Mozky vašich telefonů - 1. díl přehledu procesorových a grafických čipů pro mobilní zařízení

Centrální výpočetní jednotka („CPU“), které neřekneme jinak, než procesor, nás doprovází prakticky všude, kam se podíváme.

Neřídí jen naše počítače, nalezneme je i v zařízeních, kde bychom je nečekali. Procesory řídí provoz různých elektronických zařízení, jako jsou navigace, televizory, mobilní telefony, mikrovlnné trouby, automatické pračky, myčky, apod. Procesor je tedy centrem každého zařízení, od kterého se očekává jakákoliv činnost spojená s rozhodováním, výpočty, či automatickým prováděním námi zvolených úkonů. Mohli bychom nadneseně říci, že se jedná o mozek, který celé zařízení řídí. Následující seriál vás uvede do tajů kódových označení, frekvencí a výkonů všech procesorů a grafických čipů na trhu. S námi tak zcela pochopíte výhody i nevýhody jednotlivých řešení a lehce odhadnete, který smartphone bude pro vás tou nejlepší volbou.

Nedávno jsem ve sklepě objevil stařičký počítač, který mě kdysi provázel mými prvními pokusy – omyly. Zajímavá nostalgie, o to zajímavější však bylo zamyšlení se nad tím, kam se vývoj informačních technologií posunul. Ve sklepě jsem našel Intel 80486 s taktem 33 MHz s 16 MB RAM a 80MB harddiskem. Uvědomil jsem si, že můj nynější mobil je celkově asi 30krát výkonnější, než počítač, který pro mne v té době byl vším. Miniaturizace doznala ohromného pokroku, dnešní mobilní procesory jsou výkonné a přitom úsporné, ovšem teprve až dnešní operační systémy prověřují, jak kvalitně se procesory vyrábějí a jak účinně dokáží uspokojit naše potřeby po stále rychlejších a dokonalejších telefonech či počítačích. V éře tzv. „hloupých telefonů“ se na výkon mnoho nehledělo. Od mobilního telefonu se očekávaly základní schopnosti volání, odesílání SMS, lepší telefony pak zvládaly e-mailovou komunikaci či WAP, který však kvůli vysoké ceně mnoho lidí nevyužívalo.

S nástupem “chytrých telefonů” se však mnohé změnilo. Na vývoj procesorů se kladly větší nároky a podobně, jak tomu bývá u procesorů desktopových – vyhrál ten nejsilnější a zároveň nejúspornější. A protože je trh s procesory pro mobilní telefony učiněnou džunglí, má tento seriál za úkol srovnat, doplnit a poukázat na výhody, typy a vlastnosti všech dostupných procesorů i grafických čipů na trhu. V článku budeme hovořit o “mobilních procesorech”, je však nutné tento pojem odlišit od procesorů určených pro mobilní počítače, tedy notebooky. Co bylo dříve? Slepice anebo vejce? U mobilních procesorů máme jasno, je to ARM.

Advanced RISC Machines

7 let společnost fungovala pod názvem Acorn RISC Machines, aby se v roce 1990 přejmenovala na Advanced RISC Machines (ARM) a spojila tak síly s Applem a VLSI Technology. Největšího rozmachu se společnost dočkala příchodem kontraktu s firmou Ericsson, který ARM procesory s VLSI čipsetem použil v mobilních telefonech jako první. Dalším významným milníkem byl vstup společnosti Apple, který v té době vyvíjel produkt podobný tabletu (Newton) a poptával tak levné, výkonné a přitom úsporné procesory. Započalo se tedy na vývoji plnohodnotných mobilních procesorů a v roce 1992 tak nastává zlom, kdy Apple spolu s ARMem vyvíjí rodinu ARM6. Apple je téměř polovičním vlastníkem společnosti ARM a po určité době svůj podíl prodává, aby koupil akcie Imagination Technologies. V dnešní době je ARM prakticky nejvýznamnějším vývojářem procesorů pro mobilní telefony. Takřka 98 % mobilních zařízení obsahuje procesor ARM a mezi nejznámější přístroje, poháněné tímto procesorem, můžeme řadit zařízení jako Game Boye, PSP, navigace, většinu smartphonů či všechny verze iPhonů a iPodů. Tato architektura je podporována operačními systémy Windows CE, Android, Bada, Symbian, iOS, WebOS, Solaris, aj. Nutno podotknout, že ARM není výrobcem v pravém slova smyslu. Intel i AMD vlastní prostředky na to, aby si své procesory přímo vyráběli, v ARMu však zvolil jinou cestu. Vyvinutý procesor poskytují formou licence dalším výrobcům a nestarají se tak o problémy, které takovou výrobu doprovázejí – výroba, odbyt, PR apod. Vývoj ARMu prošel neuvěřitelnou cestou a nelze zcela podrobně všechny tyto vývojové etapy popsat. Následující tabulka nás však zběžně seznámí s nejdůležitějšími milníky společnosti ARM:

