На MWC 2013 было одновременно забавно и грустно спрашивать людей на стендах, что за железо находится в их новых смартфонах. Потому что почти всегда мы заранее знали ответы. Точнее, ответ — более-менее один и тот же. Что в новых Nokia? Qualcomm Snapdragon. Так-так, а что в HTC One? Qualcomm Snapdragon – правда, поновее. М-м-м, а что у нас в Yota Phone? Тоже Qualcomm Snapdragon — кстати, относительно пожилой. И так далее, за очень редкими исключениями.
В более дешевые смартфоны иногда ставят Mediatek, в аппараты с не очень ясной судьбой — Intel Atom. Еще у Samsung еще есть свой Exynos (хотя если его в том или ином смысле недостаточно, то опять-таки ставят Qualcomm), а у Huawei – High Silicon. Еще где-то на горизонте маячит NVIDIA Tegra 4 – интересная, но пока немного эфемерная. На этом сепаратисты заканчиваются и начинается Qualcomm — сплошной и неизбежный.
Любителям смартфонных мегагерцев и вообще технического разнообразия становится скучно: не покопаешься в архитектуре, не померишься «попугаями» – чипы-то практически во всех смартфонах одного ценового диапазона одинаковые. Но чипы интересны сами по себе, тем более что недавно их линейку обновили. К сожалению, информации о новых SoC Qualcomm почти нет, а ту, что есть, приходится собирать по крупицам. В этом материале мы привели все, что смогли найти и выпытать.
Перед тем как начать рассказ о новых процессорах Qualcomm, позволим себе несколько, в общем-то, очевидных замечаний, от которых и будем отталкиваться дальше.
Во-первых, то, что мы сейчас называем процессорами, — на самом деле не просто процессоры, а системы-на-чипе, или SoC. Процессорные ядра в этих системах сочетаются с графическими, с сигнальными процессорами и — в некоторых случаях — с модемами, без которых в смартфоне никак не обойтись. SoC – это один квадратик кремния, в котором умещается по сути весь вложенный в устройство настоящий хай-тек. Не считая разве что батареи и экрана. И операционной системы, конечно же.
Во-вторых, процессорные ядра Qualcomm, пусть они и основаны на архитектуре ARM, – это не типовой дизайн Cortex-A9 и даже не Cortex-A15. И вообще не Cortex. Да, где-то в основании ядер Krait лежит архитектура Cortex-A9, но настолько серьезно переделанная специалистами из Qualcomm, что язык не поворачивается причислить Krait к какому-либо определенному поколению ядер от ARM. Это просто Krait – он стоит отдельно.
Qualcomm достаточно давно занялась разработкой собственной версии архитектуры ARM-процессоров: еще в 2009 году вышел первый телефон, построенный на SoC QSD 8250. Это было первое поколение процессоров Snapdragon, основанное на ядре Scorpion, в котором прослеживались отчетливые параллели с ARM Cortex-A8. Да и по удельной производительности они мало различались. Но с тех пор сменилось еще четыре поколения чипов Snapdragon, и сейчас на рынок потихоньку выходит пятое, которое даже отдаленно не напоминает то, что ARM предлагает использовать по лицензии всем желающим.
В новых SoC бывает аж пять типов вычислительных ядер: два стандартных — ARM Cortex-A5 и Cortex-A7, а также три собственных, квалкоммовских, — Krait 200, 300 и 400.
Cortex-A5 – самая простая из всех архитектур с поддержкой набора инструкций ARMv7-A. Конвейер в нем насчитывает 8 ступеней, набор инструкций самый минимальный, декодер всего один, исполнение инструкций — только в порядке очереди, кеш — только нулевого и первого уровней. Типичная производительность — порядка 1,57 DMIPS /МГц.
Cortex-A7 (иногда его — в силу исключительной многоядерности процессоров на его основе — зовут Cortex-A7 MPCore) ощутимо интереснее. В нем намного более богатый набор инструкций, заимствованный из Cortex-A15, есть поддержка LPAE (Large Physical Adress Extensions, то бишь возможности работы с расширенным адресным пространством) и виртуализации. Декодер все так же один, исполнение инструкций последовательное. При этом ARM называет данное ядро самым энергоэффективным из всех «Кортексов». Средняя производительность — около 1,9 DMIPS/МГц.
