Οι λάτρεις της τεχνολογίας αρέσκονται στο να μιλούν για την ισχύ επεξεργασίας και τους επεξεργαστές, είτε τους βρίσκουμε σε υπολογιστές είτε σε κονσόλες παιχνιδιών και τα τελευταία χρόνια αυτούς που τροφοδοτούν τα smartphones.

Όπως φυσικά θα έχετε παρατηρήσει, εδώ, αλλά και στα άλλα τεχνολογικά sites αναφερόμαστε καθημερινά στους επεξεργαστές που φέρουν τα τηλέφωνα από τις Arm, Huawei, Qualcomm, Samsung, MediaTek και άλλους κατασκευαστές. Πολλές φορές μάλιστα, οι όχι και τόσο μυημένοι, βρίσκονται αντιμέτωποι με μια φρασεολογία που τους δυσκολεύει να κατανοήσουν ακόμη και τα βασικά, θέτοντας απλά ερωτήματα όπως “τι είναι αυτό που κάνει ένα SoC;“

Μπορεί να χρειαστούν χρόνια, για να καταλάβει κάποιος σωστά τη παραμικρή λεπτομέρεια του σχεδιασμού των επεξεργαστών, κάτι που δεν είναι εύκολο αν απλά προσπαθεί να ερευνήσει μια πιθανή αγορά. Έτσι θα πρέπει να αναζητήσει πολλές φορές την άποψη των … «ειδικών» κάτι που πολλές φορές τους μπερδεύει ακόμη περισσότερο. Έτσι, αποφασίσαμε να το κάνουμε λίγο πιο εύκολο για τους αρχάριους και να εξηγήσουμε τα υπέρ και τα κατά των σύγχρονων SoC για smartphones με όσο το δυνατόν λιγότερες τεχνικές ορολογίες.

Τι είναι ακριβώς ένα SoC;

Ο όρος SoC είναι συντόμευση της φράσης System-on-a-Chip δηλαδή ενιαίο σύστημα επεξεργαστών. Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένα SoC είναι ένα πλήρες σύστημα επεξεργασίας που περιέχεται σε ένα ενιαίο πακέτο. Δεν είναι ένα απλό μονό πακέτο από τσιπ επεξεργασίας, κάτι που πιθανώς να γνωρίζετε εάν έχετε κατασκευάσει ποτέ έναν υπολογιστή. Αντίθετα, ένα SoC περιέχει πολλαπλά τμήματα επεξεργασίας, όπως μνήμη, μόντεμ και άλλα βασικά κομμάτια που κατασκευάζονται μαζί σε ένα ενιαίο τσιπ που συγκολλάται στην πλακέτα ενός κυκλώματος.

Ο συνδυασμός πολλών εξαρτημάτων σε ένα ενιαίο τσιπ εξοικονομεί χώρο, κόστος και κατανάλωση ενέργειας. Τα SoC συνδέονται επίσης με άλλα στοιχεία, όπως οι κάμερες, η οθόνη, η RAM, ο χώρος αποθήκευσης και πολλά άλλα εξαρτήματα που συνθέτουν ένα τηλέφωνο. Ουσιαστικά, το SoC είναι ο εγκέφαλος του smartphone σας που διαχειρίζεται τα πάντα από τα λειτουργικά συστήματα Android, iOS, κλπ, για να ανιχνεύει όλες τις κινήσεις σας έως ότου πατήσετε το πλήκτρο απενεργοποίησης.

Η λίστα που ακολουθεί περιέχει τα πιο συνηθισμένα συστατικά που θα βρείτε μέσα σε ένα System-on-a-Chip ενός smartphone.

CPU, Central Processing Unit (Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας) – Ο “εγκέφαλος” του SoC. διαχειρίζεται το μεγαλύτερο μέρος του κώδικα του λειτουργικού συστήματος και τις περισσότερες εφαρμογές σας.

GPU, Graphics Processing Unit (Μονάδα επεξεργασίας γραφικών) – Επεξεργάζεται τις διεργασίες που σχετίζονται με τα γραφικά και την εικόνα, όπως η απεικόνιση της διεπαφής χρήστη μιας εφαρμογής και τα παιχνίδι 2D/3D.

