Nucleul – Ce înseamnă Tegra 2, ARM sau Dual Core ?

⇣ Sari la articol

În fişele tehnice ale smartphone-urilor apar cuvinte cheie, precum procesor ARM, Tegra,  Dual Core şi GHz. Totuşi, care este povestea procesoarelor telefoanelor?
Redactat de: Daniel Chira

Dual Core este cuvântul magic, care în sfârşit scuteşte utilizatorii de timpii lungi de aşteptare întâlniţi la generaţiile trecute ale smartphone-urilor. Dar ce este mai exact un nucleu (Core), de ce sunt două mai bune decât unul şi de ce este necesară încărcarea smartphone-urilor de două ori pe zi? Să fie din cauză că nu au încă un acumulator dublu? Întrebări peste întrebări, cărora dorim să le răspundem în continuare.

Generalităţi
În primul rând, un procesor este un sistem electronic de comandă, care controlează toate conexiunile sau componentele prin intermediul unui set de instrucţiuni prestabilit. Orice procesor este compus cel puţin din unitatea de calcul, unitatea de comandă, regiştrii procesorului şi o unitate de interfaţă cu celelalte componente. Unitatea de calcul mai este cunoscută şi sub numele de unitate aritmetico-logică (prescurtarea engleză ALU), care în afara funcţiilor de calcul clasice, execută şi alte calcule. Registrul desemnează o unitate ce serveşte memoriei drept tampon intern de date şi instrucţiuni.

Unitatea de comandă este responsabilă de executarea instrucţiunilor şi preia din memorie, prin intermediul interfeţei, instrucţiunile succesive, ca de exemplu „Adună”, traduce instrucţiunea într-un cod inteligibil pentru unitatea de calcul şi o transmite operanzilor corespunzători, ce trebuie adunaţi. După ce unitatea de calcul a executat adunarea, unitatea de comandă rescrie rezultatul şi înaintează un pas în executarea programului. Deoarece unitatea de calcul, în afară de modalităţi matematice de calcul de bază, poate prelucra şi funcţii logice (algebră booleană), ramificaţii şi bucle, ea poate fi utilizată și pentru diferite sarcini practice.

De la PC-uri şi smartphone-uri
Pentru ca un procesor să ofere unui smartphone toate funcţiile dorite, acesta are nevoie de programe pe care trebuie să le înţeleagă. Ceea ce pentru noi înseamnă vorbirea, pentru procesor înseamnă setul de instrucţiuni, care printr-o aşa numită arhitectură poate fi interpretat. În acest context, la PC-uri este întotdeauna vorba despre arhitectura x86, introdusă de Intel în anul 1978, care i-a asigurat un succes durabil: şi procesorul anului 2011, Intel Core i7, cu cei aproape un miliard de tranzistori ai săi şi setul său extins de instrucţiuni, încă mai cunoaşte toate comenzile procesorului Intel 8086 cu 29000 tranzistori, de acum 33 de ani. Până acum, arhitectura x86 întâlnită la PC-uri şi suportată de AMD nu a jucat niciun rol în cazul smartphone-urilor. Aceasta este un rezultat al complexităţii, care i-a adus acestei clase de procesoare denumirea de procesoare CISC (Complex Instruction Set Computer).
În cazul unui procesor CISC, instrucţiunile individuale sunt foarte puternice, prin urmare un program necesită puţini paşi. Pentru a înţelege mai bine, imaginaţi-vă o firmă de curăţenie, care primeşte comanda de a face curat într-o clădire de birouri. Fără nicio îndoială, o astfel de comandă ar genera costuri ridicate. Prin intermediul mai multor instrucţiuni, firmei i s-ar putea da comenzi individuale ca de exemplu să cureţe scările, să golească coşurile pentru hârtie la „Popescu, Ionescu şi partenerii” şi să cureţe ferestrele de la secretariat. Mai multe instrucţiuni, corect alese, ar putea duce la acelaşi rezultat cu costuri evident mai reduse. Strategia corespunde cu modul de funcţionare, al procesoarelor RISC (Reduced Instruction Set Computer) întâlnite la smartphone-uri. La acestea, fiecare instrucţiune individuală declanşează doar câte o acţiune, iar nici o instrucţiune nu va declanşa vreo acţiune inutilă. Programele devin mai lungi, dar execuţia devine mai eficientă. Pentru smartphone-uri, cu acumulatoare ce se descarcă tot timpul mult prea repede, acest lucru este decisiv. Multitudinea tipurilor de procesoare întâlnite la smartphone-uri, ca de exemplu ARM V7, ARM A9, StrongArm, XScale, Tegra sau Snapdragon, este derutantă. Unele telefoane mobile deţin procesoare ARM, altele procesoare Qualcomm Snapdragon.