Дальше — еще интереснее. То, что сейчас называется Krait 200, еще недавно звалось просто — Krait. Вкратце напомним, чем Krait отличается от предыдущей архитектуры, Scorpion. Во-первых, ядро Krait может декодировать три инструкции за такт, в то время как Scorpion умел только две, как и обычный Cortex-A9. Во-вторых, Krait и исполняет за такт больше инструкций — их число возросло до четырех против трех у Scorpion. В-третьих, на одну ступень увеличилась длина конвейера: с 10 у Scorpion до 11 в Krait. Для сравнения: в Cortex-A9 ступеней 8, а в A-15 – целых 15. Правда, на примере архитектуры Netburst мы уже выучили, что длинный конвейер — это не всегда хорошо. Также в Krait реализована работа с новыми наборами инструкций из Cortex-A15, к тому же используется более продвинутый алгоритм предсказания ветвлений, нежели в Cortex-A9, а инструкции ядро умеет выполнять вне очереди.
Более того, в Krait реализован полноценный двухканальный доступ к оперативной памяти, поддерживается LPDDR2 и LPDDR3 – последняя уже стандартизирована JEDEC, и в этом году начинается ее использование в конечных устройствах. Максимальный объем ОЗУ — 4 Гбайт, с запасом. Частоту и напряжение каждого ядра можно задавать по отдельности, что в теории значительно уменьшает энергопотребление. На каждое ядро приходится по 8 Кбайт кеш-памяти нулевого уровня (4 Кбайт для инструкций, 4 — для данных) и по 16 Кбайт — первого (разделены так же). Сколько будет кеш-памяти второго уровня, общей для всех ядер, зависит от количества ядер в процессоре.
Все эти усовершенствования ощутимо добавляют производительности. Построенный на базе Cortex-A8 Scorpion выдавал 2,1 DMIPS/МГц, эталонный Cortex-A9 выжимает уже 2,5. А одно ядро Krait еще мощнее: порядка 3,1 DMIPS/МГц. По сравнению со Scorpion прирост почти на 50%.
Krait 300 посвежее и еще немного веселее — фактически это доработанный Krait 200. Длина конвейера осталась прежней, но Qualcomm выжала из ядер большую частоту. Скорее всего, за счет одновременного повышения напряжений и оптимизации таймингов и структуры ядра. Объемы кеша прежние.
В Krait 300 появилось устройство предвыборки, которое может записывать данные напрямую в L2-кеш. Также обновился блок предсказания ветвлений. Так как длина конвейера осталась неизменной, это вылилось в более эффективное его использование и, соответственно, увеличение производительности. К тому же Krait 300 умеет выполнять большее количество различных инструкций вне очереди.
Известно, что Krait 300 способен передавать данные между конвейерами, правда, не факт, что этого не умели ядра Krait 200: Qualcomm скупа на информацию.
Также известно, что в Krait 300 улучшена работа с JavaScript, ускорено выполнение операций с плавающей запятой. Все это вместе дает прирост производительности примерно до 3,4 DMIPS/МГц, что в сочетании с повышением частот должно приносить где-то 20-30%-й профит в результирующей производительности ядер.
Самое архитектурно-бодрое ядро из использованных в новых Snapdragon — Krait 400. Вот только о конкретных изменениях опять-таки известно очень мало.
Большинство современных процессоров Qualcomm производится в рамках 28-нм техпроцесса, новые чипы с архитектурой Krait – не исключение. Но есть некоторая разница: для производства ядер Krait 400 используется так называемая технология HPm (High Performance Mobile Technology). Ее суть сводится к применению диэлектриков с высоким значением диэлектрической постоянной и металлических затворов (High-K/Metal Gate, или HKMG).
Да-да, это практически та самая технология, которую Intel применила при переходе к производству 45-нм процессоров Penryn. Она позволяет повысить производительность процессоров при сохранении прежнего уровня напряжений — теперь можно выжать большие частоты в рамках того же TDP, что в Qualcomm и сделали. Все процессоры с ядрами Krait 300 и Krait 200 штампуют по старой технологии, без металлических затворов и практически непроводящих диэлектриков, в рамках так называемого LP-техпроцесса.
