Podrobnější pohled na procesory nasazené v iPhonu 3GS - MujMAC.cz - Apple, Mac OS X, Apple iPod

Navigace:  » Úvodní stránka  » Rubriky  » Informace  

15. června 2009, 00.00 | Nový iPhone 3GS využívá čip Samsungu, který zahrnuje procesorové jádro ARM Cortex-A8 a grafické jádro PowerVR SGX, což zajišťuje jak citelně vyšší výkon, tak zpětnou kompatibilitu.

Apple už tradičně nesděluje podrobnosti o hardwaru iPhonů a zachoval se tak i v případě v pondělí představeného iPhonu 3GS. A podle očekávání stejně začaly na veřejnost pronikat informace o tom, jaké procesory nový telefon obsahuje.

Server AppleInsider přináší přehledné shrnutí všech dosavadních zpráv, z nichž si lze udělat ucelenou představu o možnostech útrob nového iPhonu.

Zřejmě jako první přišel s podrobnější analýzou hardwaru iPhonu 3GS AnandTech, z jeho závěrů pak vycházejí skoro všichni ostatní.

Většinu funkcí iPhonu obstarává SoC (System on Chip) čip od Samsungu, na němž se nachází hlavní procesor, grafický procesor, RAM a další podpůrné obvody. (Palm Pre používá podobný SoC čip, v jeho případě ale pochází od TI).

Jak AnandTech, tak další zdroje uvádějí, že v případě iPhonu 3GS tenhle čip užívá jako hlavní procesor jádro ARM Cortex-A8 a grafické jádro tvoří PowerVR SGX od Imagination Technologies. Podívejme se tedy blíže na vlastnosti těchto základních komponent:

Procesor ARM Cortex-A8

ARM Cortex-A8 představuje již sedmou generaci procesorových jader, jež ARM nabízí v licenci mnoha různým výrobcům. A jde o procesory nesmírně rozšířené, nacházejí se totiž ve většině chytrých telefonů, kapesních herních konzol a mnoha jiných mobilních zařízeních.

Stručné ohlédnutí do historie procesorů ARM

V označení procesorů ARM ovšem panuje trochu zmatek, třeba Cortex-A8 se často označuje jako ARMv7, což však vůbec není totéž, co ARM7, to totiž byly procesory ARMv3 (třetí generace), které se nalézaly mimo jiné v PDA Apple eMate300, „pranetbooku“ vycházejícím z Newtona, ten ale, stejně jako všechny Newtony, skončil v roce 1998.

Apple se však o čipy ARM zajímal už koncem 80. let minulého století, kdy je ještě vyráběla firma Acorn Computer pro své osobní počítače. Ta tehdy uzavřela partnerství právě s Applem a s VLSI Technologies kvůli vývoji procesorů pro mobilní přístroje a výsledek téhle spolupráce byl natolik úspěšný, že vyústil ve vznik firmy Advanced RISC Machines, předchůdce dnešní firmy ARM Holdings.

Apple následně použil do prvního Newtona procesory ARM6. Prodej Newtonů sice skončil v roce 1998, ale v té době se již procesory ARM široce využívaly, mimo jiné i díky tomu, že ARM prodávala licenci na své čipy mnoha různým výrobcům (a tak to zůstalo dodnes, proto se v mobilních zařízeních můžete setkat s čipy mnoha různých firem, ovšem základní architektura pochází od ARM).

A s jejich používáním nepřestal ani Apple, v roce 2001 uvedl první iPod, v němž se nacházel procesor ARM7TDMI. Různé modifikace procesorů ARM se pak objevovaly i v dalších iPodech (viz tento přehled) a využívají se také v novějších bezdrátových základnových stanicích AirPort Extreme.

A samozřejmě byly užity v dosavadních iPhonech a iPodech touch, u nich se jedná o procesory ARM11, patřící do šesté generace ARMv6.

Podrobnější přehled jednotlivých generací procesorů ARM, a mnohé další informace o této architektuře, najdete například tady a přehledný souhrn generací těchto procesorů nabízí též tahle tabulka.