ISP, Image Processing Unit (Μονάδα επεξεργασίας εικόνας) – Μετατρέπει κυρίως τα δεδομένα από την κάμερα του τηλεφώνου σε αρχεία εικόνας και βίντεο.

DSP, Digital Signal Processor (Επεξεργαστής ψηφιακού σήματος) – Χειρίζεται περισσότερες μαθηματικά εντατικές λειτουργίες από μια CPU. Σε αυτές περιλαμβάνονται η αποσυμπίεση αρχείων μουσικής και η ανάλυση δεδομένων του αισθητήρα γυροσκοπίου.

NPU, Neural Processing Unit (Μονάδα Νευρωνικής Επεξεργασίας) – Χρησιμοποιείται σε smartphones υψηλής τεχνολογίας για την επιτάχυνση των εργασιών μηχανικής εκμάθησης (AI). Αυτά περιλαμβάνουν τη φωνητική αναγνώριση και την επεξεργασία της κάμερας.

Video encoder/decoder (Κωδικοποιητής / αποκωδικοποιητής βίντεο) – Διαχειρίζεται την ενεργειακά αποδοτική μετατροπή των αρχείων και των μορφών βίντεο.

Modem – Μετατρέπει τα ασύρματα σήματα σε δεδομένα που καταλαβαίνει το τηλέφωνο. Στα εξαρτήματα αυτά περιλαμβάνονται τα 4G LTE, 5G, WiFi και Bluetooth μόντεμ.

Τέλος, όταν μιλάμε για τα SoCs αναφέρουμε συχνά αυτό που ονομάζεται διαδικασία κατασκευής. Εμφανίζεται ως ένας αριθμός σε νανόμετρα (nm). Σε γενικές γραμμές, όσο μικρότερο είναι το μέγεθος nm, τόσο μικρότερη είναι η εσωτερική καλωδίωση του SoC. Αυτό εξασφαλίζει καλύτερη ενεργειακή αποδοτικότητα και το ισχυρότερη απόδοση λόγω του μεγαλύτερου πλήθους των πυρήνων. Αν και υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι κατασκευής που μπορούν να κάνουν την άμεση σύγκριση δύσκολη. Τα 7nm είναι αυτή τη στιγμή η μικρότερη διαθέσιμη διαδικασία κατασκευής που χρησιμοποιείται από τα SoCs για smartphones.

Αντιπροσωπευτικά μοντέλα SoC

Τώρα που έχετε μια γενική ιδέα του τι είναι ένα SoC, παρουσιάζουμε και μερικά αντιπροσωπευτικά παραδείγματα. Στο χώρο των smartphone, οι Qualcomm, Samsung Semiconductor, HiSilicon της Huawei και MediaTek είναι τα τέσσερα μεγαλύτερα ονόματα της βιομηχανίας Android τηλεφώνων. Οι μεγαλύτερες πιθανότητες είναι ότι το smartphone σας φέρει chipset που έχει παραχθεί από μία από αυτές τις εταιρείες. Φυσικά δεν είναι καθόλου αμελητέα και η Apple, που παράγει τα τσιπ για τα δικά της iPhone.

Η Qualcomm είναι ο μεγαλύτερος πάροχος SoCs για smartphones, με τα τσιπς της να τροφοδοτούν τη πλειοψηφία των ναυαρχίδων, των μεσαίας κατηγορίας ή ακόμα και των χαμηλής κατηγορίας smartphones που kataskey;azontai κάθε χρόνο. Τα SoCs της Qualcomm υπάγονται στην επωνυμία Snapdragon. Τα Premium SoC της που διαθέτουν την καλύτερη τεχνολογία υπάγονται στη κατηγορία της σειράς Snapdragon 800, όπως το τελευταίο Snapdragon 865. Τα mid-range και τα ανώτερα mid-range προϊόντα είναι γνωστά με την ονομασία σειρών Snapdragon 600 και 700 αντίστοιχα. Όπως το Snapdragon 765 που φέρει δυνατότητα σύνδεσης 5G. Τα προϊόντα χαμηλού επιπέδου είναι αυτά που ανήκουν στη σειρά Snapdragon 400.