Также известно, что при переносе на новый техпроцесс были немного изменены разводка ядра и его его дизайн. Изменения коснулись и кеш-памяти второго уровня — теперь она работает на большей частоте.
Различных графических ядер в новых Snapdragon четыре — по количеству семейств процессоров.
Adreno 203 – самое слабое из четырех. Сайт Qualcomm не знает о нем ничегошеньки. Так что мы можем привести лишь тот факт, что оно работает с API Direct3D 9.0c и OpenGL ES 2.0.
Adreno 305 – это обновленная версия Adreno 225, засветившегося ранее в Snapdragon S4 Pro. Разница в том, что 305-е, как и все остальные GPU 300-й серии, несколько современнее: например, оно «дружит» с такими API, как Direct3D 9.3, OpenGL ES 3.0 и Open CL 1.2, в то время как 200-е поколение Adreno работало только c Direct3D 9.0с и OpenGL ES 2.0. Исключение составляет Adreno 225, которое знакомо с Direct3D 9.3 и Open GL ES 2.0, – оно находится где-то посредине между 200-м и 300-м поколениями. 305-е должно быть примерно в два-три раза мощнее 203-го.
Adreno 320 основано на совершенно новой архитектуре. Это первый графический адаптер с унифицированными шейдерными процессорами. Такая архитектура позволяет значительно равномернее распределять нагрузку и выжимать больше из одного и того же количества потоковых процессоров. В настольной графике до этого дошли уже давно, постепенно данный принцип внедряют и в мобильных решениях.
Кстати, а вы знали, что название Adreno – анаграмма от более известного Radeon? Линейка была переименована, когда Qualcomm приобрела мобильное графическое подразделение AMD/ATI, занимавшееся мобильными чипами Imageon.
Интересно, что Adreno 320 умеет на лету обсчитывать то, что видит камера, позволяя, например, реализовывать съемку HDR-видео. По мощности Adreno 320 примерно в четыре раза обходит Adreno 225 и 305, в шесть — Adreno 220 и где-то в 12-18 — Adreno 203.
Самое страшное — Adreno 330. Архитектура в нем та же, что и в 320-м. В Qualcomm предпочли пока не говорить о нем ничего конкретного и сконцентрироваться на пользовательской стороне вопроса: как будут выглядеть на этом игры и видео.
Во-первых, сообщается, что Adreno 330 примерно в полтора раза мощнее Adreno 320 по чистой вычислительной производительности. То есть работать все будет, мягко скажем, очень быстро. Во-вторых, Qualcomm вместо цифр приводит видео с планшетом, на котором рендерится сценка с драконом. Сценка очень детализированная: видно, что на дракона и его окружение не жалели полигонов, а на пламя из его пасти — и подавно. То, как выглядит огонь, намекает, что Adreno 330 здорово работает с физикой. Похоже, у «Тегры» в этом аспекте наконец появится конкурент.
Кратко пройдемся по остальным частям систем на чипе. Во всех процессорах Snapdragon нового поколения используется по несколько цифровых сигнальных процессоров (DSP) Hexagon, построенных на архитектуре VLIW (Very Long Instruction Word).
Младший, QDSP5, работает на частоте 384 МГц.
Старшие, QDSP6 V4, достигают частоты 500 МГц.
Наконец, самый-самый мощный, QDSP6 V5 A, трудится на частоте 600 МГц.
Собственно, DSP нужны для того, чтобы разгрузить процессор и графическое ядро во время выполнения таких операций, как воспроизведение музыки, передача данных и компрессия голоса. Hexagon отличаются тем, что поддерживают вычисления с плавающей запятой, векторные операции, динамическую многозадачность и большое количество мультимедийных инструкций. В общем, они больше похожи на центральные процессоры, чем на обычные сигнальные. А энергии потребляют при этом меньше.
С модулями GPS тоже все просто, то есть ничего не понятно. В новых процессорах встречается три версии: gpsOne 7A, gpsOne 8A и gpsOne 8B. Qualcomm просит «оставаться на связи» — скоро она должна рассказать, чем же эти модули различаются. Пока мы знаем, что у них общего: все они умеют ориентироваться по спутникам GPS и ГЛОНАСС, по сотовым вышкам, а также запрашивать через Интернет информацию о расположении спутников.
