В 2011 году компания ARM Limited анонсировала новое семейство процессоров под названием ARMv8. А в 2013 году компания Apple выпустила первый ARMv8-процессор – однокристальную систему А7, которая применяется в iPhone 5S, iPad Air и iPad mini Retina. Архитектура ARMv8 получила 64-битный набор команд, но это далеко не единственное её преимущество над предшественницей ARMv7. Как устроены и какими бывают 64-битные процессоры ARMv8, читайте в статье.
Об истории архитектуры ARM, специфике деятельности компании ARM Limited и поколениях процессоров ARMv5, ARMv6 и ARMv7 вы можете прочитать в статье «Процессоры ARM: особенности архитектуры, отличия и перспективы». А про популярные модели ARMv7-чипов производства Qualcomm, NVIDIA, Samsung, Apple, MediaTek и др. подробно рассказано в статьях «Процессоры ARM: производители и модели» и «Процессоры ARM: обновление модельного ряда».
Содержание
Нововведения ARMv8
Обновленную архитектуру процессоров семейства ARMv8 окрестили именем AArch64. Она получила 64-битный набор инструкций и возможность работать с большим объемом оперативной памяти (4 Гбайт и больше). Само собой, предусмотрена совместимость с 32-битными приложениями (AArch32). Другими важными нововведениями ARMv8 стали:
— 31 регистр общего назначения, каждый длиной 64 бита, тогда как SP и PC не являются регистрами общего назначения. Чем выше разрядность регистров, тем больше числа можно в них хранить. А чем больше количество регистров, тем больше данних в них помещается одновременно. Как результат, за одну инструкцию можно обработать больший объем данних и весь алгоритм выполнится быстрее;
— трансляция виртуальных адресов из 48-битного формата работает с помощью механизмов LPAE, позаимствованных у ARMv7;
— новый набор инструкций с фиксированной длинной. Инструкции имеют размер 32 бита и многие совпадают с командами AArch32, хотя условных инструкций стало меньше;
— увеличено с 16 до 32 количество 128-битных регистров (совместимы с 64-битными регистрами), доступных сопроцессорам SIMD NEON и VFP, а также добавлены новые криптографические инструкции AES и SHA. Набор инструкций SIMD NEON ускоряет работу приложений, отвечающих за обработку медиаданных и сигналов. В свою очередь VFP отвечает за малоэнергозатратные вычисления над числами с плавающей запятой;
— поддержка вычислений над числами с плавающей запятой двойной точности и стандарта IEEE 754, который является общепринятым форматом представления чисел с плавающей запятой, используемый в программных реализациях арифметических действий.
Референсные ядра ARM Limited
Первыми процессорными ядрами ARMv8, разработанными непосредственно компанией ARM Limited, стали Cortex-A53 и A57. Ядро A53 является среднеуровневым решением с производительностью 2,3 DMIPS/МГц, что находится примерно по середине между нынешними Cortex-A7 (1,9 DMIPS/МГц) и A9 (2,5 DMIPS/МГц). Тогда как A57 занимает верхний сегмент, ведь его быстродействие (4,1 DMIPS/МГц) превосходит показатели обеих 32-битных флагманов: Cortex-A15 (3,5 DMIPS/МГц) и А17 (4 DMIPS/МГц).
Помимо лицензирования референсных процессорных ядер компания ARM Limited продает расширенные лицензии, позволяющие чипмейкерам по своему усмотрению модифицировать архитектуру ARM. Такие лицензии есть, к примеру, у Apple, Qualcomm и NVIDIA. Поэтому ничто не мешает производителям процессоров создавать собственные решения на базе ARMv8, существенно отличающиеся от референсных Cortex-A53 и A57.
Apple A7
Первым и пока единственным 64-битным ARM-процессором, который уже применяется в смартфонах и планшетах, является Apple A7. Построен он на фирменной архитектуре Apple Cyclone, совместимой с ARMv8. Это вторая разработанная внутри компании процессорная архитектура; первой же была Swift (чипы A6 и A6X, семейство ARMv7).
Процессорных ядер у однокристальной системы A7 только два (частота до 1,4 ГГц), но присутствует графический ускоритель PowerVR G6430 с четырьмя кластерами ядер. Быстродействие чипа A7 в процессорозависимых задачах выросло примерно в полтора раза по сравнению с А6, тогда как в различных графических тестах прирост составляет от двух до трех раз.
А вот теоретическую возможность работать с большим объемом оперативной памяти благодаря 64-битной архитектуре процессора A7 устройства под управлением iOS пока не ощущают. У iPhone 5s, iPad Air и iPad mini Retina всего лишь 1 Гбайт оперативки; и вряд ли в новом поколении мобильных устройств Apple объем ОЗУ вырастит больше чем вдвое.