Τα Exynos της Samsung φέρουν μια παρόμοια κλίμακα premium, μέσου και χαμηλού επιπέδου. Αυτά παλαιότερα ανήκαν στις σειρές Exynos 9900, 9800 και 9600, με τα προϊόντα της σειράς Exynos 7000 να υποστηρίζουν τα χαμηλής κατηγορίας τηλέφωνα. Ωστόσο, το τελευταίο high-end τσιπ της Samsung είναι το Exynos 990, ενώ το Exynos 980 είναι ένα chipset μεσαίου επιπέδου με υποστήριξη 5G.

Τώρα, ο τρόπος ονομασίας των Exynos της Samsung μοιάζει πολύ με αυτόν της Huawei. Το Kirin 990 είναι η τελευταία ναυαρχίδα της Huawei, το οποίο έρχεται σε 4G και 5G παραλλαγές. Η σειρά Kirin 600 μοιάζει με τη σειρά Snapdragon 600, προσφέροντας προδιαγραφές μεσαίας κατηγορίας για πιο οικονομικά smartphones. Τέλος, η σειρά Helio της MediaTek καλύπτει από πιο προσιτά οικονομικά προϊόντα της σειράς P μέχρι την επικεντρωμένη στο gaming σειρά G, καθώς και το τελευταίο της flagship Dimensions 1000 με δυνατότητες 5G.

Όλα ξεκινούν από τη CPU (Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας)

Ίσως να είστε εξοικειωμένοι περισσότερο με τον όρο «επεξεργαστής» δεδομένου ότι αυτόν χρησιμοποιούμε περισσότερο, όταν θέλουμε να αναφερθούμε στη CPU. Μια CPU είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος επεξεργαστή. Είναι σχεδιασμένη να είναι ιδιαίτερα ευέλικτη και κατάλληλη για ένα ευρύ φάσμα εργασιών. Ως εκ τούτου, η CPU είναι αυτή που τρέχει τα διάφορα λειτουργικά συστήματα και τις εφαρμογές σας. Είναι επίσης εν μέρει υπεύθυνη για το συγχρονισμό δεδομένων μεταξύ των άλλων επεξεργαστών που βρίσκουμε μέσα σε ένα SoC.

Ως μια γρήγορη επισκόπηση, οι CPU λειτουργούν χρησιμοποιώντας μονάδες πρόβλεψης, καταχωρητές και μονάδες εκτέλεσης. Αυτό είναι γνωστό ως η αρχιτεκτονική μιας CPU. Οι καταχωρητές διατηρούν δυαδικά ψηφία δεδομένων ή δείκτες στη μνήμη, συχνά σε φορμάτ δεδομένων στα 64 bit. Οι μονάδες εκτέλεσης έχουν να κάνουν με ένα ή περισσότερα μητρώα, όπως η ανάγνωση και η γραφή στη μνήμη ή η εκτέλεση μαθηματικών συσχετισμών. Μια CPU μπορεί να εκτελέσει πολλαπλές λειτουργίες ταυτόχρονα, με την κάθε μία να χρησιμοποιεί ένα ή δύο κύκλους χρονισμού για να ολοκληρώσει τη διεργασία που έχει αναλάβει.

Οι επεξεργαστές είναι αρκετά ευέλικτοι ώστε να μπορούν να εκτελούν μια μεγάλη ποικιλία διεργασιών. Η απόδοση μπορεί να κλιμακωθεί προς τα πάνω και προς τα κάτω αλλάζοντας την ταχύτητα του χρονισμού (σε GHz), τον αριθμό των πυρήνων που χρησιμοποιούνται ή να μεταβάλλουν την υποκείμενη αρχιτεκτονική για να κάνει περισσότερα με κάθε κύκλο χρονισμού. Αυτό το τελευταίο σημείο είναι συχνά αυτό που αναφέρεται ως δημιουργία μιας “ευρύτερης” ή “μεγαλύτερης” ικανότητας της CPU, κάτι που εξηγεί γιατί τα τσιπ των τηλεφώνων της Apple είναι τόσο ισχυρά. Εντούτοις, υπάρχουν συμβιβασμοί στη κατανάλωση ενέργειας και στη συνολική αποτελεσματικότητα αυτών των ευρύτερων σχεδιασμών.

