Краткий экскурс об устройстве процессоров современных смартфонов
Краткий экскурс об устройстве процессоров современных смартфонов
Процессор или же чипсет, иначе говоря система на чипе (SoC), неотъемлемая часть любого устройства, будь то робот пылесос или умные колонки. В этой статье мы более подробно разберем, что такое система на чипе, но при этом постараемся рассказать так, чтобы было понятно любому рядовому пользователю.
На рынке мобильных устройств существует десятки различных процессоров. И это не привычные процессоры, которые устанавливаются в ПК. SoC или же система на чипе содержит в себе память, различные блоки обработки, модемы и многое другое и все это распаяно на одной небольшой плате.
Система на чипе — сердце вашего смартфона
Подобная схема объединения важных компонентов на одной печатной плате значительно помогает в удешевление производства смартфона, а также способствует наилучшему энергопотреблению. К процессору (SoC) впоследствии подключаются остальные компоненты смартфона.
Приведу небольшой список модулей, которые установлены в системе на кристалле.
На сегодняшний день, мобильные процессоры построенные на архитектуре ARM, выполнены по 7-нм техпроцессу, но уже сейчас ведется освоение производства полупроводников по 5-нм техпроцессу.
Кто производит мобильные процессоры
На сегодняшний день главным производителем мобильных процессоров является Qualcomm. Следом идет Mediatek и Samsung, а также Huawei, которые в скором времени из-за санкций США прекратят разработку и производство фирменных процессоров Kirin.
Итак, Qualcomm выпускает мобильные процессоры для флагманов, среднячков и бюджетных смартфонов. Флагманские процессоры представляют линейку Snapdragon 8xx. Процессоры среднего сегмента входят в 600-ю и 700-ю серию. Некоторые из этих чипов могут иметь постфикс с 5G или с буквой “G”, первое обозначение означает поддержку сетей пятого поколения, буква “G” в название чипа означает что он заточен под игры. Процессоры начального уровня относятся к 400-й серии.
Samsung также производит чипсеты для различных сегментов. Флагманская серия относится к 900-й серии, последний процессор Exynos 990, он установлен в Galaxy S20/ Note 20. В бюджетных смартфонах устанавливают процессоры с номером Exynos 7904 и Exynos 9610
Процессор — за что он отвечает и для чего нужен
Центральный процессор или же система на чипе в простонародье называют просто процессором. Он разработан и спроектирован так, чтобы выполнять гибкий круг задач. Процессор в первую очередь отвечает за работу системы Android и приложений внутри ОС.
Кроме того, он отвечает за синхронную работу других чипов на печатной плате. ЦП на борту для обработки данных имеет блоки прогнозирования, регистров и исполнительных блоков. Грубо говоря они отвечают за просчет сложных математических алгоритмов. Регистры содержат биты данных или указатели на память, часто в 64-битных форматах данных.
Мобильные процессоры сейчас по большей части построены на архитектуре ARM, эта платформа сейчас занимает огромный рынок и семимильными шагами вытесняет архитектуру x86. Всеми известная компания Apple уже вовсю начинает переход на своих знаменитых компьютерах Mac и ультрабуков MacBook на собственные процессоры Apple Silicone, которые в свою очередь основаны на ARM архитектуре.
Процессоры на архитектуре ARM на данный момент выпускаются либо с восемью ядрами, из которых чаще всего два производительных и шесть энергоэффективных ядер, предназначенных для повседневных задач. Например в Snapdragon 865 используется схема 1+3+4, из которых первое ядро Cortex-A77 на частоте 2.84 ГГц, три ядра Cortex-A77 на частоте 2.42 ГГц и четыре ядра Cortex-A55 на частоте 1.8 ГГц. В обновленной версии Snapdragon 865+ инженерам удалось достигнуть 3,4 ГГц на старшем ядре.
