков: при всех преимуществах операционной системы Windows Vista сейчас её трудно назвать лучшим выбором для ресурсо-зависимых и сверхэкономичных ультрамобильных ПК, разве что если для вас критичным является рукописный ввод. Было бы неплохо, если в разумной перспективе компания Microsoft довела бы Windows Vista до менее требовательного к ресурсам и более компактного варианта, или выпустила бы специальный, "мобильный" вариант - Windows Vista Mobile, или Windows Mobile под x86, звучит? Впрочем, если следовать традициям, скорее производители аппаратных платформ подстроятся под требования Windows Vista, чем наоборот. Тоже вариант, но пока что стандартом – особенно для корпоративных мобильных пользователей, по-прежнему остаётся Windows XP.

Intel Atom

Intel Atom - наиболее "свежий" и перспективный представитель семейства архитектуры x86, специально разработанный для применения в экономичных мобильных устройствах. Предтечей нынешней ультрамобильной платформы Intel Atom является анонсированная в 2007 году платформа Intel McCaslin с процессорами Stealey, которые представляют собой модифицированные Pentium M, с меньшим кэшем L2, поддержкой расширенных режимов энергосбережения Deep Sleep, в компактной упаковке. Чипы Stealey выпускались в 600 МГц и 800 МГц версиях, комплектовались чипсетом с интегрированной графикой Intel GMA950.

Следующим, действительно революционным шагом стал анонс платформы Intel Atom (в процессе разработки - Intel Menlow), на базе 45 нм процессора Silverthorne и чипсета с кодовым названием Poulsbo. Процессоры Intel Atom, коих в настоящее время массово выпускается пять моделей, "впитали" в себя лучшие наработки архитектур NetBurst и Core, и в дополнение обзавелись рядом уникальных схемотехнических решений. Дальнейшие перспективы развития ультрамобильной платформы Intel связаны с технологией, пока носящей рабочее название Moorestown. Платформа Moorestown будет создаваться по принципу 45 нм "системы в чипе" (System-on-Chip, SOC) с интегрированным процессором, контроллерами видео, графики и памяти; а также с коммуникационным концентратором компонентов ввода/вывода и беспроводных коммуникаций. Ожидается, что энергопотребление мобильных интернет-устройств на базе платформы Moorestown в состоянии простоя будет в 10 раз ниже, чем у устройств на базе платформы Menlow.

Микропроцессорную архитектуру Intel Atom можно назвать восходящей звездой и наиболее крупным триумфом Intel нынешнего года. С июня 2008 года прилавки магазинов захлестнёт волна недорогих решений в компактных форм-факторах на базе чипов Silverthorne. Вероятнее всего, особенностям аппаратной реализации платформы Intel Atom в нынешней её ипостаси – Menlow, а также деталям реализации грядущей версии Moorestown, будет посвящена наиболее обширная часть нашего цикла статей. Оно того стоит.

Разумеется, общая тенденция далеко "не указ" для наиболее амбициозных игроков рынка. Вот почему в классе high-end ультрамобильных устройств будут по-прежнему применяться мобильные чипы платформы Intel Centrino – например, процессоры Core 2 Solo в линейке престижных компактных моделей серии Sony UX или моделях Samsung Q1 Ultra Premium.

От VIA Nehemiah к VIA Isaiah

Оттолкнувшись от базовой разработки – процессорного ядра C3, почти четыре года назад компания VIA представила ядро Nehemiah с рабочим названием C5P, а затем – Esther с названием C5J, которое и получило рыночное название VIA C7 для стандартных систем и C7-M для мобильных вариантов. Базовые характеристики чипа C7-M включают в себя 128 Кб 32-ходового кэша L2, полную поддержку инструкций SSE2/SSE3, бита NX (No Execution), шины V4 (намёк - AGTL+). Плюс широкие возможности аппаратного шифрования и уменьшенное энергопотребление.