Jen doplním, že do povědomí lidí se architektury ARMv6 a ARMv7 vryly jako ty, které podporují či nepodporují flash. Ano, ARMv7, do kterého spadá třeba Snapdragon od Qualcommu, nejen že umí flash, ale poradí si i s dekódováním videí ve formátech 720p. či 1080p. Silnější modely toho pak umí mnohem více.

Jak čas ubíhal, začaly se vyvíjet náročnější a náročnější operační systémy. Už to nebylo pár okének, tabulek a seznamů. Vše doplnily efekty, přechody a moderní grafické nástavby. Všechna tato vylepšení však výrazně zpomalovala chod celého systému. Procesor byl často silně zatížen a výdrž na baterii tak byla citelně ohrožena. I dnes si lze na telefonech nižší střední třídy všimnout, že výpočetní výkon mnohdy nestačí, výsledkem tak mohou být občasné lagy (chvilková zaseknutí), či výrazné zpomalení systému. Grafické karty, které známe z desktopů, se hojně využívají i v mobilních telefonech. Nejde však o kartu, kterou právě z běžných počítačů všichni známe. Často se jedná o grafický čip integrovaný buď na desce telefonu, či přímo v procesoru. Určitým omezením může být skutečnost, že tam, kde má grafická karta dostatek místa pro rychlou operační paměť, se musí u telefonů grafický čip spokojit s integrovanou operační pamětí, která často nedosahuje takové velikosti, která by nám umožnila pohodlné používání telefonu. Výrobci se předhánějí v číslech a velikostech všeho, co takový chytrý telefon doprovází, často však neuvedou, že z 512MB operační paměti si zhruba 150 MB ukrojí grafika, další drahocenné megabajty si vezme samotný operační systém včetně případné grafické nástavby a také ostatní aplikace. Pro naše použití tak zbude velmi málo, často necelých 200 MB. Grafický čip je tedy jakousi berličkou, která telefonu pomůže zejména při hraní her, či vykreslování efektů samotného operačního systému.

Grafické čipy Mali

Předními výrobci grafických čipů pro mobilní telefony jsou Imagination Technologies (divize PowerVR), nVidia a Qualcomm (divize Adreno). ARM však nelenil a do vývoje grafických čipů (GPU) se pustil také, výsledkem je rodina Mali, která se usadila v procesorech Cortex. V současné době známe pět větví Mali:

• Mali 55
• Mali 200
• Mali 400 MP
• Mali T604
• Mali T658

Mali 55 je služebně nejstarší a také nejslabší jednojádrový grafický čip o frekvenci 240 MHz. Najde uplatnění spíše v méně náročných přístrojích, jako jsou navigace, přenosné DVD přehrávače apod.

Mali 200 je o něco silnější a mezi jeho přednosti patří podpora OpenGL ES 2.0, OpenVG 1.1. Jeho jádro je taktováno na 380 MHz. Plná podpora 3D jej směřuje do herních konzolí.

Mali 400 MP patří v tomto seznamu do pomyslné špičky a to zejména proto, že podporuje FullHD rozlišení 1080p, přitom dokáže využít až čtyř grafických jader a jako jediné obsahuje vlastní cache paměť typu L2. Tento typ využívá velice oblíbený telefon Samsung Galaxy S2 či Galaxy Note.

Mali T604 je prakticky nejnovějším přírůstkem do rodiny Mali. Má se jednat o přímého konkurenta čtyřjádrové nVidie Tegra 3, která běží na 1,3 GHz – respektive jejího grafického řešení ULP GeForce. Mali T604 jede na dvoujádrovém čipu s frekvencí 2 GHz a je o 400 % silnější, než předchůdce Mali 400 MP. Tuto generaci GPU by podle některých informací mohl obdržet i dlouho očekávaný model Galaxy S3.