Qualcomm Snapdragon 410, 610, 615, 808 и 810
Вслед за Apple свои 64-битные ARM-процессоры поспешила анонсировать компания Qualcomm, причем сразу пять моделей. Правда, пока ни одна из них в коммерческих смартфонах или планшетах не применяется. Скорее всего, расцвет эпохи 64-битных Android-устройств состоится в начале 2015 года на выставках CES и MWC.
Однокристальная система Snapdragon 410 (MSM8916) – младшая из анонсированной 64-битной линейки Qualcomm. Она включает в себя четыре ядра Cortex-A53 с частотой от 1,2 ГГц, графический ускоритель Adreno 306 и, что интереснее всего, навигационный модуль с поддержкой спутниковых сетей GPS, ГЛОНАСС и даже китайской Beidou. Применять Snapdragon 410 планируют в недорогих смартфонах на базе Android, Windows Phone и Firefox OS.
Те же четыре ядра Cortex-A53, что у 410-того, содержит чип Snapdragon 610 (MSM8936), вот только графика у него улучшенная Adreno 405. Тогда как Snapdragon 615 (MSM8939) схож с 610-тым графикой, но процессорных ядер Cortex-A53 у него вдвое больше – восемь Cortex-A53.
В отличие от 410, 610, 615 моделей, выполненных по 28-нм техпроцессу, чипы Snapdragon 808 (MSM8992) и 810 (MSM8994) будут производиться по передовым 20-нм технологическим нормам. Они оба строятся по схеме big.LITTLE: два (модель 808) или четыре (810) мощных ядра Cortex-A57 и четыре энергоэффективных Cortex-A53. Графика представлена Adreno 418 и Adreno 430 соответственно. Кроме того, старший Snapdragon 810 имеет встроенный контроллер оперативной памяти стандарта LPDDR4.
Но главный вопрос: когда именно компания Qualcomm представит собственную процессорную архитектуру на основе ARMv8, как это было со Scorpion и Krait (модифицированные ARMv7)?
MediaTek MT6732, MT6752, MT6795
Не могла долго оставаться в стороне 64-битной гонки и компания MediaTek, всего за несколько лет превратившаяся из мелкого производителя процессоров для китайских клонов iPhone в одного из крупнейших в мире чипмейкеров, пусть и безфабричного. Впрочем, Apple и Qualcomm собственных производственных линий по «штамповке» полупроводников тоже не имеют.
Однокристальные системы MediaTek MT6732 и MT6752 должны составить конкуренцию чипам Snapdragon 610 и 615. У них четыре и восемь процессорных ядер Cortex-A53 (частота 1,5 и 2 ГГц соответственно) и одинаковая графика Mali-T760 (разработка ARM Limited). Старший же чип MT6795 стал ответом Snapdragon 810: архитектура big.LITTLE, по четыре ядра Cortex-A57 и A53 с частотой 2,2 ГГц, а также графический ускоритель PowerVR G6200.
NVIDIA Tegra K1 (Project Denver)
Компания NVIDIA решила перевести на 64-битную процессорную архитектуру свой уже существующий чип Tegra K1. Графическая составляющая у него и раньше была едва ли не лучшей среди конкурентов – GK20A с 192 ядрами Kepler, производительностью 365 GFLOPS и поддержкой ПК-стандартов графики DirectX 11.2 и OpenGL 4.4 (а не их мобильных аналогов).
Вместо же четырех 32-битных ядер Cortex-A15 (плюс пятое энергоэффективное ядро) обновленная однокристальная система Tegra K1 получит два ARMv8-совместимых ядра фирменной архитектуры NVIDIA Project Denver. Тактовая частота процессора вырастет до 2,5 ГГц, увеличится и объем кеша. Интересный факт: графика Tegra K1 примерно в пятьдесят раз мощнее Tegra 2.
Выводы
За один такт процессоры архитектуры ARMv8 способны обработать значительно больше данных. Это повышает как общую производительность процессора, так и производительность на ватт. Учитывая ограничения технологических норм (максимально допустимую тактовую частоту), переход на ARMv8 – это единственный возможный способ нарастить быстродействие мобильных процессоров, не выходя за разумные рамки энергопотребления и нагрева.
Естественно, пользу от архитектуры ARMv8 получат только те приложения для iOS и Android, которые способны задействовать все ресурсы новых процессоров. Оптимизация программ под новую архитектуру может быть как ручной, так и автоматической, на уровне компилятора.
Первое же Android-устройство с 64-битным ARM-процессором и 4 Гбайт ОЗУ – фаблет Samsung Galaxy Note 4 (чип Exynos 5433: по четыре ядра Cortex-A57 и A53) – представят уже 3 сентября. А вторым, возможно, станет планшетный компьютер HTC серии Google Nexus c процессором Tegra K1 Denver.