Именно так выглядит текущее предложение VIA – ULV чип C7-M в сочетании с чипсетом VX700, поддерживающим интегрированную графику класса DirectX 7. Типичный представитель ультрапортативных ПК на базе этой платформы совсем недавно побывал в нашей лаборатории, см. статью Компактный ПК Packard Bell Easynote XS20: 7 дюймов в дорогу. В связке ULV C7-M + VX700 платформа VIA оставляет двойственное впечатление: если воспроизведение видео в целом неплохое, то возможности графики в совокупности вычислительной мощности платформы не блещут. Особенно на фоне Intel Atom. Продолжительность автономной работы также можно назвать средней для UMPC – порядка 2,5 часов, на уровне Intel McCaslin. Для повышения своей конкурентоспособности компания VIA Technologies предприняла в этом году несколько важных шагов. Для начала был объявлен новый компактный чипсет VIA VX800U со встроенной 3D графикой VIA Chrome9 HC3 класса Microsoft DirectX 9 (VN896), декодированием видео в форматах VMR (для обработки HD-видео), MPEG-2, MPEG-4, WMV9, VC1 и DiVX, и энергопотреблением на уровне 3,5 Вт. Чипсет VIA VX800U доступен уже сейчас, а на ближайшую перспективу VIA готовит массовое производство процессора с новой архитектурой, имеющей рабочее название VIA Isaiah, или VIA CN. Архитектура VIA Isaiah, разработанная в стенах дочерней компании Centaur Technology, обладает двумя блоками кэша L1 по 64 Кб, 1 Мб эксклюзивного 16-ходового кэша L2; объединяет 64-битную суперскалярную спекулятивную микроархитектуру с внеочередным (out-of-order) исполнением инструкций, наслоение микро- и макроопераций (macro-fusion и micro-fusion) со сложной системой предсказания ветвлений, набор 64-битных инструкций, тактовые частоты до 2 ГГц в первых продуктах, системную шину с тактовой частотой 800 - 1333 МГц. Разумеется, архитектура VIA Isaiah предусматривает агрессивные методы управления энергопотреблением с расширенной технологией PowerSaver.

Собственно говоря, архитектурным подробностям реализации планов VIA мы посвятим отдельную публикацию. Сейчас же необходимо упомянуть тот факт, что первые 65 нм процессоры серии Isaiah в серии VIA Nano (поговаривают, что серия будет называться также VIA C8) габаритами 21 x 21 мм будут поконтактно совместимы с процессорами семейства VIA C7, что позволит плавно перейти на новые продукты нового поколения. Всего в серии VIA Nano анонсировано пять чипов (L2100, L2200, U2400, U2500, U2300). В завершение также отмечу, что VIA также вынашивает планы выпуска многоядерных решений – как минимум, 2-ядерного чипа VIA CN.

AMD Geode

Развитие процессорного x86 бренда Geode богато интересной предысторией. Впервые бренд Geode был представлен компанией National Semiconductor в 1999 году, однако архитектура этих чипов начала развиваться гораздо раньше, под крылом компании Cyrix в рамках процессорного проекта Cyrix MediaGX, который и был куплен National в 1997 году. Компания AMD приобрела у National бизнес Geode в 2003 году. В настоящее время семейство AMD Geode включает в себя два подкласса чипов: Geode MediaGX на базе оригинальных архитектур Geode GX и LX, а также Geode NX на базе архитектуры чипов Athlon. Изначально компания AMD планировала развивать линейку чипов Geode преимущественно для рынка встраиваемых систем, где важно низкое энергопотребление, а производительность вторична. Именно для таких приложений и предлагается вариант MediaGX, лишённый поддержки SSE и кэша L1. Там, где востребованы эти функции, используется версия Geode NX на базе архитектуры Athlon. В качестве процессоров для ультрамобильных устройств процессоры AMD Geode наиболее ярко "засветились" в рамках проекта One Laptop per Child (OLPC XO). Первоначально там предполагалось использовать наиболее доступные чипы серии Geode GX, однако впоследствии предпочтение было отдано версии Geode LX, которые нынче выпускаются в версиях LX 700 (433 МГц, TDP 3,1 Вт), LX 800 (500 МГц, TDP 3,6 Вт) и LX 900 (600 МГц, TDP 5,1 Вт). Эти чипы имеют по 64 Кб кэша L1 на данные и инструкции, 128 Кб кэша L2, поддерживают память DDR 400 (LX 800) и 333 (LX 700), наборы инструкций MMX и 3DNow!, производятся с соблюдением норм 0,13 мкм техпроцесса. Существуют также одночиповые варианты с интегрированным CPU, контроллером памяти, графикой и интерфейсами. В целом, ничего особенно впечатляющего, особенно по сравнению с двумя выше упомянутыми проектами от Intel и VIA, но, тем не менее, будущее у AMD Geode в качестве одного из вариантов X86 для UMPC есть.