Графика и все что с ней связано
За графику и отрисовки графического интерфейса в свою очередь отвечает графический ускоритель (графический процессор). В смартфонах по понятным причинам он не такой же, как в привычных ПК.
Графический адаптер служит для тех задач, под которые центральный процессор либо не предназначен, либо для для тех, где ГП справится в разы быстрее. Например, в параллельных задачах, в то время как ЦП подходит для последовательных, ГП способен обработать огромное количество информации выводимое на экран смартфона.
Чем лучше процессор тем лучше фотографии
Ни для кого не секрет, что качество фотографии зависит не только от сенсора, линз и софта, но и от мощности процессора и блока обработки изображения. Вспомним Google Pixel 4, этот смартфон получил всего одну камеру, но при этом за счет флагманского процессора и фирменного гугловского процессора обработки фото, качество фотографий до сих пор на голову выше чем у многих смартфонов.
Для чего нужны блоки нейронной обработки
Блоки нейронной обработки уже вовсю внедряют в системы на чипах. Нейронные процессоры служат для обработки математических алгоритмов, расчетов и служат для работы нейронный сетей. NPU разработаны так, чтобы выполнять задачи связанные нейронными сетями намного быстрее чем классический ЦП. Они используют собственную память, не обращаясь в оперативную, для того чтобы ускорить выполнение работы.
Во-первых, нейронные сети в смартфонах используются для обучения операционной системы, ОС учится запоминая поведение (использование смартфона) пользователя. Смартфон учится, запоминая ваше поведение, какие приложения вы используете, как часто вы запускаете ту или иную программу. Во-вторых, машинное обучение используется для достижения лучшего качества фотографии. Это еще одна причина по которой флагманы Huawei стали так круто фотографировать, все благодаря прокаченному NPU в Kirin 990.
Заключение
Системы на чипе по большому счету становятся сегодня все сложнее. С каждым годом появляются отдельные чипы для обработки конкретного алгоритма, будь то нейросеть или обработка снимка. Балом по-прежнему будет править архитектура ARM, а глобально будет меняться только техпроцесс.
Что такое SoC в оборудовании, характеристиках и для чего он нужен?
Термин SOC может относиться к Безопасность Операционный центр, но когда мы говорим о SoC (обратите внимание на строчную букву o) в аппаратном обеспечении, мы имеем в виду термин » Система на чипе «. В этой статье мы собираемся объяснить, что такое SoC, какие характеристики определяют его и какие существуют типы SoC.
По мере развития технологий, когда все стремится миниатюризировать оборудование для повышения его эффективности, мы вынуждены придумывать новую терминологию, и тем более, когда говорим о технологиях. По этой причине такой термин, как SoC, использовался в отрасли в течение нескольких лет, и хотя многие люди используют его даже ежедневно, мало кто действительно знает, что это значит.
Что такое SoC (система на чипе)?
Мы все знаем, что такое чип, но теперь вопрос в том, что считать системой? На первый взгляд, SoC выглядит как обычная микросхема, но то, что отличает SoC от обычной и обычной микросхемы, будет найдено под капотом, где сходятся большое количество различных компонентов, которые и составляют его имя, каждый из которых имеет функция, но с комбинированной функциональностью.
Другими словами, мы могли бы определить SoC как «чип, состоящий из нескольких компонентов, которые вместе составляют целостную систему».
Особенности и функции SoC
Чтобы объяснить характеристики этих элементов, мы возьмем SoC SnapDragon 801 компании Qualcomm в качестве примера, диаграмму которого вы можете увидеть ниже:
Как видно из схемы, мы находим довольно много внутренних компонентов, таких как процессор (CPU / ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР), контроллер памяти, память, GPU / ГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР, DSP, модуль подключения, обслуживающий такие технологии, как USB, LTE, Wi-Fi или Bluetooth, модуль GPS, модуль экрана, модуль камеры и, наконец, мультимедиа. Все это, что вы видите на диаграмме, на самом деле превращается в фишку размером не больше монеты.
