Mobilna moč
Zadnja leta smo priča nadvse hitremu razvoju mobilne zabavne elektronike, še posebej izstopajo pametni telefoni in tablični računalniki. Zanimalo nas je, od kod jim toliko moči in, predvsem, ali je ta moč že primerljiva z nekoliko starejšimi osebnimi računalniki.
Če kje šteje razmerje med učinkovitostjo in porabo energije, potem je to pri mobilnih napravah. Naj gre za (note/net/ultra)book, tablico ali pa naš vsakdanji mobilni telefon. Pardon, pametni telefon. Razvoj strojne opreme nas je v sožitju s programsko opremo pripeljal do nekakšnih virtualnih večnamenskih naprav, da je telefoniranje postalo postranska stvar. Tokrat si bomo ogledali procesor pametnega telefona, ki nam poleg velikega zaslona ponuja vse to udobje.
Procesor?
Procesor postaja širok pojem, ki ga zlahka napačno interpretiramo. Pri vgrajenih sistemih, h katerim sodijo mobilne naprave, je govor o integriranem vezju - procesorju, ki v enem pakiranju združuje vse glavne komponente računalniškega sistema (angl. System-on-Chip; SoC). Ko govorimo o centralnem procesorju mobilne naprave, imamo v mislih eno ali več procesorskih jeder. Pri vgrajenih sistemih se (zaenkrat?) najbolj učinkovito izkaže arhitektura ARM, last podjetja ARM Holdings, ki je daleč največkrat uporabljena 32-bitna arhitektura. Procesorje, ki temeljijo na arhitekturi ARM, najdemo v več kot 90 % pametnih telefonov, v skoraj vseh diskih in v vsakem drugem digitalnem televizorju. Trenutno uporabljena arhitektura je ARMv7, predvsem v starejših oz. cenejših modelih pa najdemo procesorje z arhitekturo ARMv6. Za njeno rabo potrebujem(j)o licenco, ki jo imajo vsi večji izdelovalci oz. načrtovalci (le redki z lastno proizvodnjo) procesorjev. ARM pod licenco ponuja tudi lastna procesorska jedra (ARM7, ARM9, ARM11, serija Cortex), ki jih najdemo v večini današnjih procesorjev (Tegra, OMAP, Exynos, Apple Ax ...), nekateri, kot sta Qualcomm in Apple A6(X), pa oblikujejo in izdelajo lasten procesor ARM.
Applova implementacija arhitekture ARMv7 (Apple Swift) v kombinaciji s trenutno najmočnejšim grafičnim procesorjem - PowerVR SGX554MP4.
Med načrtovalci procesorjev ne moremo mimo tajvanskega podjetja MediaTek, ki zaenkrat podobno kot Vivante deluje zgolj na Kitajskem. Za njihov najnovejši procesor MTK6589, ki združuje štiri procesorska jedra Cortex-A7 1,2 GHz in grafični procesor PowerVR SGX544, naj bi se poleg kitajskih izdelovalcev telefonov zanimali tudi Sony, Lenovo, Huawei in ZTE.
Grafična procesna enota (GPU)
Če tudi vaš interni pomnilniški iskalnik ob omembi besede "voodoo" vrže na prvo mesto legendarnega pionirja grafičnih pospeševalnikov 3Dfx, potem vam je jasno o čem bo tekla beseda. Sredi 90. let prejšnjega tisočletja je procesiranje grafike v treh dimenzijah z namensko kartico postalo prava uspešnica. Programerji so se znebili vrste omejitev, igralci pa so z odprtimi usti in izbuljenimi očmi obstali pred dotlej še nikoli videno lepoto iger na sicer le 14-palčnih monitorjih. Odtlej smo priča zelo hitremu razvoju grafičnih procesorjev, ki so kaj kmalu prevzeli poglavitno vlogo pri izrisovanju grafičnih poligonov in njihovih tekstur; danes je ločen n-jedrni grafični procesor (GPU) obvezna komponenta vsakega računalnika z zaslonom, ne glede na obliko. Resda je grafiko mogoče obvladovati s centralnim procesorjem v programskem načinu, a njegova sicer kompleksna arhitektura težko hitro oddela množico ponavljajočih se, razmeroma enostavnih ukazov. Oziroma kot pravi vaški pregovor: "Mojster za vse ni mojster za nič".
