Все о процессоре Apple A7

В этом материале пойдет речь о процессорной архитектуре . Полупроводниковые продукты на ее основе можно встретить в смартфонах, роутерах, планшетных ПК и прочих мобильных устройствах, где она до недавних пор занимала ведущие позиции в этом сегменте рынка. Сейчас же ее постепенно вытесняют более новые и свежие процессорные решения.

Краткая справка о компании ARM

История компании ARM началась в 1990 году, когда она была основана Робином Саксби. Основой же для ее создания стала новая микропроцессорная архитектура. Если до этого господствующие позиции на рынке ЦПУ занимала х86 или CISC , то после образования данной компании появилась достойная альтернатива в виде RISC. В первом случае выполнение программного кода сводилось к 4 этапам:

Получение машинных инструкций.

Выполнение преобразования микрокода.

Получение микроинструкций.

Поэтапное выполнение микроинструкций.

О сновная же идея архитектуры RIS С состояла в том, что обработку программного кода можно свести к 2 этапам:

Получение RISC- инструкций.

Обработка RISC- инструкций.

К ак в первом, так и во втором случае есть как плюсы, так и существенные недостатки. х86 успешно завоевала компьютерный рынок, а RISC ( в том числе и , представленная 2011 году) — рынок мобильных устройств.

История появления архитектуры Cortex A7. Ключевые особенности

В качестве основы для «Кортекс А7» выступала «Кортекс А8». Основная идея разработчиков в данном случае сводилась к тому, чтобы увеличить производительность и значительно улучшить энергоэффективность процессорного решения. Именно это в конечном итоге и получилось у инженеров компании ARM . Еще одной важной особенностью в данном случае стало то, что появилась возможность создавать ЦПУ с технологией big.LITTLE. То есть полупроводниковый кристалл мог включать 2 вычислительных модуля. Один из них был нацелен на решение наиболее простых задач с минимальным энергопотреблением и, как правило, в этой роли и выступали ядра «Кортекс А7». Второй же был предназначен для запуска наиболее сложного софта и базировался на вычислительных блоках «Кортекс А15» или «Кортекс А17». Официально «Кортекс А7» была представлена, как было отмечено ранее, в 2011 году. Ну а первый процессор ARM Cortex A7 увидел свет годом позже, то есть в 2012 году.

Технология производства

Изначально полупроводниковые продукты на основе А7 производились по технологическим нормам 65 нм. Сейчас эта технология безнадежно устарела. В дальнейшем были выпущены еще два поколения процессоров А7 по нормам допуска уже 40 нм и 32 нм. Но и они сейчас уже стали неактуальными. Наиболее свежие модели ЦПУ на основе этой архитектуры изготавливаются уже по нормам 28 нм, и именно их пока еще можно встретить в продаже. Дальнейший переход на более новые с новыми нормами допуска и устаревшей архитектурой ожидать вряд ли стоит. Чипы на базе А7 сейчас занимают наиболее бюджетный сегмент рынка мобильных устройств и их постепенно вытесняют уже гаджеты на основе А53, которая практически при той же энергоэффективности параметрах имеет более высокий уровень быстродействия.

Архитектура микропроцессорного ядра

1, 2, 4 или 8 ядер может входить в состав ЦПУ на базе ARM Cortex A7. Характеристики процессоров в последнем случае указывают на то, что в состав чипа входят, по существу, 2 кластера по 4 ядра. 2-3 года процессорные продукты начального уровня основывались на чипах с 1-им или 2-мя вычислительными модулями. Средний уровень занимали 4-ядерные решения. Ну а премиум-сегмент был за 8-ядерными чипами. Каждое микропроцессорное ядро на основе такой архитектуры включало следующие модули:

Б лок обработки чисел с плавающей запятой (FPU).

Кеш 1-го уровня.

Блок NEON для оптимизации работы ЦПУ.

Вычислительный модуль ARMv7.

Также были следующие общие компоненты для всех ядер в составе ЦПУ:

Кеш L2.

Блок управления ядрами CoreSight.

Контроллер шины управления данными АМВА с разрядностью 128 бит.