Οι επεξεργαστές στα SoC των smartphone έρχονται σε μια ποικιλία επιλογών, τα οποία όμως βασίζονται όλα στη λεγόμενη αρχιτεκτονική Arm. Οι τελευταίοι πυρήνες Arm αρχιτεκτονικής είναι ο μεγάλος Cortex-A77 και ο μικρότερος Cortex-A55. Οι επεξεργαστές τηλεφώνων εμφανίζονται συχνά σε διαμορφώσεις οκτώ πυρήνων, με μεγάλους ισχυρούς πυρήνες για πιο απαιτητικές εφαρμογές και μικρότερους πυρήνες εξοικονόμησης ενέργειας για να εξασφαλιστεί μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Ολοκληρωμένα γραφικά ή αλλιώς GPU

Παράλληλα με την CPU, η μονάδα επεξεργασίας γραφικών ή κάρτα γραφικών (GPU) είναι ένα άλλο κομμάτι που παραδοσιακά αναφέρεται ως μέρος ενός SoC τηλεφώνου. Οι μονάδες GPU δεν είναι γενικής χρήσης όπως οι CPU και ως εκ τούτου έχουν σχεδιαστεί πολύ διαφορετικά. Έχουν κατασκευαστεί για να επαναλαμβάνουν μαθηματικά τον κύκλο λειτουργιών τους, κάτι που τους επιτρέπει να είναι πολύ πιο γρήγορες από μια κανονική CPU. Θυμηθείτε, υπάρχουν εκατομμύρια εικονοστοιχεία (pixels) για να συμπληρωθεί η 1080p οθόνη του τηλεφώνου σας, με το κάθε ένα από αυτά να λαμβάνεται υπόψη όταν χρησιμοποιείται μια εφαρμογή ή όταν παίζετε το αγαπημένο σας παιχνίδι.

Οι περισσότερες λειτουργίες της κάρτας γραφικών επαναλαμβάνονται ξανά και ξανά για να χρησιμοποιηθούν όλα τα pixels στην οθόνη σας. Ως εκ τούτου, οι GPU σχεδιάζονται για να τρέχουν πολλά ταυτόχρονα σε μεγάλους όγκους δεδομένων.

Σε αντίθεση με τις CPU που εκτελούν μία ή δύο διεργασίες σε κάθε κύκλο, οι GPU εκτελούν δεκάδες, εκατοντάδες ή ακόμη και χιλιάδες παράλληλες διεργασίες σε κάθε κύκλο. Αυτό εξαρτάται από το μέγεθος και την απόδοση του σχεδιασμού της GPU.

Οι δύο μεγάλες μονάδες GPU στον χώρο των SoC για κινητά είναι οι Mali της Arm και οι Adreno της Qualcomm. Και οι δύο προσφέρουν μεγαλύτερες και μικρότερες εκδόσεις της τεχνολογίας GPU, με τα τσιπ των ναυαρχίδων να συσκευάζουν τις ισχυρότερες για αποτελεσματική εκτέλεση τρισδιάστατων παιχνιδιών. Η Qualcomm δεν μιλάει πολύ για την εσωτερική λειτουργία του Adreno, αλλά γνωρίζουμε τα πάντα για τις Mali.

Οι σπουδαίες κάμερες χρειάζονται καλούς επεξεργαστές (ISP, DSP)

Τα smartphones αξιολογούνται ολοένα και περισσότερο για τις δυνατότητες φωτογράφισης που διαθέτουν. Ενώ οι αισθητήρες και οι φακοί υψηλής τεχνολογίας είναι απαραίτητοι, οι ισχυρές δυνατότητες επεξεργασίας εικόνας είναι ένα εξίσου σημαντικό μέρος της διαδικασίας. Απλά δείτε τα εντυπωσιακά αποτελέσματα που προσφέρουν τα σχετικά απλά εξαρτήματα κάμερας του Google Pixel 4.

