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.
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.
- Центральный процессор (CPU) — «мозг» SoC. Выполняет большую часть кода для ОС Android и большинства ваших приложений.
- Графический процессор (GPU) — обрабатывает задачи, связанные с графикой, такие как визуализация пользовательского интерфейса приложения и 2D/3D игры.
- Блок обработки изображений (ISP) — преобразует данные с камеры телефона в файлы изображений и видео.
- Цифровой сигнальный процессор (DSP) — выполняет более сложные математические функции, чем CPU. Включает распаковку музыкальных файлов и анализ данных датчика гироскопа.
- Блок нейронной обработки (NPU), также называется нейропроцессором — используется в смартфонах высокого класса для ускорения задач машинного обучения (AI). К ним относятся распознавание голоса и сегментация объектов камеры.
- Видеокодер/декодер — обеспечивает энергоэффективное преобразование видеофайлов и форматов.
- Модемы — преобразует беспроводные сигналы в данные, которые понимает телефон. Компоненты включают модемы 4G LTE, 5G, WiFi и Bluetooth.
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.
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.
Наконец, линейка Helio от MediaTek охватывает доступные продукты серии P вплоть до серии G, ориентированной на игры. Последняя флагманская серия производителя — это Dimensity 1200, за которой следует Dimensity 1100.
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.
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 достаточно гибкие, чтобы решать широкий круг задач. Производительность можно увеличивать и уменьшать, изменяя тактовую частоту (в ГГц), количество ядер или изменяя базовую архитектуру, чтобы делать больше с каждым тактовым циклом. Этот последний момент часто называют созданием «более широкого» или «большего» процессора, поэтому телефонные чипы Apple настолько мощны. Однако в этих более широких конструкциях есть компромиссы между мощностью и эффективностью.
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.
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.
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.