Возможные частоты

Максимальное значение тактовой частоты для данной микропроцессорной архитектуры может изменяться от 600 МГц до 3 ГГц. Также необходимо отметить, что этот параметр, который указывает максимальное влияние на производительность вычислительной системы, изменяется. Причем на частоту оказывает влияние сразу три фактора:

Уровень сложности решаемой задачи.

Степень оптимизации программного обеспечения под многопоточность.

Текущее значение температуры полупроводникового кристалла.

В качестве примера рассмотрим алгоритм работы чипа МТ6582, который базируется на А7 и включает 4 вычислительных блока, частота которых изменяется от 600 МГц до 1,3 ГГц. В режиме простоя у этого процессорного устройства может находиться лишь только один блок вычислений, и он функционирует на минимально возможной частоте в 600 МГц. Аналогичная ситуация будет и в том случае, когда будет запущено простое приложение на мобильном гаджете. Но когда же в списке задач появиться ресурсоемкая игрушка с оптимизацией под многопоточность, то автоматически включатся в работу все 4 блока обработки программного кода на частоте 1,3 ГГц. По мере нагрева ЦПУ наиболее горячие ядра будут понижать значение частоты или даже отключаться. С одной стороны, такой подход обеспечивает энергоэффективнсть, а с другой — приемлемый уровень быстродействия чипа.

Кеш-память

Всего лишь 2 уровня кеша предусмотрено в ARM Cortex A7. Характеристики полупроводникового кристалла, в свою очередь, указывают на то, что первый уровень в обязательном порядке разделен на 2 равные половинки. Одна из них должна хранить данные, а другая — инструкции. Суммарный р азмер кеша на 1-ом уровне по спецификациям может быть равен 64 Кб. Как результат, получаем 32 Кб для данных и 32 Кб для кода. Кеш 2-го уровня в этом случае будет завис е ть от конкретной модели ЦПУ. Наименьший объем его может быть равен 0 Мб (то есть отсутствовать), а наибольший — 4 Мб.

Контроллер оперативной памяти. Его особенности

Встроенным контроллером оперативной памяти комплектуется любой процессор ARM Cortex A7. Характеристикитехнического плана указывают на то, что он ориентирован на работу в связке с ОЗУ стандарта LPDDR3. Рекомендованные частоты функционирования оперативной памяти в данном случае равны 1066 МГц или 1333 МГц. Максимальный же размер ОЗУ, который можно встретить на практике, для данной модели чипа равен 2 Гб.



Интегрированная графика

Как и положено, данные микропроцессорные устройства имеют интегрированную графическую подсистему. Компания-производитель ARM рекомендует использовать в сочетании с этим ЦПУ графическую карту собственной разработки Mali -400MP2 . Но ее производительности чаще всего недостаточно для того, чтобы раскрыть потенциал микропроцессорного устройства. Поэтому разработчики чипов применяют в сочетании с этим чипом более производительные адаптеры, например, Power VR6200.

Программные особенности

Три вида операционных систем нацелено на процессоры ARM:

Android от поискового гиганта Google.

iOS от APPLE.

Windows Mobile от «Майкрософт».

Все остальное системное программное обеспечение пока не получило большого распространения. Наибольшую долю на рынке такого софта, как не сложно догадаться, занимает именно Android. Эта система имеет простой и понятный интерфейс и устройства на ее основе начального уровня являются очень и очень доступными. До версии 4.4 включительно она была 32-битной, а с 5.0 стала поддерживать 64-разрядные вычисления. Эта ОС успешно функционирует на любом семействе ЦПУ архитектуры RISC , в том числе и ARM Cortex A7. Инженерное меню — это еще одна важная особенность данного системного софта. С ее помощью можно существенно перенастроить возможности ОС. Доступ же к этому меню можно получить с помощью кода, который для каждой модели ЦПУ индивидуален.

Еще она важная особенность этой ОС — установка всех возможных обновлений автоматически. Поэтому даже новые возможности могут появиться на чипах семейства ARM Cortex A7. Прошивка их может добавить. Вторая система нацелена на мобильные гаджеты компании APPLE. Такие устройства в основном занимают премиум — сегмент и имеют соответствующие уровни быстродействия и стоимость. Последняя ОС в лице Windows Mobile пока не получила большого распространения. Устройства на ее основе есть в любом сегменте мобильны гаджетов, но вот малое количество прикладного софта в данном случае является сдерживающим фактором для ее распространения.