Arhitecturi şi seturi de instrucţiuni
Specialiştii ştiu că Qualcomm Snapdragon este un procesor al companiei britanice ARM, care nu vinde direct modelele, ci dezvoltă aceste procesoare RISC şi vinde apoi licenţele. Deci ARM este specializată în vânzarea de proprietate intelectuală, înregistrând mare succes. Momentan, nu există niciun smartphone, de la Apple iPhone 4 cu procesor A4, la ZTE cu procesor Qualcomm MSM7227, care să nu fie dotat cu procesoare ARM. Cu ajutorul acestor două tipuri de procesoare, se poate învăţa ceva despre tehnologia diferită a ARM. Astfel, procesorul A4 al Apple, în opinia unanimă a experţilor, are la bază un procesor ARM Cortex A8, fiind licenţiat întregul nucleu al procesorului ARM, şi completat cu alte componente. În schimb, Qualcomm MSM7227 a fost desemnat de multe ori ca fiind un procesor ARM v6, afirmaţie corectă doar în parte, deoarece ARM v6 şi ARM v7 nu se referă la nucleele procesoarelor, ci la arhitectura procesoarelor şi la seturile de instrucţiuni aferente. Qualcomm licenţiază de la ARM setul de instrucţiuni, pentru a construi un procesor propriu, care să transforme instrucţiunile în funcţie de indicaţii. Putem face o paralelă cu o temă de matematică, pentru care există mai multe modalităţi de rezolvare.
Faptul că modelele cu procesoare ARM şi firmele ce deţin licenţa ARM, precum Apple, Freescale, Marvell, Nvidia, Qualcomm sau Samsung sunt de succes are mai multe motive. Unul dintre motive ar fi consumul redus de energie pentru puterea de calcul necesară pe care o asigură procesoarele RISC, construite după know how-ul ARM. În plus, procesul foarte scump de dezvoltare cade pe umerii celor licenţiaţi. Totuşi, producători individuali pot oferi variante care favorizează utilizarea procesoarelor ARM nu doar la smartphone-uri, ci şi la o multitudine de alte produse, de la router până la Set-Top-Box-uri.

Construcție modulară
Chiar dacă în majoritatea articolelor despre smartphone-uri este vorba preponderent despre procesor, acesta nu îşi face singur treaba. Pe lângă procesorul utilizat în rularea sistemului de operare şi a diferitelor aplicaţii, de unde şi denumirea de Application Processor, mai există cel puţin un al doilea procesor, care criptează şi decriptează canale de date, astfel încât reţeaua mobilă şi smartphone-ul să se „înţeleagă”, în acest caz fiind vorba despre un procesor baseband. Este vorba despre bază, deoarece mai întâi transceiver-ul transformă canalele de date pentru frecvenţele de emisie admise, în majoritatea reţelelor, pe 900 şi 1800 MHz la GSM şi
2100 MHz la UMTS. Despre canale de date este vorba şi la telefonia mobilă la transmiterea convorbirii.

Pentru a putea transmite semnale cu frecvenţă ridicată, sunt necesare amplificatoare. Componentele ce funcţionează cu putere mai mică de emisie pentru transferul de date prin WLAN şi Bluetooth sunt în majoritatea cazurilor introduse într-un bloc funcţional individual, de multe ori împreună cu modulul de recepţie GPS. Acestora li se alătură şi diferitele interfeţe pentru difuzor, microfon, display touchscreen, RAM, ROM şi de multe ori şi cardul de memorie. În strânsă legătură cu acumulatorul este managementul energiei, care asigură încărcarea completă şi rapidă a smartphone-ului cu aceeaşi tensiune, chiar şi dacă aceasta scade prin descărcarea progresivă.
Şi cvasi-standardul de la seturile de instrucţiuni facilitează programarea sistemelor de operare şi aplicaţiilor.

Multiprocesare şi consum
Sistemele de operare joacă un rol important, iar la smartphone-uri cu procesor Dual Core repartizarea sarcinii de calcul se face pe două nuclee. Sistemul de operare Symbian suportă de ceva timp aşa numita multiprocesare. În principiu, şi sistemele de operare bazate pe Linux asigură repartizarea sarcinii de calcul, şi într-adevăr şi sistemul de operare Android şi de ceva timp şi sistemul Web OS al HP suportă noile procesoare Dual Core. Pentru sistemul de operare iOS ce se bazează pe OS X, oferă suport pentru multi-procesor, şansele pentru viitoare iPhone-uri sau iPad-uri Dual Core arată bine.