Poměrně zajímavou úkazku použití předvedl ARM v následující prezentaci. Může nám tak trochu napovědět, kam se vývoj mobilních telefonů a zejména zábavy posune:

Mali T658 je hudbou budoucnosti. Oproti Mali 400 MP se vyznačuje desetinásobně vyšším výkonem a využívá až osm výpočetních jader, podporuje také OpenGL, OpenCL, DirectX 11 a je kompatibilní s architekturou ARMv8. Momentálně je jisté, že na tuto generaci si ještě nějaký ten rok počkáme. S 8jádrovou variantou ARM počítá až v roce 2014.

Aby to nebylo tak jednoduché, ARM je pouze jakýmsi dodavatelem architektury. Jak již bylo řečeno, ARM si své výtvory nevyrábí, to nechává na ostatních, jako jsou Qualcomm, Texas Instruments OMAP, Marvell Armada, nVidia Tegra, aj. Ovšem ani ti si ve většině případů své čipy přímo nevyrábějí, řeč je například o Qualcommu, pro kterého pracuje společnost TSMC, která mimo jiné vyrábí integrované obvody i pro takové výrobce, jako jsou Marvell, Broadcomm, VIA, nVidia, apod.

Qualcomm

Firma Qualcomm je na světe již 27. rok. Nejedná se však o nějakého procesorového giganta, svůj život Qualcomm postavil na vlastnictví mnoha důležitých patentů, ze kterých společnosti plynou nemalé zisky. Jmenujme třeba A-GPS, UMTS, LTE apod.
Důležitým milníkem je však rok 2009, kdy firma koupila divizi AMD a rozvoj grafických čipů Adreno se mohl konečně rozjet. V letech 2010 a 2011 přišla akvizice firmy Atheros, která je známá výrobou Wi-Fi adaptérů. Vedle toho je Qualcomm činný v mnoha oblastech vývoje software, podílí se na vývoji operačního systému BREW a dobře se mu daří i v linuxových „vodách“. Procesory na bázi ARM pro firmu vyrábí několik výrobců, zejména pak Samsung a LG.

Qualcomm Snapdragon

Slovní spojení, které se mnoha lidem vrylo do paměti díky dobře mířeným mediálním kampaním. Platforma Snapdragon S1 staví na architektuře ARMv6 případně v7 s jednojádrovými procesory ARM11 a v high-end modelech pak Cortex A8, který si vysloužil název Scorpion. Takt tohoto procesoru je 0,8 – 1 GHz a najdeme jej na drtivé většině smartphonů střední a nižší střední třídy – např. SE XPERIA Mini/Mini Pro, apod. Součástí je grafický čip Adreno 200 (AMD Z430), který je v dnešní době spíše podprůměrný a nalezneme jej v mnoha levných Androidech, jakými jsou ZTE Blade, ale také i v HTC Incredible. V roce 2010 byl Snapdragon zmodernizován na verzi QSD8250 a dostal se do takových telefonů, jako Nexus One, HTC HD2 či HTC Evo 4G. U těchto telefonů se již setkáváme s novějším grafickým čipem Adreno 205, který je asi 4x silnější, než Adreno „dvoustovka“. V porovnání s PowerVR, konkrétně 540, se stále jedná o velmi silné grafické řešení. Skutečný zlom však přichází v první jarní den roku 2011, tehdy Qualcomm představil dvoujádrovou verzi MSM8655 s grafickým čipem Adreno 220. Před půlrokem si však Qualcomm uvědomil, že modelové označení jeho procesorů není to pravé ořechové a přišel s jednoduššími názvy. Vytvořil modelovou řadu S1, S2, S3 a S4, kde větší číslo znamená výkonnější a novější model. Následující infografika popisuje vývoj nejpoužívanějších modelů, pro úplnost je možné zhlédnout stránky wikipedie.

Grafické čipy Adreno

Grafické čipy Adreno, jejiž divizi v roce 2008 Qualcomm od AMD odkoupil, jsou v dnešní době prakticky nejznámějšími a nejpoužívanějšími grafikami pro mobilní telefony či tablety. Podobně, jako má ARM svých pět Mali, tak Qualcomm své grafické čipy rozdělil na čtyři nejpoužívanější modely:

• Adreno 200
• Adreno 205
• Adreno 220
• Adreno 225

Adreno 200 (AMD Z430) je nejstarším zástupcem této modelové řady. Přesto jej můžeme stále nalézt v mnoha smartphonech nižší cenové kategorie. Jmenujme například ZTE Blade, LG Optimus HUB, SE X8, LG Optimus One, Huawei Ideos X3. V roce 2009 se jednalo o silné grafické řešení, které překonávalo všechny své konkurenty, zejména PowerVR.