Модели процессоров

Наиболее доступными и наименее производительными в этом случае являются 1-ядерные чипы. Наибольшее распространение среди них получил МТ6571 от компании МедиаТек. На ступеньку выше находятся двухъядерные ЦПУ ARM Cortex A7 Dual Core. В качестве примера можно привести МТ6572 от все того же самого производителя. Еще больший уровень быстродействия обеспечивали Quad Core ARM Cortex A7. Наиболее популярным чипом из этого семейства является МТ6582, который сейчас даже можно встретить в мобильных гаджетах начального уровня. Ну а наибольший уровень быстродействия обеспечивали 8-ядерные центральные процессоры, к которым принадлежал МТ6595.

Дальнейшие перспективы развития

Пока еще можно встретить на прилавках магазинов мобильные устройства в основе которых лежит полупроводниковое процессорное устройство на базе 4X ARM Cortex A7. Это и МТ6580, МТ6582 и «Снапдрагон 200». Все эти чипы включают 4 вычислительных блока и имеют отменный уровень энергоэффективности. Также стоимость в этом случае очень и очень скромная. Но все же лучшие времена это микропроцессорной архитектуры уже позади. Пик продаж продукции на ее основе припал на 2013-2014 года, когда на рынке мобильных гаджетов у нее практически не было альтернативы. Причем в этом случае речь идет как о бюджетных устройствах с 1 или 2 вычислительными модулями, так и с флагманскими гаджетами с 8-ядерным ЦПУ. На текущий момент ее постепенно с рынка вытесняет «Кортекс А53», которая по существу является модифицированной 64-битной версией А7. При этом основные преимущества своей предшественницы она сохранила целиком и полностью, и будущее уж точно за ней.



Мнение экспертов и пользователей. Реальные отзывы о чипах на базе данной архитектуры. Сильные и слабые стороны

Безусловно, знаковым событием для мира мобильных устройств стало появление архитектуры микропроцессорных устройств ARM Cortex A7. Наилучшим доказательством этого стало то, что устройства на ее базе уже успешно продаются более 5 лет. Конечно, сейчас уже возможностей ЦПУ на основе А7 уже недостаточно даже для решения задач среднего уровня, но вот наиболее простой программный код на таких чипах и по сей день успешно функционирует. В перечень такого софта входит воспроизведение видео, прослушивание аудиозаписей, чтение книг, веб-серфинг и даже наиболее простые игрушки в этом случае запустятся без особых проблем. Именно на этом и акцентируют внимание на ведущих тематических порталах, посвященных мобильным гаджетам и девайсам как ведущие специалисты такого плана, так и обычные пользователи. Ключевой минус А7 — это отсутствие поддержки 64-битных вычислений. Ну а к основным плюсам ее можно отнести идеальное сочетание энергоэффективности и производительности.



Итоги

Безусловно, Cortex A7 — это целая эпоха в мире мобильных устройств. Именно с ее появлением мобильные устройства стали доступными и достаточно производительными. И один тот факт, что она уже более 5 лет успешно продается, лишнее тому подтверждение. Но если вначале гаджеты на ее базе занимали средний и премиум сегменты рынка, то сейчас за ними остался лишь бюджетный класс. Эта архитектура устарела и постепенно уходит в прошлое.

Спроектированный в Apple и созданный при помощи технологических решений Samsung, данный процессор построен по принципу «система-на-чипе».

Вконтакте

То есть, в одной-единственной пластине кремния заключены все компоненты для реализации вычислительных процессов при работе мобильного гаджета: микропроцессор для общей обработки, графическое ядро, кэш, контроллеры памяти и прочих интерфейсов. Как и компания Intel, Apple владеет 10% акций британского разработчика передовых полупроводниковых технологий «Imagination Technologies». Последняя не располагает собственными производственными мощностями и лишь проектирует, в соответствии с дизайном и ТЗ заказчика, новые микропроцессоры.