Totuşi Dual Core nu oferă încă garanţia unei viteze duble. Nu orice sarcină se poate distribui bine pe două procesoare, şi de multe ori problema este alta, ca de exemplu conexiunea lentă prin reţeaua de telefonie mobilă. Bineînţeles că, pentru procese mai complexe, precum decodarea clipurilor video de rezoluţie mare, procesoarele cu două nuclee (Dual Core) reprezintă un avantaj. În această privinţă, programatorii acordă mare atenţie codurilor ce pot fi executate în paralel.

Interesant este faptul că soluţiile Dual Core deţin avantaje şi la consumul de energie. Sub sarcină maximă necesită, în mod evident, mai multă energie, dar sarcina maximă reprezintă un regim de funcţionare ireal pentru procesoarele smartphone-ului. În mod normal, acţiunile realizate cu smartphone-ul, cum ar fi de exemplu accesarea unei pagini de internet, ascultarea unei melodii, respectiv vizionarea unui film sau trimiterea unui SMS, sunt bine delimitate. Aceste acţiuni necesită întotdeauna un anumit număr de paşi de program, şi din principiu energia consumată rămâne la fel – indiferent dacă un nucleu prelucrează toţi paşii sau dacă două nuclee se ocupă, fiecare, de câte jumătate din paşii necesari. În practică, situaţia procesoarelor Dual Core arată mult mai bine.

La decodarea unei melodii MP3, două nuclee ce lucrează împreună pot lucra mai slab decât unul singur. Melodia nu trebuie decodată într-un timp mai scurt decât este ascultată. Procesorul Dual Core a lucrat într-un ritm mult mai lent decât procesoarele cu un nucleu. Şi la un ritm mai lent, procesoarele moderne pot reduce şi tensiunea de lucru, fără a se ajunge la erori de calcul. Deoarece consumul de energie scade şi creşte o dată cu pătratul tensiunii de lucru, există aici un potenţial mare de economisire. Procesoarele Dual Core fac smartphone-urile mai rapide şi în plus economisesc energie.

Multe unităţi de procesare…
Procesoarele moderne pentru smartphone-uri au de multe ori cel puţin încă un nucleu specializat, o unitate de procesare grafică, prescurtată GPU, care corespunde plăcii grafice întâlnite la PC-uri şi care este responsabilă pentru efectele 3D din jocuri. În această privinţă s-a remarcat cip-ul NVidia Tegra 2, care, pe lângă două nuclee moderne ARM Cortex A9, include şi o placă video GeForce, care în anumite privinţe devansează performanţa unei console PSP. Sistemele moderne de operare utilizează performanţele grafice speciale şi pentru a accelera platforma de utilizator a sistemului de operare. Aceasta ar putea fi motivul pentru care vechiul sistem Windows Mobile, care nu făcea uz de această posibilitate, era mult mai încet decât sistemele moderne de operare, precum iOS, Android, sau Windows Phone 7.

… şi consum mai mic
În afara creşterii numărului nucleelor de calcul şi utilizării de GPU mai performante, dezvoltarea procesoarelor pentru smartphone-uri necesită şi multă precizie. Qualcomm a demonstrat această artă prin succesul chip-urilor Snapdragon, artă pe care o duce mai departe prin intermediul viitoarei generaţii. Pe care pe lângă GPU-urile foarte performante, lucrează două nuclee propriu dezvoltate compatibile ARM v7. Contrar conceptului ARM, acestea pot fi separat adaptate cerinţelor de performanţă, frecvenţei de tact a procesorului şi tensiunii de lucru, ceea ce aduce posibilităţi suplimentare de economisire a energiei. Comparativ cu predecesorii, la noua generaţie s-a trecut de la tehnologia de fabricaţie de 65 nm la cea de 45 nm.

Prin structuri mai mici trece şi mai puţin curent electric, ceea ce ar trebui să asigure un potenţial suplimentar de economisire de 30%. În plus, Qualcomm integrează în procesoarele Snapdragon marea majoritate a componentelor de care mai are nevoie un smartphone. Astfel, cu puţin efort se obţine un management eficient al energiei. Pentru a reduce consumul, componentele de comandă individuale sunt decuplate chiar şi pentru o micro-secundă. Aici întâlnim know how-ul datorită căruia viitoarele smartphone-uri, în ciuda performanţelor crescânde, nu trebuie încărcate mai des.

Chiar dacă e greu de făcut o comparaţie, un procesor Snapdragon Dual Core deţine aproximativ puterea de calcul a unui procesor Intel Atom şi performanţa grafică 3D a unui Sony PSP. Nu e de mirare că Microsoft a anunţat şi o versiune a sistemului de operare Windows 8 pentru procesoare compatibile ARM. Rămâne de văzut dacă Intel reuşeşte în sfârşit să îşi lase amprenta în domeniul telefoniei mobile cu varianta Atom Medfield optimizată pentru smartphone-uri.