Ενώ οι επεξεργασία και οι μικροαλλαγές της εικόνας γίνονται συχνά από τη CPU και τη GPU, υπάρχει χιλιάδες επεξεργασίες που πραγματοποιούνται στα δεδομένα που δίνει ένας αισθητήρας κάμερας πριν καν αποθηκευτεί μια φωτογραφία στο τηλέφωνό σας. Ένας ISP επεξεργαστής είναι ένα εξειδικευμένος DSP επεξεργαστής που χειρίζεται κοινές εργασίες απεικόνισης, όπως οι μετασχηματισμοί Bayer, η εστίαση, το demosaicing, η οξύτητα και η μείωση θορύβου. Με άλλα λόγια, μετατρέπει τις ψηφιακές πληροφορίες από έναν αισθητήρα κάμερας σε μια ωραία εικόνα.

Αυτά τα δύο τελευταία είναι ιδιαίτερα σημαντικά στα smartphones, όπου τα φθηνότερα τηλέφωνα τείνουν να υπεροξύνουν τις φωτογραφίες και να εμφανίζουν φανερά εξωπραγματικές λεπτομέρειες. Εν τω μεταξύ, στη πλευρά των high-end συσκευών, το Kirin 990 της Huawei είναι το πρώτο SoC με τεχνολογία DSLR με προηγμένη μείωση θορύβου 3D φιλτραρίσματος (BM3D). Αυτό παράγει και τα εξαιρετικά αποτελέσματα που βλέπουμε στο Huawei Mate 30 Pro.

Το τελικό συμπέρασμα είναι ότι οι υπέροχες εικόνες απαιτούν έναν ισχυρό επεξεργαστή εικόνας.

Επεξεργασία AI (τεχνητής νοημοσύνης) επόμενης γενιάς (NPU)

Όροι όπως NPU (μονάδες νευρωνικής επεξεργασίας), επεξεργαστές AI ή πυρήνες μηχανικής εκμάθησης χρησιμοποιούνται συχνά αλλά όλοι αναφέρονται στο ίδιο πράγμα μέσα σε ένα σύγχρονο SoC. Πρόκειται για έναν επεξεργαστή που ειδικεύεται στα μαθηματικά και στους αλγορίθμους που χρησιμοποιούνται συνήθως από τα λεγόμενα νευρωνικά δίκτυα.

Ακριβώς όπως οι GPU είναι ειδικοί επεξεργαστές για τα γραφικών και οι ISP εξειδικεύονται για τις διεργασίες που έχουν να κάνουν με την εικόνα, οι NPU είναι επεξεργαστές ειδικά σχεδιασμένοι για να τρέχουν τα νευρωνικά δίκτυα και τις διεργασίες μηχανικής εκμάθησης πιο γρήγορα και αποτελεσματικά από τις CPU. Οι NPU διαθέτουν επίσης δική τους εσωτερική μνήμη, για να επιταχύνουν την εκτέλεση χωρίς να χρειάζεται να χρησιμοποιούν μια πιο αργή ενδεχομένως RAM.

Τα νευρωνικά δίκτυα απαιτούν συχνά λειτουργίες που λαμβάνουν πολλαπλά κομμάτια δεδομένων εισόδου για να παράγουν μόνο μία έξοδο. Η λειτουργία πολλαπλών συσσωρεύσεων είναι ιδιαίτερα δημοφιλής, συχνά λειτουργεί σε διάφορα μεγέθη δεδομένων από 16 bits έως 8 ή ακόμη και 4 bits δεδομένων. Αυτό είναι πολύ διαφορετικό από τους μαθηματικούς τύπους δεδομένων που χρησιμοποιούνται από τις CPU, αν και ορισμένες λειτουργίες μπορούν να επιταχυνθούν με ευέλικτες GPU.

Οι NPU είναι οι τελευταίοι εξειδικευμένοι επεξεργαστές που αποτελούν μέρος των SoCs τηλεφώνων. Παρόλο που προορίζεται κυρίως για τσιπ ναυαρχίδων, σύντομα η τεχνολογία θα ενσωματωθεί και σε πιο προσιτές συσκευές.