Поэтому неудивительно, что новенькие A7 состоят из 2 ядер основного CPU и 4 ядер графического модуля GPU, построенных на базе кластеров PowerVR Series 6, версия G6430. Плюс эксперты из Chipworks акцентируют внимание на отдельном блоке с названием «Security Enclave» – защищенном сегменте памяти, предназначенном для работы системы .
По результатам предварительного «вскрытия» A7 можно сделать осторожный вывод – новинка построена по принципам архитектуры ARMv8 и не совместима со старой версией ARM A53/57. Технологически сам чип, как предполагается, создан по 28-нм технологии с активным металлическим затвором. То есть, в некотором роде это аналог тех устройств, что разработаны Samsung для ее собственных процессоров Exynos, которые устанавливаются в . Процессорное ядро оснащено 256 Кб КЭШа L1 и 1 Мб КЭШа L2, но пока непонятно, задействована ли при работе процессора часть ОЗУ системы, чья емкость по спецификации составляет 1 Гб.
Зато налицо – 4 ядра нового GPU куда лучше, чем 3 ядра в старом чипе A6. Изучая расположение элементов на пластине, можно отметить – два основных ядра и кэш-память занимают 17% общей площади, а 4 ядра GPU и общая логика еще 22%. Что касается пресловутой новинки, сканера отпечатка пальцев и защищенной области памяти для их хранения, то оценивать ее роль в структуре чипа проблематично – не с чем сравнивать. С одной стороны, 3 Мб это многовато, с другой – существует необходимость хранить несколько отпечатков, в разной ориентации относительно самого сенсора, а это требует свободного пространства памяти. Поэтому на пластине A7 располагается довольно громоздкий модуль SRAM, прямо над кластером ядер GPU.

Впрочем, дизайн компоновки чипа A7 схож с предшественниками — A6 и A5, по крайней мере, в том, что касается расположения интерфейсов взаимодействия с встроенной камерой, USB и сенсорным дисплеем. А Touch ID, по общему признанию, на сегодня является едва ли не самым надежным, элегантным и инновационным решением в области безопасности. Соответственно, сама разработка AuthenTec и анализ технических решений, использованных ими, достойны отдельного обзора – подождите, вскоре в Chipworks этим займутся.
Кстати, анализируя собственные разработки Samsung в том же направлении, придется признать – до внедрения дактилоскопических сканеров в свои устройства на серийной основе . Как они сами недавно заявляли в интервью The Korea Herald, «технология еще не развита», значит, пройдет минимум год, прежде чем она будет воплощена в реальных моделях. И это не единственное над Samsung – к примеру, если основной процессор A7 все еще производится на корейских заводах, то новый сопроцессор движения M7 имеет ребрендированную маркировку NXP LPC18A1. Также в Chipworks выяснили, что обе камеры для iPhone , базовую iSight с матрицей Exmor-RS от Sony и фронтальную FaceTime по технологии OmniVision, а также акселерометр изготавливает компания Bosch.

По утверждению Apple, 64-битный процессор A7 в iPhone 5s работает в два раза быстрее, чем 32-битный A6 в iPhone 5. Давайте разберемся, может ли это быть правдой.

За выполнение операций с числами в процессоре отвечает арифметико-логическое устройство (АЛУ). В процессоре есть регистры — ячейки памяти, которые служат для временного хранения вводимой и выводимой информации. Из одних регистров числа поступают в АЛУ, в другие уходят. Источником информации для регистров служат накопитель, оперативная память, кэш процессора, графический чип, модули, датчики и сенсоры. Регистры в зависимости от битности способны хранить числа различной разрядности. Регистр шириной 64 бита может хранить любое число в пределах 18 квинтиллионов.

Увеличение битности процессора не дает ощутимого увеличения производительности. Поэтому Apple удвоила число регистров. Теоретически после этого прирост производительности может составить от 33 до 100 процентов. Объяснить это можно наглядным примером.