Преимущества и недостатки
Каждая новая технология разработана для улучшения того, что уже существует, но бывают случаи, когда новый тип продукта решает существующие проблемы, но порождает новые. Таким образом, эти небольшие системы на чипе значительно улучшили то, что существовало в то время, но затем породили следующие проблемы:
В качестве преимуществ, очевидно, мы имеем миниатюризацию элемента, поскольку его небольшой размер позволяет использовать его, в частности, на мобильных устройствах. Аналогичным образом, его следующее преимущество также имеет место для мобильных устройств, поскольку это эффективность, которая способствует снижению расхода заряда аккумулятора и, следовательно, увеличению автономности.
Table of Contents:
Что такое SoC (система на чипе)?
Чтобы лучше понять, что такое система на чипе, представьте ее как полноценный компьютер, миниатюрный и сжатый для размещения на одном чипе. Например, SoC можно сравнить с миниатюрной системой, которая имеет материнскую плату, процессор, видеокарту, сетевую карту и так далее. Чтобы получить более полную картину, посмотрите ниже этот параграф, и вы увидите, как выглядит система Exynos 4 Quad (4412) на чипе, на плате от смартфона Samsung Galaxy S III.
Каковы общие виды использования SoC?
Каковы обычные компоненты SoC?
Система на чипе может иметь множество элементов, в зависимости от ее назначения. Однако, поскольку подавляющее большинство SoC используется на смартфонах, вот список наиболее распространенных компонентов таких устройств:
Вот иллюстрация того, какие компоненты включает в себя система на чипе Snapdragon 410 от Qualcomm:
Помимо процессора и памяти, другие SoC, такие как на беспроводных маршрутизаторах и других подобных сетевых устройствах, могут также включать интерфейсы PCIe, предназначенные для подключения радиоприемопередатчиков, интерфейсы SATA и / или USB для подключения к устройствам хранения. На рисунке ниже вы можете увидеть, что находится внутри SoC BCM5862X от Broadcom. И если вам интересно узнать больше о системах маршрутизаторов на микросхемах, вот еще несколько статей на эту тему: Маршрутизатор SoC 101.
Источник: Tom’s Hardware
Кто является крупнейшим производителем мобильных SoC и какой сегодня лучший SoC?
Сказать, какая система на чипе лучшая, невозможно. Индустрия растет и развивается настолько быстро, что к тому времени, когда вы сможете сравнить и решить, какой из них является лучшим SoC, вероятно, появится новый, который будет питать будущие устройства.
Вот интересное видео, которое показывает, как производители смартфонов выбирают правильную Систему на чипе для каждого из своих смартфонов:
Каковы преимущества и недостатки SoC?
Простые вопросы: что такое ячеистая беспроводная сеть или домашняя Wi-Fi-система?
Что такое ячеистая беспроводная сеть? А как насчет всей домашней системы WiFi? Чем они отличаются от традиционных сетей с беспроводными маршрутизаторами?
Простые вопросы: что такое куки и что они делают?
Что такое печенье? Что оно делает? Почему я вижу подсказки о файлах cookie на многих сайтах? Должен ли я заблокировать куки?
Простые вопросы: что такое шрифт и что такое семейство шрифтов?
Что такое шрифт? Что такое семейство шрифтов? Когда были впервые изобретены шрифты? Каковы характеристики шрифта? Как хранятся шрифты в Windows?
Есть ли ОПТИМИЗАЦИЯ Android под чипы Snapdragon? И что стоит за этим термином. (Ноябрь 2021).
Что такое SoC? Все, что вам нужно знать о Чипсетах для Смартфонов
Технические энтузиасты любят говорить о вычислительной мощности и микросхемах, будь то ПК и игровые консоли или новейшие смартфоны. Для непосвященных эти темы изобилуют жаргоном и абстрактно звучащими идеями, которые могут показаться трудными для понимания даже базовых вопросов, таких как «что такое SoC?»