4G και 5G modems για ταχύτερη μετάδοση δεδομένων

Το τελευταίο κομμάτι ενός σύγχρονου smartphone SoC είναι το μόντεμ δεδομένων, το οποίο σας επιτρέπει να έχετε πρόσβαση στα δίκτυα δεδομένων από τον φορέα σας. Τα διάφορα modems καθορίζουν επίσης την ταχύτητα και την ποιότητα της σύνδεσης δεδομένων σας. Τα πιο ισχυρά μόντεμ φτάνουν σε ταχύτητες άνω του 1Gbps. Υπάρχουν επίσης modems για διακίνηση δεδομένων μέσω Wi-Fi και Bluetooth, αλλά ας εστιάσουμε στα 4G και 5G μόντεμ.

Όλα τα υπάρχοντα SoCs τηλεφώνων διαθέτουν ενσωματωμένο 4G modem. Αυτό σημαίνει ότι το 4G modem βρίσκεται μέσα στο SoC. Τα πρώτα 5G modems για smartphones είναι εξωτερικά, κάτι που σημαίνει ότι θα πρέπει να συνδεθούν με το κύριο SoC. Αυτό είναι πολύ λιγότερο ενεργειακά αποδοτικό, αλλά διευκολύνει στην εφαρμογή λειτουργιών υψηλού επιπέδου και παρέχει ευελιξία στον κατασκευαστή, καθόσον τα δίκτυα 5G αναπτύσσονται σε περισσότερους καταναλωτές.

Βέβαια, τα πρώτα SoC με ενσωματωμένο 5G modem είναι ήδη εδώ. Η Huawei έχει δημιουργήσει ήδη μια 5G έκδοση του Kirin 990 και ο Qualcomm Snapdragon 765 προσφέρεται επίσης σε ολοκληρωμένη έκδοση 5G. Ωστόσο, τα πιο ισχυρά 5G μόντεμ είναι ακόμα εξωτερικά. Το Snapdragon X55 της Qualcomm και το μόντεμ Exynos 5123 της Samsung παρέχουν μεγαλύτερες ταχύτητες από τα αντίστοιχα ενσωματωμένα, καθώς και υποστήριξη mmWave. Οι 5G ναυαρχίδες του 2020 θα παραμείνουν για λίγο καιρό ακόμη με εξωτερικά μόντεμ.

Λίγα λόγια ακόμη για τα SoC των smartphone

Στους λάτρεις των smartphone, αρέσει να συγκρίνουν τις προδιαγραφές της CPU και της GPU, αλλά αυτό καθίσταται όλο και λιγότερο σχετικό, καθώς η απόδοση ωριμάζει και απαιτούνται νέες δυνατότητες. Οι επεξεργαστική δύναμη των τηλεφώνων δεν χρησιμοποιείται για μόνο μια δυνατότητα πλέον, αλλά περισσότερο για μια ετερογενή υπολογιστική προσέγγιση και για την επίλυση προβλημάτων επεξεργασίας.

Τα σημερινά τηλέφωνα διαχειρίζονται μια πολύ μεγαλύτερη γκάμα εργασιών από ποτέ. Ως αποτέλεσμα, ο αριθμός των αποκλειστικών επεξεργαστών μέσα σε κάθε τσιπ συνεχίζει να αυξάνεται. Από τα βασικά στοιχεία CPU και GPU πριν από μερικά χρόνια, σε DSPs, προηγμένες ISPs και NPUs του σήμερα. Αυτά τα λιγότερο συζητημένα τμήματα γίνονται όλο και πιο σημαντικά με την πρόοδο της ασφάλειας, της μηχανικής εκμάθησης και του 5G. Θα πρέπει λοιπόν να αρχίσουμε να λαμβάνουμε σιγά σιγά υπόψη και αυτές τις παραμέτρους, μέσα στην αέναη (για μερικούς) αναζήτηση του καλύτερου, συνολικά, smartphone.

Πηγη