Wi-Fi во всех чипах разработан подразделением Qualcomm с известным многим читателям именем Atheros. В рассматриваемых нами SoC будет встречаться в двух видах: 802.11n и 802.11ac.
Qualcomm — чуть ли не самый крупный поставщик модулей сотовой связи. Так что их разнообразие удивления вызывать не должно: встречаются модули, работающие как в GSM-, так и в CDMA- диапазонах, как в сетях 3G, так и в 3,5G (то бишь HSPA и даже HSPA+). Пожалуй, самое интересное в новых чипах — встроенный в некоторые из них мультидиапазонный модем LTE. Он умеет работать в любых существующих частотных диапазонах, включая LTE FDD (Cat. 1-26), LTE TDD (Cat. 33-43), CDMA1x, EV-DO, TD-SCDMA и GSM. То есть со смартфоном на базе этого чипа не будет такой ситуации, что приехали вы, скажем, в Китай и остались без связи из-за того, что ваш аппарат не работает в китайских сетях. А так как разных диапазонов LTE ужасающе много, такая возможность видится исключительно полезной.
Перейдем, собственно, к самим SoC. В последнее, пятое семейство SoC Qualcomm входят четыре чипа: Snapdragon 200, 400, 600, 800. Из них три — 400, 600, 800 — похожи, а 200 — сильно отличается. Начнем с более продвинутой троицы и для начала рассмотрим младшую модель — четырехсотую.
⇡#Snapdragon 400 – для смартфонов среднего ценового сегмента
Тут нас с самого начала ждет подвох. Дело в том, что бывает несколько очень разных Snapdragon 400, с разными процессорными архитектурами, разным количеством ядер и так далее.
Спасибо Qualcomm, в них есть хоть что-то общее — это графика Adreno 305. Ее можно встретить абсолютно во всех модификациях Snapdragon 400. По этой причине одинаковым является и максимальное поддерживаемое разрешение дисплея самого гаджета — 1280х800, а также разрешение внешнего монитора — 1280х720.
Одинаковые во всех Snapdragon 400 и цифровые сигнальные процессоры: везде использованы одни и те же Hexagon QDSP6V4. Все — по этому поводу — умеют проигрывать и записывать видео с разрешением 1080p. Во всех чипах можно найти модули Bluetooth 4.0 и GPS/GLONASS-приемники gpsOne Gen8A.
Общий и объем кеш-памяти второго уровня: вне зависимости от типа использованных ядер и их количества, ее здесь 1 Мбайт. Работает она, как и в остальных Snapdragon, на более низкой частоте, чем процессорные ядра. Наконец, еще одна общая черта — технологический процесс: для всех это 28-нм фотолитография, так называемый LP-техпроцесс.
Два самых младших чипа — MSM8225Q и MSM8625Q – получили по четыре вычислительных ядра ARM Cortex-A7, работающих на частоте до 1,4 ГГц. Что-то подсказывает нам, что буква Q в конце модельных номеров обозначает именно четырехъядерность. С точки зрения памяти оба чипа ограничены стандартом LPDDR2. Wi-Fi в них небыстрый — 802.11n, они работают в сетях HSPA+, но в разных: MSM8225Q ориентирован на GSM-диапазоны, а MSM8625Q – на CDMA. Фактически эти чипы перенесли из предыдущего поколения недорогих моделей процессоров. Их можно считать своего рода аналогами «первого в мире четырехъядерного процессора Hi-Silicon», которым щеголяла в прошлом году компания Huawei.
Тройка более мощных чипов получила по два ядра общего назначения, зато каких — Krait 200. Правда, работают они на невысокой частоте — до 1,2 ГГц. При этом память все равно осталась медленной — LPDDR2, Wi-Fi все еще ограничен стандартом 802.11n. Зато в придачу к чипам MSM8230 и MSM8630, работающим в GSM- и CDMA-сетях соответственно, добавился MSM8930 с поддержкой вседиапазонного LTE.