Pri pametnih telefonih je zgodba precej podobna. Če smo še nedolgo tega govorili o štiri, pet in več vrstičnih črno-belih zaslonih, je danes že težko najti pametni telefon, ki ima manj kot 320 × 240 pik v vsaj 65 tisoč različnih barvnih odtenkih. Na malo spodobnejšem telefonu najdemo že standardno ločljivost WVGA 800 × 480 pik, v višjem razredu pa že prevladuje ločljivost HD 720. Če se zazremo v letošnje napovedi, bo slika še ostrejša; pričakujemo namreč malo morje pet-palčnih telefonov (kot kaže, je večji še vedno boljši) z zasloni ločljivosti HD 1080, z gostoto kar 441 PPI (pixel per inch - pik na palec). Za primerjavo, klasični 24-palčni monitor polne ločljivosti ima gostoto 91 PPI, 46-palčni televizor pa 48 PPI. Če pomnožimo teh 2 milijona pik polne ločljivosti s frekvenco osveževanja 60 Hz, dobimo 120 milijonov pik, ki jih je v treba preračunati in izrisati vsako sekundo. Zato potrebujemo računsko moč GPUja s svojimi številnimi jedri in vzporednim računanjem.
Če na osebnih računalnikih prevladujeta zgolj AMD in NVidia, je v mobilni sferi konkurenca večja. Trenutno na trgu kraljujeta Imagination Technologies s serijo PowerVR in Qualcomm s serijo Adreno, vztrajno in hitro pa se jima približujeta ARM s serijo Mali in Vivante, ki je zaenkrat navzoč bolj na kitajskem trgu. Ostane še NVidia s serijo Geforce, ki jo najdemo v njihovih lastnih procesorjih Tegra. Procesorskega giganta AMD trenutno ni v veliki bitki, saj je ob koncu leta 2008 prodal svojo branžo Imageon Qualcommu in je iz nje nastala serija Adreno (to je, mimogrede, anagram besede Radeon), ki več kot uspešno konkurira na trgu v sklopu procesorjev Snadragon.
Večina 3D aplikacij na priljubljenih mobilnih platformah teče prek knjižnice OpenGL ES. Ta zahteva senčilne enote vertex in pixel, ki so lahko namenske ali univerzalne (unified). Nove serije GPUjev se ponašajo s slednjimi, saj omogočajo lažje upravljanje in boljšo izkoriščenost virov. Izkoriščenost virov je ob pomoči dobro zasnovane mikroarhitekture ključnega pomena za končni rezultat, največkrat merjen s številom sličic na sekundo (angl. FPS). Surova računska moč (glej tabelo) je največkrat zavajajoča, saj je rezultat izračunan v idealnih razmerah. Lep zgled iz namiznega računalništva je Radeon HD 7970, ki s tretjino več računske moči v povprečju zaostaja za konkurenčnim Geforce GTX 680. Poraba mobilnih grafičnih procesorjev se sicer giblje med nekaj sto mW in nekaj W, odvisno od števila jeder, proizvodnega procesa, delovne frekvence, električne napetosti itd.
Napoved
Kot kaže, bo leto 2013 polno žepnih novosti. Skorajda vsi večji izdelovalci napovedujejo novosti, ki naj bi na novo definirale "standarde". Med omembe vrednimi je NVidia Tegra 4, ki bo z 72 jedri GPU in 4+1 jedri CPU (Cortex A15) prava pošast in odgovor na Applov A6X, ki trenutno velja za najhitrejši procesor. Tudi Samsung ne spi, saj je na letošnjem sejmu CES v Las Vegasu predstavil svoj najnovejši procesor Exynos 5 Octa, ki bo z uporabo ARMove tehnologije big.LITTLE pod eno streho združil štiri zmogljiva jedra Cortex A15 in dodatna štiri varčna jedra Cortex A7 za "manj zahtevna" dela. Za grafiko naj bi skrbel ARM Mali-T604. Exynos 5 Octa bo porabil do 70 % manj energije v primerjavi z Exynos 5 Dual, ki ga najdemo v Nexus 10, in bo enako kot Tegra 4 izdelan v 28 nm proizvodnem procesu.
NVidia Tegra 4 v vsej svoji lepoti. Kako se bo obnesla v praksi, bomo izvedeli kmalu.
Med grafičnimi procesorji poleg serije Geforce pričakujemo ARMov Mali-T658 z osmimi jedri (enkrat hitrejši v primerjavi z Mali-T604), serijo PowerVR 6 in Qualcommov Adreno 330, ki bo integriran v njihovih najhitrejših procesorjih Snapdragon 800.
Kot zanimivost omenimo, da je AMD za leto 2014 napovedal izdelavo 64-bitnih procesorjev ARM za strežniško rabo. Na drugi strani naj bi NVidia s projektom Denver/Boulder (ARM 32&64-bit hibrid) resno merila na osebne računalnike, strežnike in superračunalnike.