Мобильные "не-x86" RISC-архитектуры: ARM, MIPS, SH

Число производителей мобильных архитектур на базе готовых лицензируемых ядер очень велико, имя им легион. Что такое, по сути "лицензируемое ядро"? Всё очень просто: имеется ряд компаний, разрабатывающих архитектуры RISC-процессоров исключительно под лицензирование, сами разработчики таких архитектур, как правило, готовые процессоры не производят. Производители чипов в свою очередь получают в своё распоряжение лицензию на готовое ядро с подробным описанием архитектуры, команд и всего остального, необходимого для производства конечных изделий. Дальше каждый разработчик и производитель конструирует на базе полученного "фундамента" свой собственный "дом", с необходимым количеством поддерживаемых интерфейсов и другими особенностями. Одним из популярнейших и крупнейших поставщиков архитектур RISC-процессоров является английская компания ARM Ltd. (Advanced RISC Machines). Интегрированные решения на базе ядер ARM, обладают, как правило, весьма компактным дизайном, весьма экономичными характеристиками энергопотребления, широкой универсальностью. В качестве типичных программных платформ для таких решений можно назвать Windows Mobile, Linux, Symbian и ряд других, с мириадами программ, "заточенных" под мобильный стиль работы, а на подходе – многообещающий Google Android. В качестве одного из наиболее успешных и известных проектов, реализованных на базе ядер ARM, можно упомянуть чипы серии xScale, ранее разрабатывавшиеся и выпускавшиеся Intel, а в прошлом году проданные компании Marvel. По сути, чипы xScale (ранее – Intel StrongArm) – это ядро ARM9, дополненное необходимыми интерфейсами и набором мультимедийных инструкций Wireless MMX. Трудно сосчитать количество моделей различных телефонов, смартфонов, коммуникаторов и навигаторов, выпущенных, выпускаемых или ещё только разрабатываемых на базе чипов xScale. Неудивительно, что многие компании планируют использовать xScale для производства компактных мобильных устройств, вплоть до UMPC.

Наиболее популярным в настоящее время можно назвать одноядерный дизайн ARM11, лицензированный многими производителями чипов. Одним из последних громких анонсов в этом плане можно назвать решение компании NVIDIA о выпуске ARM-платформы Tegra APX2500 (см. нашу публикацию NVIDIA APX 2500 + Windows Mobile = Smartphone 2.0), в составе которой будет трудиться полноценное 3D ядро GoForce 6100 класса DirectX 9. Судя по последней информации, NVIDIA не намерена ограничиваться выпуском APX 2500, и в ближайшее время нас ждёт анонс целого семейства новых ARM-решений от этой компании.

Перспективными разработками ARM, к которым проявляют наибольший интерес потенциальные партнёры, можно назвать Cortex A8 (рабочее название Tiger, базовая архитектура ARM7) и многоядерный Cortex A9. Так, при сравнимом с ARM11 энергопотреблении, ядро Cortex A8 обеспечивает втрое большую вычислительную мощность. С учётом того, что энергопотребление Cortex A8 составляет порядка 500 мВт и сравнимо с младшей моделью Intel Atom (ядро Silverthorne), как знать, какие конкурентные страсти могут разгореться на этом рынке в ближайшем будущем. Ядро Cortex A8 – это уже 2008 год (например, Ti OMAP 3430). Решения на базе многоядерного Cortex A9 ожидаются в 2010 году.