Наиболее мощных Snapdragon 400 аж четыре штуки. Все они построены на паре вычислительных ядер Krait 300, частота которых может достигать 1,7 ГГц. Им и память досталась побыстрее — LPDDR3, и Wi-Fi более современный — 802.11ac. MSM8230AB и MSM8630AB, как вы уже догадались, созданы для GSM- и CDMA-сетей соответственно, MSM8930AB дружит еще и с многозонным LTE, при этом только в наиболее мощной группе «драконьих пастей» нашлось место для чипа вовсе без модема — MSM8030AB. Почему его зовут не APQ8030AB — мы сказать не можем.
В общем, Snapdragon 400 – на данный момент самая разветвленная и запутанная из всех серий модельного ряда Qualcomm. Фактически, покупая смартфон, в характеристиках которого значится лишь краткое Snapdragon 400, вы получаете кота в мешке – надо разбираться более подробно, что же там на самом деле за «дракончик».
⇡#Snapdragon 600 – для смартфонов верхнего ценового сегмента
Snapdragon 600 — куда более интересная SoC. Во-первых, процессорных ядер в ней не два, а четыре. Во-вторых, работают они на частоте до 1,9 ГГц. В-третьих, это достаточно мощные Krait 300. Объем кеш-памяти второго уровня закономерно удвоился вместе с числом ядер — теперь 2 Мбайт. Snapdragon 600 общается с оперативной памятью LPDDR3 по 32-битной шине. На что способен Snapdragon 600, мы не так давно видели в действии на примере HTC One.
Графика тоже использована неслабая — Adreno 320 HF, то есть разогнанная Adreno 320. Оценить ее способности можно в той же статье. Adreno 320 умеет работать с дисплеями, разрешение которых достигает 2048х1536. То есть в том же HTC One графика трудится далеко не на пределе возможностей. Разрешение внешних, подключаемых дисплеев не должно превышать 1080p.
Примечательное отличие Snapdragon 600 от остальных — в нем нет встроенного сотового модема. Однако практически везде он будет поставляться с внешним LTE-модемом второго поколения и модулем Wi-Fi 802.11ac. Зато модули Bluetooth 4.0 и gpsOne Gen8A встроены в чип, так что даже в устройствах на базе новой SoC без сотового модема будет GPS. В Snapdragon 600 установлены DSP Hexagon QDSP6V4.
600-й способен работать с камерами, разрешение которых ограничено отметкой 21 Мп, при этом умеет делать 3D-фотографии. Эта же опция доступна и для некоторых Snapdragon 400 (скорее всего для тех, которые построены на ядрах Krait 300). Snapdragon 600 существует в единственной версии — APQ8064T – и производится в рамках 28-нм LP-техпроцесса. Подозреваем, что T — значит «турбо», так как предыдущий четырехъядерник из семейства S4 Pro назывался APQ8064.
⇡#Snapdragon 800 – для сверхмощных планшетов и смартфонов
Самый интересный из всех — Snapdragon 800. Это четырехъядерная SoC с архитектурой вычислительных ядер Krait 400, причем их частота может достигать 2,3 ГГц. Чип по 32-битной шине общается с быстрой двухканальной памятью LPDDR3 с частотой до 800 МГц, ее пропускная способность составляет 12,8 Гбайт/с — почти как у памяти в обычных ПК. Уж как минимум на уровне современных ноутбуков. Объем кеш-памяти второго уровня такой же, как у Snapdragon 600, — 2 Мбайт.
С использованием архитектуры Krait 400 Snapdragon 800 автоматически переехал на 28-нм HKMG-техпроцесс (HPm). Qualcomm не очень распространяется насчет точных цифр энергопотребления новых чипов, но заявляет, что Snapdragon 800 под нагрузкой должен быть аж в два раза экономичнее, нежели его предшественники. В Snapdragon 800 установлены сигнальные процессоры самого последнего поколения — Hexagon QDSP6V5A, работающие на частоте 600 МГц.
Snapdragon 800 на лету декодирует 4K-видео (да-да, то самое, с разрешением 4096х2304 точки), умеет работать с дисплеями, разрешение которых составляет 2560х2048 точек, а разрешение подключаемых внешних дисплеев может достигать тех самых 4K. Более того, этот же чип умеет декодировать 7.1-канальный звук в формате DTS HD.
В Qualcomm озаботились и тем, как закачивать фильмы в таком разрешении на смартфон: в Snapdragon 800 нативно реализована работа с USB 3.0 – в остальных чипах пока поддерживается только 2.0. Еще интересная особенность 800-го — поддержка технологии Quick Charge 2.0, которая в теории позволяет заряжать смартфон на 75% быстрее по сравнению с «остальными».
