iPhone 5: процессорная тайна

До анонса iPhone 5 считалось, что он получил модификацию двухъядерного кристалла A5, дебютировавшего в составе iPhone 4S. Неважно как Apple назвала этот чип — к примеру, A6, но на деле он якобы явлен всё тем же A5, выполненным по усовершенствованному с 45 до 32 нм технологическому процессу, с поднятыми тактовыми частотами. Подлежащая микроархитектура ARM Cortex-A9 осталась прежней.

На презентации iPhone 5 было сказано, что телефон опирается на новый процессор — Apple A6, который в два раза быстрее, нежели A5 в iPhone 4S, равно как по общей, так и видеографической производительности. Размеры кристалла стали на 22% меньше.

Тут же родились предположения, что если Apple A5 строится на 45-нм технологической базе и составлен сочетанием двух вычислительных ARM-ядер семейства Cortex-A9 с двухъядерной видеографикой PowerVR SGX543MP2, то A6 перешел на 32-нм основу, выбрав два ядра семейства Cortex-A15 с четырехъядерной видеографикой PowerVR SGX543MP4. Понятно, тактовые частоты A6 должны быть не слишком высокими во избежание повышенного энергопотребления.

Столь оптимистичный расклад невероятно поднимает мощь и силу iPhone 5, которому предстоит торговаться вплоть до следующей осени, а Apple оказалась первой, кто выпустила готовое изделие на процессорных ядрах Cortex-A15. Ставку на последние уже сделали Nvidia Tegra 4, TI OMAP 5, Samsung Exynos 5250 и ST-Ericsson Nova A9600, но эти однокристальные системы еще не появились. Qualcomm предлагает 28-нм чипы Snapdragon S4 на Krait-микроархитектуре класса Cortex-A15.

Так вот, искомые догадки следует считать недействительными. Впрочем, расстраиваться не приходится вовсе.

По мнению экспертов AnandTech, Apple A6 — первая «система на кристалле» авторства компании Стива Джобса, которая воспользовалась разработанной своими силами процессорной микроархитектурой с опорой на архитектуру системы команд ARMv7, лицензированную у британской ARM Holdings. Другими словами, чип A6 не относится к чистым проектам на ядрах ARM Cortex-A9 или Cortex-A15 — речь идет о чем-то совсем ином.

iPhone 5 оснащен новейшей мобильной платформой iOS 6.0, которой сопутствует релиз инструментария для разработчиков Xcode 4.5. В последнем произошли две крупных подвижки: утеряна совместимость с системой команд ARMv6, которая легла в основу процессоров для iPhone и iPhone 3G, и добавлена поддержка новой, используемой в iPhone 5, — ARMv7s. Конечно, понимание ARMv7 для всех прочих iOS-устройств сохранено.

Какое основное различие между ARMv7 и ARMv7s с точки зрения компилятора LLVM? Оно заключено в поддержке расширений VFPv4, связанных с вычислениями с плавающей запятой. Что это значит?

Только процессорные ядра семейств Cortex-A5, -A7 и -A15 поддерживают VFPv4-расширения микроархитектуры ARMv7-A — ядра Cortex-A8 и -A9 достигли своего максимума в эксплуатации VFPv3-расширений. Если быть точными, Cortex-A5 и -A7 пользуются 16-разрядными VFPv4-расширениями, а Cortex-A15 — 32-разрядными.

Вывод понятен: если архитектура ARMv7s располагает поддержкой VFPv4, процессоры на ней не относятся к Cortex-A8 или -A9. Точно так же можно отклонить Cortex-A5 и -A7, которые не настолько производительны, как Cortex-A9 в кристалле Apple A5. Остается единственный претендент на базу для Apple A6 — Cortex-A15. Но и он не подходит.

Существует два типа лицензиатов технологий ARM Holdings: те, кто лицензирует определенное процессорное ядро (например, Cortex-A8, -A9, -A15), и те, кто лицензирует архитектуру системы команд ARM (например, ARMv7) для воплощения в собственных вычислительных ядрах. У Apple куплены два искомых типа лицензий, что расширяет спектр возможностей. Та же Qualcomm лицензирует отдельные ARM-ядра для использования в некоторых своих кристаллах (например, MSM8x25 Snapdragon S4 Play опираются на Cortex-A5) и лицензирует систему ARM-команд для создания собственных процессоров (например, чипы Scorpion и Krait построены вокруг микроархитектуры ARMv7).

Раньше всплывали сведения, будто Apple трудится над процессорным ARM-ядром собственной разработки, но в связи с рядом трудностей его появление ожидалось еще не скоро. Но, похоже, Купертино успело справиться как раз к дебюту iPhone 5.

