Статьи

Краткий экскурс об устройстве процессоров современных смартфонов

30.09.2020

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.

  • Центральный процессор (ЦП) «сердце» SoC. Выполняет основные инструкции и алгоритмы операционной системы и приложений
  • Графический процессор (GPU) — выполняет задачи, связанные с графикой, отрисовка графической оболочки операционной системы, пользовательский интерфейс в приложениях, а также обрабатывают 2D и 3D графику.
  • Блок обработки изображений (ISP) — преобразует данные полученные с камеры смартфона в фотографии и видео.
  • Цифровой сигнальный процессор (DSP) — выполняет более сложные математические функции, чем центральный процессор. Производит распаковку музыкальных файлов и анализ данных датчика гироскопа.
  • Блок нейронной обработки (NPU) — широко применяемый модуль, используемый в смартфонах среднего и высшего сегмента. Служит для аппаратного ускорения работы алгоритмов нейронных сетей, компьютерного зрения, распознавания по голосу, машинного обучения и других методов искусственного интеллекта.
  • Видеокодер / декодер — обеспечивает энергоэффективное преобразование видеофайлов и форматов.
  • Модемы — преобразует беспроводные сигналы в данные, понятные вашему телефону. Компоненты включают модемы сотовой связи, WiFi и Bluetooth.

Также важно знать, что система на чипе, как и любой другой чип производится по определенному техпроцессу. Техпроцесс — это технологический процесс изготовления полупроводниковых материалов. Совершенствование технологии позволяет улучшить характеристики полупроводников (размеры, энергопотребление, рабочие частоты, стоимость).

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

Помимо вышеперечисленных процессоров существуют чипы от всем известной компании Mediatek. Их решения чаще всего можно встретить в бюджетных и среднебюджетных смартфонах, например в OPPO Reno 3. Mediatek производит платформы с именем Helio, существует основная линейка “P”, линейка нацеленная на игры под индексом “G”, а совсем недавно были представлены процессоры под именем Dimensity с поддержкой 5G.

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.

На данный момент существует два основных графических процессора — это Mali от ARM и Adreno от Qualcomm. Также существует ГП PowerVR от Imagination Technologies, который до недавнего времени устанавливался в смартфоны и планшеты от Apple. 

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. 

Google-Pixel-4

В последних смартфонах Huawei (Mate 30 Pro, P40 Pro) работающие на процессорах Kirin 990 являются лучшими фотофлагманами за счет доработанного блока ISP, который позволил улучшить шумоподавление в фото и видео. Это стало возможным благодаря технологии 3D-фильтрацией (BM3D), обычно она используется в цифровых фотоаппаратах, исходя из этого становится понятно почему флагманы Huawei лучше по части фото чем все конкуренты.

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.

Huawei дразнит Mate 20X, огромным игровым смартфоном с улучшенным охлаждением

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.