В том, что касается работы с камерой, у чипа тоже полный порядок: можно установить 55-Мп модули (привет, Pureview!), причем сразу два — в стереопару. Под это дело в 800-й интегрировали целых два сигнальных процессора обработки изображений. Еще одно отличие — в 800-м использована самая последняя версия GPS-приемника gpsOne Gen8B.
Snapdragon 800 существует в четырех модификациях. Лишь одна из них — MSM8974 – имеет тот самый встроенный многозонный LTE-модем. MSM8274 ограничивается HSPA+, MSM8674 работает в CDMA-сетях, а APQ8074 лишена модема вообще.
В заключение распишем последнюю из новых серий SoC — Qualcomm Snapdragon 200. Она предназначена для откровенно бюджетных устройств. Тем не менее в Snapdragon 200 собрано целых четыре ядра, работающих на частоте до 1,4 ГГц. Правда, это, так сказать, не те ядра — здесь используется архитектура ARM Cortex-A5. Напомним, одно ядро Krait 200 на той же частоте более чем в два раза обходит Cortex-A5 по вычислительной мощности, так что не ждите от этих четырех ядер великих совершений. Это скорее маркетинговый ход. Процессор комплектуется относительно медленной памятью LPDDR2, работающей, по всей видимости, в одноканальном режиме.
Snapdragon 200 – единственная SoC Qualcomm нового поколения, производящаяся в рамках 45-нм LP-техпроцесса. Так что в данном случае малопроизводительный — совсем не значит экономичный.
Графика в 200-е ставится откровенно бюджетная — Adreno 203. Максимальное поддерживаемое разрешение экрана — 840х480. С Full HD-видеороликами Snapdragon 200 не справляется: максимальное разрешение декодируемого видео — 720p. Максимальное поддерживаемое разрешение камеры — 8 Мп. Не менее бюджетный и DSP — здесь не используются сигнальные процессоры семейства Hexagon QDSPV6, как в старших чипах. Предпочтение отдали дешевому и старому QDSP5 с частотой 384 МГц. Более мощные тут, правда, и не нужны.
Даже GPS-приемник в 200-м далеко не последнего поколения — gpsOne Gen7A. Смартфонам на Snapdragon 200 не светит LTE, они будут работать только в сетях 2G/3G (не затрагивая 3,5G), а в том, что касается локальных сетей, возможности чипа ограничены Wi-Fi 802.11n. Зато даже в самом бюджетном чипе Qualcomm реализовала поддержку Bluetooth 4.0. Существует две разновидности Snapdragon 200: MSM8225Q и MSM8625Q. Оба с 3G-модемами, но один для GSM-диапазона, второй — для CDMA. Реальных устройств на 200-м пока нет.
Перед тем как подвести итоги, приведем инфографику, поясняющую, как соотносятся чипы Snapdragon 200, 400, 600 и 800 между собой.
Новое поколение SoC Snapdragon принципиально отличается от предшественников в первую очередь модулями связи. Мультидиапазонные модемы LTE, поддержка Wi-Fi 802.11ac, повсеместный Bluetooth 4.0 – все по самым последним стандартам.
Особенно интересен Snapdragon 800 – и мощными процессорными ядрами, и графической составляющей, которая даст Qualcomm возможность поспорить с NVIDIA за первое место по производительности мобильной графики. Со временем HPm-техпроцесс, скорее всего, немного улучшат, что позволит преодолеть частотный барьер в 2,3 ГГц.
Snapdragon 400 и 600 по сути представляют собой доработанные версии уже существующих чипов S4 Pro, так что ничего принципиально нового в смысле производительности от них ждать не приходится, хотя они все же ощутимо быстрее предшественников. Тем не менее это вполне конкурентоспособные SoC, которые мы в ближайшем будущем увидим во множестве различных устройств. Да что там, больше половины современных флагманов построено на Snapdragon 600.
Наконец, Snapdragon 200 должен сменить на посту устаревшие S1 и S2, которые использовались в бюджетных устройствах. Он не сильно поднимает планку производительности, зато наделяет их отличным набором средств связи, что не может не радовать.