Omeniti velja še, da je Applov procesor A6X verjetno zadnji, ki ga za Apple izdeluje njegov največji konkurent, Samsung, saj naj bi Apple proizvodnjo selil v tajvanski TSMC. Samsung bo nove zaveznike iskal na Kitajskem. Presenečenje prihaja tudi iz podjetja Texas Instruments, kjer resno razmišljajo o prodaji serije OMAP Amazonu, ki bi s tako potezo veliko pridobil; Barns&Noble Nook teče ravno na procesorjih iz serije OMAP.
Intel proti ARMu
Osebni računalniki so v domeni Intela, telefoni in tablice pa v domeni ARMa. Kateri je hitrejši, kateri varčnejši in ali se razlike zmanjšujejo?
O korporaciji Intel ne bomo izgubljali besed. Bila je in je še vedno prva izbira med osebnimi računalniki. Na drugi strani imamo britansko multinacionalko ARM Holdings (prej Advanced RISC Machines), ki drži več kot 90 % tržni delež med procesorji v pametnih telefonih in je, nasprotno od Intela, prva izbira med prenosnimi napravami.
Poraba energije je bila doslej ključna razlika med obema arhitekturama, saj so bili vgrajeni sistemi ciljna skupina ARMa, Intel pa je obvladoval namizne in prenosne računalnike. A ker je diverzificiranost podjetja v današnjih časih ključnega pomena, sta ARM in Intel skočila drug drugemu v zelje. ARM tako na strežniškem delu poskuša dohiteti Xeone (zgled Calxeda ECX-1000), Intel pa z najnovejšim procesorjem Atom Z2760 več kot učinkovito poganja Windows RT (preizkusili smo ga na tablici Acer W510), da o Androidih z Inteli niti ne govorimo (v tej številki si lahko preberete preizkus Motorolinega telefona Razr-I (I kot Intel).
Največja razlika je v mikroarhitekturi; Intelovi (in drugi) procesorji x86 temeljijo na starejši arhitekturi CISC (Complex Instruction Set Computer), procesorji ARM pa na arhitekturi RISC (Reduced Instruction Set Computer). Procesorji CISC so na splošno bolj zapleteni in bistveno dražji za izdelavo, saj podpirajo večje število kompleksnih ukazov, s katerimi lahko rešijo probleme v manj korakih. Zaradi tega so večji in potratnejši v primerjavi s procesorji RISC; ti so lažji, manj zahtevni in predvsem cenejši za izdelavo. Zaradi omejenega nabora ukazov ne potrebujejo velikega števila tranzistorjev, so energijsko učinkovitejši in se posledično ne pregrevajo. Je pa res, da je dandanes vse povedano relativno, saj je procesorsko jedro, merjeno v številu tranzistorjev le zelo majhen del celotnega SoCa. Da je temu tako kaže ravno uspeh "najnovejših" telefonskih "tabličnih" procesorjev Atom, ki smo jih preizkusili tudi mi. Hitrostno smo primerljivi z najhitrejšimi ARMi, glede varčnosti pa jim tudi ni kaj očitati.
Hitrostno primerjati zelo različne naprave je zelo nehvaležno delo, saj je končen rezultat odvisen od marsičesa in ne samo od vgrajenega procesorja. Začne se že pri predpomnilniku, pomnilniku in grafičnem podsistemu, da o operacijskem sistemu in prevajalniku s katerim je bil preveden testni program niti ne govorimo. Kot najbolj nevtralno rešitev smo izbrali meritev hitrosti izvajanja kode Javascript, uporabili smo merilno skripto SunSpider, ki jo v spletu najdete brez težav. Če se je le dalo, smo kot brskalnik uporabili Googlov Chrome, ker je na voljo za najrazličnejše sisteme (od računalnikov do telefonov), vendar smo naredili tudi izjemo. Izkazalo se namreč je, da je Chrome na Appleovih telefonih in tablicah neznosno počasen pri izvajanju Java
Slovarček
SoC (System-on a-chip): integrirano vezje (v nadaljevanju procesor), ki združuje vse glavne komponente računalnika v enem samem čipu:
procesorsko jedro
pomnilnik (ROM, RAM, EEPROM, flash) in ustrezen krmilnik
grafično jedro
generator ure
vmesniki do zunanjih naprav
pretvorniki ADC/DAC
regulatorji napetosti
včasih tudi HDMI, USB in še kaj
FLOPS (FLoating-point OPeration per Second): mera za računalniško zmogljivost, izraženo v številu operacij s plavajočo vejico na sekundo
PPI (Pixels Per Inch): gostota (število) pik na kvadratnem palcu površine