Что такое архитектура процессора, какая бывает и используется в смартфонах

С момента изобретения первых электронно-вычислительных машин в первой половине 20 века произошла только одна истинная революция. Случилось это в 50-60-х годах, когда на смену громоздким вакуумным лампам пришли полупроводниковые технологии. Тогда в качестве основного материала для их производства были выбраны кристаллы кремния. На них, с помощью различных технологий, вытравливаются миниатюрные транзисторы и связующие их цепи. С тех пор, на протяжении полувека, меняется в сторону уменьшения только размер транзисторов (техпроцесс), и увеличивается их количество на кристалле.

В условиях использования единой технологии (и отсутствия практически применимых альтернатив, так как до массового внедрения квантовых процессоров еще далеко) единственным способом приспособить вычислительные чипы под те или иные задачи — стало изобретение различных архитектур ЦП.

Что такое архитектура процессора

Архитектура процессора — это совокупность главных принципов его конструирования, общая схема расположения деталей на кремниевом кристалле и схема взаимодействия программного обеспечения с чипом. Если еще более упрощенно, то архитектура — это схема, по которой устроен процессор.

За все время было создано много различных архитектур. Самые популярные из них — CISC, MISC, VLIW и RISC. Различия между ними касаются, главным образом, системы взаимодействия процессора с обрабатываемыми данными. Сейчас активно используются конвейерные архитектуры CISC и RISC.

Как работает архитектура процессора

В конвейерной архитектуре данные обрабатываются последовательно, переходя от одного этапа  к следующему. Например, на первом этапе процессор получает инструкцию, на втором — производится чтение данных из памяти, на третьем — осуществляется вычислительная операция, а на четвертой — выдача полученного результата. Когда первый этап конвейера освобождается — он может приступить к выполнению следующей инструкции. Этот процесс можно сравнить с работой автозавода: когда работник прикручивает последнюю ступицу колеса — конвейер двигается дальше. Второй работник прикручивает колеса на ступицы, а первый — опять прикручивает ступицы на следующей машине.

Количество стадий конвейера может быть разным. Если программа получает данные исправно, в них не содержится ошибок, то такой подход повышает производительность. Чем длиннее конвейер — тем больше операций выполняется за такт (1 герц частоты процессора). В аналогии с автозаводом, количество этапов конвейера — это количество работников за лентой, по которой двигаются кузова собираемых машин. Чем больше мегагерц — тем быстрее движется лента, тем быстрее работают сборщики. Однако если первый работник что-то сделает не так — получится брак, машину придется собирать заново.

В процессоре все аналогично: если на раннем этапе конвейера происходит ошибка — конвейер нужно перезапускать. Это замедляет производительность и приводит к пустым тратам энергии. Так как для компактных и мобильных устройств энергоэффективность очень важна — специально для них была создана архитектура RISC. От CISC она отличается упрощенным набором команд, которые принимает процессор, и укороченным конвейером. Такая особенность приводит к снижению производительности на фоне CISC (а компьютерные x86-процессоры Intel и AMD построены на ней), но позволяет минимизировать пустую трату энергии.

Архитектура процессоров ARM

Всевозможные MIPS, PowerPC, SPARC и прочие архитектуры типа RISC оставим IT-специалистам. Когда дело касается смартфонов — стоит детальнее уделить внимание ARM, Это — разновидность RISC архитектуры с коротким конвейером, которая является одной из самых распространенных и удачных. Именно ARM использует большинство производителей (Qualcomm, MediaTek, Apple, Samsung, Huawei-HiSilicon и другие). Только Intel в своих SoC атом используют x86-совместимые CISC ядра.

Особенностью ARM процессоров является использование короткого конвейера. Его длина составляет 3 и более этапов, что немного на фоне десятков стадий у CISC. За счет этого сбои в работе конвейера минимально сказываются на скорости обработки программ, максимально эффективно нагружая каждый такт. Поэтому именно ARM стала самой популярной архитектурой процессоров для смартфонов и планшетов.

Архитектура и микроархитектура процессора

Довольно часто в СМИ и интернете происходит путаница между понятиями архитектуры и микроархитектуры процессора. Чтобы внести ясность, следует установить отношение между данными терминами. Так вот, архитектура — это общий принцип устройства и работы процессора, а микроархитектура — всего лишь один из вариантов ее реализации, имеющий свои особенности, но сохранающий совместимость с базовой архитектурой.

Виды микроархитектур ARM для смартфонов

Большинство чипсетов для смартфонов содержат процессоры, созданные на ARM, а именно — микроархитектурах семейства Cortex и других. Список актуальных версий и их отличия приведены ниже.

• Cortex A7. Устаревающая микроархитектура процессоров для смартфонов. Отличается низким энергопотреблением, имеет конвейер из 8-10 этапов. Не умеет работать с 64-битными инструкциями. Относится к семейству ARMv7.
  

  Cortex A7

• Cortex A53. Актуальная микроархитектура, также имеет ковейер, состоящий из 8 стадий. Поддерживает новые инструкции и 64-битность, за счет этого работает быстрее, чем A7. Относится к семейству ARMv8.
  

  Cortex A53

• Cortex A35. Модификация предыдущей микроархитектуры, отличающаяся сниженными производительностью и энергопотреблением. Принадлежит к семейству ARMv8.
  

  Cortex A35

• Cortex A72. Высокопроизводительная микроархитектура ARM, сочетающая короткий конвейер и расширенный набор инструкций, а также поддерживающая увеличенный кэш. В сравнении с A53 – обеспечивает более высокую производительность, но также расходует больше энергии. Тоже принадлежит к серии ARMv8.
  

  Cortex A72

   

• Cortex A73. Развитие предыдущей версии, сохраняет основные принципы этой архитектуры, но является более продуктивной и энергоэффективной.
  

  Cortex A73

• Apple. Apple используют в своих процессорах модификации ARMv8, но усовершенствованные. Точных спецификаций американцы не раскрывают, но известно о поддержке дополнительных инструкций и удлиненном конвейере. Актуальные микроархитектуры — Zephyr и Hurricane, используемые в чипе Apple A10 Fusion.
• Kryo. Актуальная микроархитектура, основанная на ARMv8, созданная Qualcomm. Отличается расширенным набором инструкций и удлиненным конвейером. Применяется во флагманских чипах Snapdragon, например, 821.
• Mongoose. Еще одна микроархитектура, производная от архитектуры ARMv8. Используется Samsung в топовых процессорах семейства Exynos. В сравнении с базовой Cotrex A72 имеет небольшие отличия, касающиеся энергосбережения и производительности.

Возможно вам будет интересно:

• Процессоры MediaTek: модельный ряд для смартфонов на начало 2017 года
• Процессоры Qualcomm Snapdragon: модельный ряд на начало 2017 года
• Что лучше Adreno или Mali?
• Что такое архитектура процессора, какая бывает и используется в смартфонах
• Snapdragon 625 против Helio x20: сравнение эталонных среднебюджетных чипсетов