Могут потребоваться годы изучения, чтобы разобраться в тонкостях конструкции микросхемы, что не имеет смысла, если вы просто пытаетесь изучить потенциальную покупку. Сегодня мы собираемся сделать что-то более удобное для начинающих и объяснить все тонкости современных чипов для смартфонов с минимальным техническим углублением, насколько это возможно.
Что такое SoC?
SoC расшифровывается как «система на кристалле» (system-on-a-chip). Как следует из названия, SoC — это полная система обработки, содержащаяся в одном пакете. Это не комплекс из одного процессора, с которым вы могли быть знакомы, если когда-либо собирали ПК. Вместо этого SoC содержит несколько обрабатывающих частей, памяти, модемов и других важных компонентов, изготовленных вместе в одном чипе, который припаян к печатной плате.
SoC (cистема на кристалле) — это мозг вашего смартфона
Объединение нескольких компонентов в одну микросхему позволяет сэкономить место, затраты и энергопотребление. По сути, SoC — это мозг вашего смартфона, который обрабатывает все, начиная от операционной системы Android и заканчивая распознаванием, когда вы нажимаете кнопку выключения. SoC также подключаются к другим компонентам, таким как камеры, дисплей, оперативная память, флэш-память и многое другое.
В приведенном ниже списке представлены наиболее распространенные компоненты, которые вы найдете внутри системы на кристалле смартфона. Позже в этой статье мы рассмотрим несколько наиболее важных из них.
Наконец, в разговоре о SoC часто упоминается так называемый производственный процесс. Он указан как число в нанометрах (нм). Вообще говоря, чем меньше размер нм, тем меньше размер внутренней проводки SoC. Это лучше с точки зрения энергоэффективности и размера микросхемы. Хотя существуют разные методы изготовления, которые могут затруднить прямое сравнение. На момент написания статьи 5-нанометровая технология — это наименьший из доступных производственных процессов, используемых в смартфонах SOC.
Примеры SoC
Теперь, когда у нас есть краткий обзор того, что такое SoC, приведём нескольких примеров. В области смартфонов Qualcomm, Samsung Semiconductor, Huawei HiSilicon и MediaTek — четыре крупнейших имени в этом бизнесе. Скорее всего, в вашем смартфоне установлен чип одной из этих компаний.
Структура SoC Qualcomm Snapdragon 845
Qualcomm является крупнейшим поставщиком SOC для смартфонов, поставляющий чипы для большинства флагманских, средних и даже бюджетных смартфонов, выпускаемых для любого бюджета. SoC Qualcomm подпадают под бренд Snapdragon. Чипы премиум-класса, обладающие лучшими технологиями этой компании, выпускаются под маркой Snapdragon 800 серии, например, новейший Snapdragon 888. Продукты среднего и супер-среднего уровня имеют названия серий Snapdragon 600 и 700 соответственно. Например, Snapdragon 765 — это относительно новый чип среднего уровня, поддерживающий подключение 5G. Продукты начального уровня названы серией 400.
SoC Exynos от Samsung работают в аналогичном масштабе премиум, среднего и начального уровня. Ранее они были указаны как серии Exynos 9900, 9800 и 9600, при этом продукты серии Exynos 7000 поддерживали бюджетную часть устройств. Тем не менее, новейший высокопроизводительный чип Samsung — это Exynos 2100, а Exynos 1080 — это чипсет 5G среднего уровня.
Схема именования Samsung Exynos очень похожа на схему Huawei, но теперь она изменилось. Kirin 9000 является последним флагманским чипом компании Huawei, который поставляется в вариантах 4G и 5G. Серия Kirin 600 во многом похожа на линейку Snapdragon 600, предлагая спецификации среднего уровня для более доступных смартфонов.