Нет смысла затягивать этот вступительный материал подробностями о каждой RISC-архитектуре. Поэтому здесь и сейчас ограничимся лишь кратким списком тех архитектур, которые мы будем подробно изучать в следующих статьях:

NVIDIA: Tegra APX 2500, Tegra CSX 600/650 (ARM11)
Marvel: xScale (ARM9)
Texas Instruments: OMAP 3 (Cortex-A8), OMAP850 (ARM9), OMAP 1510 (ARM9)
Atmel DAB (ARM7)
Freescale i.MX37 (ARM11)
Toshiba: ARM Cortex-A9, Cortex-R4F
Qualcomm: MSM7200 (ARM11)

Разумеется, список этот лишь примерный, в него навскидку взяты примеры чипов, реализованные в ряде наиболее популярных мобильных устройств последнего времени. По мере анализа и сортировки информации – ближе к публикации подробностей, список будет уточняться.

В заключение сегодняшнего вступительного материала хотелось бы ещё раз остановиться на некоторых обще-индустриальных вопросах. Нравится кому-то моя оценка нынешней ситуации или нет, но до сих пор рынок ультрамобильных устройств развивался неупорядоченно, случайным образом. Собственно говоря, этакий "стихийный" период развития в своё время проходит почти каждая отрасль компьютерной техники. Вспомнить, например, производство процессоров с архитектурой х86: ещё десяток лет назад таких производителей насчитывались десятки, сейчас осталось три компании. Или, например, видеокарты. Бурливший недавно десятками решений, ныне рынок дискретной 3D графики наполняется двумя лидерами, плюс, три игрока – Intel, S3 Graphics и Matrox, играют исключительно в узких сегментах. Рынок платформ для ультрамобильных ПК в настоящее время можно оценить как переполненный самыми разнообразными предложениями. С одной стороны, сюда приходят игроки, привычные для рынков смартфонов, коммуникаторов, телефонов и карманных ПК, принося с собой свои традиционные решения, преимущественно на процессорных ядрах ARM, MIPS или SH, с другой – всё громче заявляют о себе поставщики платформ х86. Противостояние, лишь тлевшее до сих пор ввиду малого пересечения рынков, совсем скоро войдёт в фазу открытого огня. Каковы шансы на безоговорочное господство у одной из противоборствующих сторон, хотя бы в дальней перспективе? На данном, практически стихийном этапе развития сектора ультрамобильных решений, с более-менее приемлемой долей вероятности отдать преимущество одной из сторон очень непросто. На стороне ARM-платформ – хорошо освоенный и привычный для них рынок; огромный выбор поддерживаемых программных платформ – Windows Mobile, Linux и др., с мириадами программ, "заточенных" под мобильный стиль работы. С другой стороны – традиционный x86. К примеру, платформа Intel Atom действительно в состоянии обеспечить достаточную производительность при работе с относительно "тяжёлыми" приложениями, в первую очередь, за счёт гораздо более высоких тактовых частот (до 1,8 ГГц) нежели у конкурентов, и поддержки технологии HyperThreading. Платформы х86 – это операционные системы Microsoft Windows XP и Windows Vista, привычные для любого офисного работника без дополнительного времени на осваивание. По крайней мере, для корпоративного сегмента это большой плюс. И, наконец, пудовый аргумент, который не перебить никаким RISC-процессорам: на ультрамобильных устройствах, основанных на архитектуре х86, можно играть в привычные PC-игры! Не какие-то простенькие ходилки-стрелялки, а полноценные 3D игры – пусть и не самые новые, требующие предельных характеристик аппаратной части, но множество игр прошлых лет запросто пойдут на платформе Intel Atom. Этот аргумент конкурентам пересилить будет очень сложно. Во всём остальном – коммуникациях, воспроизведении высококачественного видео и мультимедийного контента, долгое время может наблюдаться паритет или отдельные преимущества той или иной стороны.

- Обсудить материал в конференции