Внедрение VFPv4-расширений свидетельствует, что A6 не является лишь переработкой Cortex-A9 в угоду повышенных тактовых частот. Есть мнение, что Apple сделала что-то подобное нынешним проектам Qualcomm, идя шире без существенного углубления. Напомним: Qualcomm, мигрируя с архитектуры Scorpion на Krait, перешла от большей частью последовательного исполнения команд к внеочередному исполнению (out-of-order), причем нарастив количество обрабатываемых за такт инструкций с двух до трех. Напротив, в Cortex-A15 сделана ставка на увеличение тактовых частот и резкое возрастание глубины конвейера.

Следует понимать, что наращивание ступенчатости конвейера вкупе с расширением входного блока (front end) и механизмов исполнения приведут к поднятию показателей производительности и энергопотребления. Недаром ARM изначально ориентировала Cortex-A15 на использование в серверах, и только через ряд оригинальных подходов вроде big.LITTLE эти ядра пригодны для смартфонов. Учитывая озабоченность Apple вопросами энергоэффективности, имело смысл пропустить Cortex-A15, не забыв при этом усилить производительность.

Хорошо, но почему бы ни взять ядра Cortex-A9 из Apple A5 и поднять их тактовые частоты? Это заманчиво, да и многие игроки в мобильном бизнесе так и делают, однако с точки зрения перспектив оптимальности здесь никакой. Достаточно вспомнить дни Intel Pentium 4, когда, опираясь лишь на масштабирование частот, достигались высокие показатели производительности, но терялась энергоэффективность.

Для того чтобы поднять частоту, следует поднять напряжение — именно оно оказывает экспоненциальное воздействие на энергопотребление. Идеальный для автономности от аккумулятора случай, когда ядра работают максимально близко к своему минимальному напряжению. Верным подходом к росту процессорной производительности является сочетание усиления архитектурной эффективности (увеличение числа выполняемых за такт команд), многопоточности и умеренного частотного масштабирования. К примеру, в 2005 году Intel предложила 3,73-ГГц процессор Pentium Extreme Edition, а семь лет спустя самый быстрый клиентский чип корпорации, работающий на 3,5-ГГц частоте (3,9 ГГц в турбо-режиме), включает в четыре раза больше ядер и выдает втрое большую однопоточную производительность. Итак, важнейшую роль играет архитектура, а не частота.

Понятно, что Apple A6 перебрался на 32-нм технологический производственный процесс, но из этого шага решительно нет никакой возможности извлечь, как было сказано на презентации iPhone 5, удвоения быстродействия и продления автономности, если сохранить ту же самую микроархитектуру. Поэтому всё сводится к тому, что Apple A6 опирается на процессорные ядра уровня Cortex-A15 и Krait: немного расширенный входной блок, больше ресурсов на исполнение инструкций, более гибкий механизм внеочередного исполнения, углубленные буферы, увеличенные окна и т. п. По-прежнему неизвестным остается число ядер в Apple A6.

iPhone 5, как сообщается, вдвое повысил видеографическую производительность, и кристалл Apple A6 мог подойти к этому вопросу с четырех сторон:

- интегрировать такую же, как в Apple A5, двухъядерную видеографику PowerVR SGX543MP2, но подняв вдвое ее тактовую частоту;

- включить четырехъядерную PowerVR SGX543MP4 с такими же, как в Apple A5, частотами;

- взять на вооружение трехъядерную PowerVR SGX543MP3 с незначительно увеличенными частотами;

- обратиться к следующему поколению видеографических решений авторства Imagination Technologies — PowerVR Rogue.

Сразу ясно, что четвертый вариант преждевременен. Первый подход имеет смысл, но тогда вы столкнетесь с теми же проблемами, с которыми имеют дело центральные процессоры, когда повышение тактовой частоты вынудит увеличить напряжение, что повлечет рост энергопотребления. Впрочем, при переходе на новый техпроцесс прибавлять напряжение не так обязательно. Второй вариант приведет к разрастанию площади кристалла на манер Apple A5X в новом iPad. Наконец, третий способ кажется оптимальным: трехъядерность не предполагает выделения слишком большой процессорной площади и не требует внушительных тактовых частот.

Что ж, остается дождаться первых тестов и бенчмарков iPhone 5, чтобы понять, каков он — процессор Apple A6. Но в любом случае Купертино вновь взяло барьер, оказавшись, когда дело доходит до вертикальной интеграции, в другой лиге: компания Стива Джобса стремится конструировать свои изделия из компонентов собственного, а не серийного производства. Да, риски высоки, ведь проекты ARM обкатаны и проверены на сонме различных устройств и платформ, однако преимущество налицо: как доказала Qualcomm, намного легче отличаться и доминировать, если вы предлагаете разработки, которые действительно уникальны среди прочих авторства конкурентов.

© СОТОВИК