Adreno 205 se od svého předchůdce liší nejen ve výkonu, ale nově i v hardwarové podpoře Adobe Flash. Dobré výsledky si však odnáší i z testů shaderů. Modely, které Adreno 205 používají, jsou následující – HTC Desire HD, Nokia Lumia 900 či HTC HD7 s WP 7,5, dále pak HTC One V, Huawei Honor či Vision a početná rodina Xperií – Arc, Neo, Play, Mini/Mini Pro.

Adreno 220 patří mezi TOP grafické čipy, které můžete ve svém smartphonu mít. Tento čip nemá problém s jakoukoliv náročnější aplikací a hry jsou pro Adreno 220 přímo stvořené. Čipset MSM8660 a MSM8260 s takty 1,2 GHz – 1,5 GHz a 1 MB L2 cache pamětí zaručují dobré výsledky bez viditelných záškubů. Tento typ grafiky nalezneme u prémiových modelů, jako Sony Xperia S, HTC EVO 3D, dále pak zahraniční verze oblíbeného modelu Galaxy SII (v USA jako SII HD LTE), který je u nás k dostání pouze s Exynos 4212 – Mali 400MP.

Adreno 225 je pomyslný vrchol ledovce. Jeho čipset MSM8960 s taktem 1,5-1,7 GHz, 1MB L2 cache pamětí a osmi výpočetními jádry je učiněné peklo na Zemi. Silným soupeřem mu může být pouze ULP GeForce od nVidie, který nalezneme v čtyřjádrové Tegře 3 u evropského modelu HTC One X. Adreno 225 nalezneme třeba v Panasonicu Eluga Power či HTC One S.

Počátkem roku 2013 plánuje Qualcomm uvést „třísetgenerační“ verzi Adrena. Výrobce slibuje, že Adreno 300 bude výkonově shodné s herní konzolí Xbox 360 či PS3. Osobně jsem k takovému tvrzení skeptický, rád se ovšem nechám překvapit.

Co jsme se v dnešním díle našeho seriálu dozvěděli?

• Základem všeho je architektura ARM.
• ARM si své produkty nevyrábí, pouze je licencuje výrobcům (jako třeba Qualcomm), kteří samotné procesory mnohdy také přímo nevyrábějí.
• ARM vyvíjí své grafické čipy – jedná se o rodinu Mali, kterou licencuje Samsungu a ten si tuto rodinku přidal ke svým procesorům Exynos.
• Qualcomm je zřejmě největším „výrobcem“ procesorů pro mobilní telefony.
• Velkých úspěchů docílil při uvedení Snapdragonů do kategorie levnějších smartphonů – Xperia Mini či Mini Pro apod.
• Lídry v Snapdragonech jsou verze S3 a S4, ty jako jediné nabízí výborný výkon a rozumnou spotřebu.
• GPU Adreno jsou stále to nejlepší, co lze v mobilním telefonu mít – jedinou vážnou konkurencí může být nVidia.
• Adreno 200 dobyla srdce všech, kteří v té době hledali levný a přitom dostatečně výkonný smartphone – např. ZTE Blade
• Adreno 225 je více jak 2x silnější, než slavná Tegra 3 s integrovaným grafickým řešením ULP GeForce – je však nutné zohlednit, že ve hrách upravených přímo pro Tegru budou výsledky spíše opačné.
• Qualcomm neřekl poslední slovo, Adreno 300 má být údajně stejně výkonné jako herní konzole.
• Na MWC 2012 Qualcomm představil nové Snapdragony S4 Krait s 28nm výrobní technologií; dvoujádrové procesory mají být opožděnou odpovědí na Tegru 3 a mají ukázat, že jádra nejsou vše.
• Již brzy se dočkáme čtyřjádrové S4 s Adrenem 320. Zabydlet by se měla nejen v tabletech, ale třeba i v ultraboocích.
• nVidia ukazuje, že silná grafická řešení jsou dostupná již dnes.
• Ostatní výrobci – již brzy v dalším díle našeho seriálu o procesorech a grafikách

Závěrem prvního dílu našeho seriálu se podívejme na obrázek zařízení, kde Qualcomm demonstruje použití svých Snapdragonů. Další výrobce, jako Texas Instruments, Marvell, nVidii či tchajwanské VIA, si uvedeme v dalším díle našeho seriálu. Zvláště nVidia se svojí Tegrou 3 či připravovanou čtvrtou generací může značně zamíchat kartami.