Все начинается с Процессора
Возможно, вы знакомы с термином процессор, поскольку в этой области он часто используется как синоним CPU. CPU — это наиболее часто упоминаемый тип процессора. Он разработан таким образом, чтобы быть очень гибким и подходящим для широкого спектра задач. Таким образом, процессор запускает операционную систему Android и ваши приложения. Он также частично отвечает за синхронизацию данных между другими процессорами внутри SoC.
SoC Snapdragon 888 имеет техпроцесс 5-нм Samsung 5LPE
Если кратко, CPU работают с использованием блоков прогнозирования, регистров и исполнительных блоков. Это называется архитектурой CPU. Регистры содержат биты данных или указатели на память, часто в 64-разрядных форматах данных. Исполнительные устройства выполняют что-то с одним или несколькими регистрами, например, чтение и запись в память или выполнение математических операций. Несколько исполнительных блоков могут использоваться одновременно с процессором, каждому из которых требуется один или два такта для выполнения своей функции.
Процессоры внутри SoC смартфонов бывают разных видов, и все они основаны на архитектуре процессора Arm. Последними процессорными ядрами Arm являются большие Cortex-X2 и Cortex-A710, а также маленькие Cortex-A510. Все эти три устройства основаны на новейшей архитектуре Armv9. Процессоры смартфонов часто представлены в восьмиъядерных конфигурациях с большими мощными ядрами для более требовательных приложений и меньшими энергоэффективными ядрами для обеспечения длительного времени автономной работы.
Интегрированная графика
Помимо CPU, графический процессор (GPU) — это еще одна часть традиционного оборудования для обработки чисел, упакованного в телефонную SoC. Графические процессоры гораздо менее универсальны, чем CPU, и в результате они спроектированы по-другому. Они созданы для многократного параллельного выполнения математических функций, что они могут делать намного быстрее, чем обычный CPU. Помните, что на вашем дисплее 1080p нужно заполнить миллионы пикселей, каждый из которых должен быть рассчитан, когда вы запускаете приложение или любимую игру.
SoC Exynos 2200 с графическим процессором AMD
Большинство графических операций повторяются снова и снова, чтобы заполнить все пиксели на экране. Таким образом, графические процессоры предназначены для одновременного выполнения большого количества математических операций над большими пакетами данных. В отличие от CPU, которые выполняют одну или две операции в каждом цикле, графические процессоры выполняют десятки, сотни и даже тысячи параллельных операций в каждом цикле. Это зависит от размера и производительности графического процессора.
Двумя основными графическими процессорами в области Android SoC являются Arm Mali и Qualcomm Adreno. Оба предлагают большие и меньшие версии технологии GPU, а флагманские чипы упакованы в самое мощное оборудование для 3D-игр. Qualcomm мало говорит о внутренней работе Adreno, тогда как об архитектуре Mali известно почти всё. У Apple также есть собственный графический процессор для своих SoC iPhone, и AMD скоро вступит в бой с графической SoC Exynos по соглашению с Samsung.
Хорошие камеры нуждаются в хороших процессорах
Смартфоны все чаще оценивают по их фотографическим возможностям. В то время как высококачественные сенсоры и объективы имеют важное значение, мощные возможности обработки изображений не менее важны. Достаточно взглянуть на впечатляющие результаты простой аппаратной настройки камеры Google Pixel 4.
В то время как редактирование и настройка изображений часто выполняются на CPU и GPU, прежде чем изображение будет сохранено на вашем телефоне, выполняется масса обработок данных с датчиков камеры.
ISP (Image Signal Processor, переводится как «Процессор Обработки Изображений») — это специализированный DSP (Digital Signal Processing, переводится как «Цифровая Обработка Сигналов»), который выполняет общие задачи обработки изображений, такие как преобразование Байера, фокусировка, демозаизация, повышение резкости и шумоподавление. Другими словами, он превращает цифровую информацию с сенсора камеры в красивую картинку.
Kirin 990 от Huawei
Последние две задачи особенно важны для смартфонов, где более дешевые телефоны имеют тенденцию к чрезмерной резкости и создают размытые детали.