Из Китая в Москву нужно перевезти 65 ящиков с айфонами на машине, в которую вмещается 32 ящика. За один раз мы перевезем 32 ящика, затем еще 32, а потом еще один заезд за оставшимся ящиком. Получается, что на «32-битной» машине нам пришлось съездить туда и обратно три раза. Если взять машину, в которую вмещается 64 ящика, из Москвы в Китай и обратно нам придется съездить два раза: сначала мы привезем 64 ящика, потом один. Несмотря на то, что места в машине в два раза больше, процесс ускорился лишь на треть. С увеличением объема товара польза от более емкой машины возрастает: если в Китае нам готовы отгрузить 256 ящиков айфонов, то на «64-битной» машине мы доставим их в Москву в два раза быстрее, чем на «32-битной».

В iOS 7 системный код, драйверы и библиотеки работают в 64-битном режиме. Приложений для iOS, эффективно использующих 64-битный процессор, практически нет, они появятся позже. Причем не всем приложениям потребуется 64 бита. Это полезно играм и фото- или видеоредакторам, которые обрабатывают большие объемы данных. В сочетании с появившейся в iOS 7 поддержкой OpenGL ES 3.0 производительность в приложениях с «тяжелой» графикой станет заметно выше. Частично производительность A7 увеличена за счет того, что обрабатывать данные от датчиков движения теперь будет сопроцессор M7.

Еще одна особенность 64-битного процессора - возможность работы с огромными объемами оперативной памяти. 32-битный процессор способен обращаться не более чем к четырем гигабайтам, при этом область между 3 и 4 гигабайтами зарезервирована под нужды оборудования. Теоретически 64-битный чипсет может обращаться к 16 эксабайтам (167 77 216 терабайт) памяти, это ограничение человечество еще не скоро преодолеет. Наибольший объем оперативной памяти, установленной в смартфоне - 3 гигабайта в Samsung Galaxy Note 3. Сколько оперативной памяти в iPhone 5s, Apple не раскрывает, но, вероятно, столько же, сколько в iPhone 5 - 1 гигабайт. В случае с iPhone 5s это преимущество осталось неиспользованным.

Хотя новая система на чипе А7 от Apple, лежащая в основе , не получила увеличенное количество ядер, ее производительность оказалась выше, чем у ближайших конкурентов. Разобраться, в чем секрет нового высокопроизводительного чипа решили в Chipworks , заодно изучив и сопроцессор М7 .

Мы уже сообщали, что производителем новой системы на чипе для Apple выступила Samsung . Хотя в Apple и хотят перенести производство чипов на мощности TSMC , но случится это не ранее начала следующего года. Изготовлен новый процессор по 28 нм технологии и работает на частоте 1,3 ГГц. Для сравнения, флагманские процессоры Intel поколения Haswell выполнены по 22 нм технологии.

Плотность транзисторов в А7 (слева) и А6 (справа)

Прежде всего в SoC A7 обращает на себя внимание возросшая плотность транзисторов, увеличившаяся на 7,3%. Теперь расстояние между соседними транзисторами составляет 114 нм. Для сравнения в А6 данный показатель составлял 123 нм. Таким образом, число транзисторов в А7 приближается к одному миллиарду. Кстати, процессор от Samsung, используемый в Galaxy S IV, Exynos 5410 , изготовлен по аналогичному техпроцессу и содержит целых восемь ядер, но в данный момент уже отстает от А7 в синтетических тестах.

А7

Кроме того, первая в мире 64-битная мобильная система на чипе содержит в себе 4-ядерный GPU PowerVR G6430. Графика шестого поколения от Imagination Technologies впервые применяется в коммерческом продукте и, судя по всему, способна обеспечить новые возможности визуализации в мобильных устройствах. GPU поддерживает OpenGL 3.0 и DirectX 10. Так что игра-бенчмарк наверняка будет лишь первой ласточкой.

М7

Далее под пристальный взгляд Chipworks попал сопроцессор М7, о функциях и возможностях которого мы уже . За его производство отвечает NXP и выполнен он на основе ARM Cortex-M3 . Функционирует М7 на частоте 180 МГц. Как сообщалось ранее, сопроцессор собирает и обрабатывает информацию с компаса, гироскопа и магнитометра, снимая эти обязанности с А7.

Такая нешуточная во всех смыслах мощь скрывается в стеклянно-алюминиевых недрах iPhone 5s. Единственное, что огорчает – отсутствие программного обеспечения, способного полностью задействовать вычислительную и графическую мощь новой системы на чипе А7. [