Высококачественные чипсеты все чаще предлагают высококлассные функции. Например, Kirin 990 от Huawei был первым SoC с согласованием блоков DSLR и 3D фильтрацией (BM3D) снижения шума, а новейшие ISP от Qualcomm и Samsung обеспечивают программное размытие боке видео в реальном времени.
Суть в том, что для красивых изображений требуется мощный процессор обработки изображений.
Искусственный Интеллект Нового Поколения
Такие термины, как нейронные процессоры, процессоры ИИ (искусственного интеллекта) или ядра машинного обучения, часто используются взаимозаменяемо, но все они, как правило, означают одно и то же в современных смартфонах: процессор, специально оптимизированный для математики и алгоритмов, обычно используемых нейронными сетями.
Точно так же, как графические процессоры являются процессорами, оптимизированными для графической математики, а ISP оптимизированы для задач с изображениями, процессоры NPU (Neural Processing Unit, переводится как «нейронный процессор») специально разработаны для более быстрого и эффективного выполнения задач нейронных сетей и машинного обучения, чем CPU. NPU также имеют собственные кэши локальной памяти, чтобы ускорить выполнение без необходимости использования более медленной оперативной памяти.
Нейронные сети часто используют операции, которые требуют нескольких фрагментов входных данных для создания только одного выходного. Особенно популярна операция совмещённого умножения-сложения, которая часто работает с данными различных размеров-от 16 до 8 бит и даже 4 бит данных. Это сильно отличается от математических вычислений и типов данных, используемых центральными процессорами, хотя некоторые операции могут быть ускорены на гибких графических процессорах.
NPU — это новейший специализированный процессор, который находит свое применение в телефонных SoC. Хотя эта технология в основном предназначена для флагманских чипов, она быстро распространяется на более доступные чипсеты и телефоны.
Модемы 4G и 5G для более быстрой передачи данных
Последней частью SoC современного смартфона является модем для передачи данных, который позволяет вам получать доступ к сетям передачи данных от вашего оператора связи. Различные модемы также определяют скорость и качество вашего подключения к передачи данных. Самые мощные модемы достигают скорости загрузки выше 1 Гбит/с. Существуют также модемы для передачи данных Wi-Fi и Bluetooth, но сегодня мы фокусируемся на модемах 4G и 5G.
В предыдущие годы SoC для смартфонов имели встроенные модемы 4G. Это означает, что 4G-модем находится внутри SoC. Первые модемы 5G для смартфонов были внешними, поэтому их нужно было подключать к основному SoC. Это менее энергоэффективно, но упрощает реализацию высокопроизводительных функций и обеспечивает производителю гибкость при развертывании сетей 5G для большего числа потребителей.
Интегрированные модемы и возможности 5G теперь уже здесь. Все флагманские процессоры Qualcomm, Samsung и Huawei оснащены встроенными модемами, которые поддерживают возможности подключения как ниже 6 ГГц, так и mmWave 5G. Все флагманские телефоны 5G 2021 года оснащены встроенными модемами, что позволяет повысить энергоэффективность при достижении пиковых скоростей передачи данных.
Подробнее о SoC для смартфонов
Энтузиасты телефонов любят сравнивать характеристики CPU и GPU, но это становится менее актуальным, поскольку производительность растет и требуются новые возможности. В SoC для смартфонов все меньше внимания уделяется какой-либо отдельной возможности, а больше — гетерогенному вычислительному подходу к решению проблем обработки. Другими словами, использование наиболее эффективного типа процессора для данной задачи.
Современные телефоны справляются с более широким спектром рабочих нагрузок, чем когда-либо прежде. В результате количество выделенных процессоров внутри каждого чипа продолжает расти. От базовых компонентов CPU и GPU несколько лет назад до DSP, продвинутых ISP и NPU сегодня. Эти менее обсуждаемые детали становятся только более важными с достижениями в области безопасности, машинного обучения и 5G.