Cortex-A8 přináší novou, výkonnější vnitřní architekturu

Procesor ARM11, nasazený v iPhonu 3G, pracuje na 412 MHz (je sice schopný fungovat až na 667 MHz, ale Apple kvůli úspoře energie užívá nižší frekvenci, v iPod touch druhé generace ji zvýšil na 532 MHz), jeho řetězec zpracování instrukcí má 7 etap, přičemž v daném taktu se zpracovává pouze jedna instrukce. A používá jen primární instrukční a datové cache paměti, obě o kapacitě 16 KB.

Naproti tomu Cortex-A8 nabízí řetězec zpracování s 13 etapami, což dovoluje práci na vyšší frekvenci (v případě iPhonu 3GS zřejmě 600 MHz), navíc dokáže současně zpracovávat dvě RISC instrukce.

A výrazně se zvětšily také jeho cache paměti. Není však zcela jisté, jaký typ jádra Cortex-A8 Apple vlastně nasadil, některé vyráběné Samsungem mají primární cache paměti o kapacitě 32 KB, jiné zůstaly u 16 KB, především však přibyla sekundární cache paměť, nejspíš o velikosti 256 KB.

Procesor ARM11 obsahuje základní vektorovou jednotku výpočtů v pohyblivé čárce, avšak Cortex-A8 přidává celou pokročilou SIMD jednotku nazvanou NEON (poskytující podobné možnosti jako AltiVec v PowerPC, či SSE v x86 procesorech) a též nabízí dvojnásobek registrů dvojnásobné přesnosti pro výpočty v pohyblivé čárce.

A zlepšil se i výrobní proces, zatímco ARM11 se vyrábí 90nm procesem, Cortex-A8 již 65nm procesem.

Když se to vše sečte dohromady, jasně vidíte, že Cortex-A8 přináší zcela novou, mnohem výkonnější architekturu, proto AnandTech rozdíl mezi těmito dvěma procesory výstižně přirovnává k rozdílu mezi Intelem 80486 a Pentiem. Ovšem Cortex-A8 navíc zahrnuje jednotku NEON, takže se spíše podobá dnešnímu Atomu Intelu (ten sice poskytuje mnohem vyšší výkon, ale současně má mnohem vyšší spotřebu energie).

iPhone 3GS tak sice obsahuje procesor o taktovací frekvenci vyšší jen o 50 procent oproti iPhonu 3G, ale vzhledem k výše uvedenému se tvrzení Applu, že je nový telefon v průměru dvakrát výkonnější, jeví jako vcelku oprávněné.

U mobilního telefonu bude ovšem vedle výkonu důležitá rovněž otázka energetické náročnosti procesoru, protože ta určuje, jak dlouho přístroj vydrží pracovat na jedno nabití. AnandTech odhaduje, že když pracuje Cortex-A8 naplno, má oproti původnímu procesoru ARM11 zhruba třikrát vyšší příkon, přesto však Apple uvádí, že se výdrž nového telefonu prodloužila. To je ale skutečně možné, protože velké množství času přístroj stráví v nečinnosti, kdy díky použití novějších výrobních technologií bude spotřeba nižší.

Když se to spojí s efektivním plánováním úloh, a dalšími metodami pro snižování spotřeby (jaké byly užity už u předchozích iPhonů), opravdu lze předpokládat, že se výdrž iPhonu 3GS na baterii zlepšila. Při náročných operacích samozřejmě bude spotřebovávat více energie, avšak zase by měl být schopen tyto úlohy vyřídit rychleji, takže se prodlouží doby nečinnosti a v celkovém výsledku bude jeho spotřeba nižší.

Apple pro iPhone 3GS udává, že se doba brouzdání po webu přes WiFi připojení prodloužila ze 6 na 9 hodin (oproti iPhonu 3G), doba přehrávání videa ze 7 na 8 hodin a přehrávání zvuku z 24 na 30 hodin. (Je samozřejmě otázkou, jakou metodiku ke zjištění těchto časů Apple použil, v praxi možná budou doby výdrže kratší, ale vzhledem k tomu, že se jak pro iPhone 3G, tak 3GS užila stejná metodika, měly by zůstat zachovány vzájemné poměry výdrží.)

O to se zjevně zasloužil výše popsaný mechanismus (uvědomte si, že i při takových úlohách, jako je přehrávání videa, procesor nepracuje stále naplno, určité prodlevy mohou vzniknout třeba mezi dekódováním snímků, během nichž se dá příkon výrazně omezit). Tomu by napovídalo také to, že se nezměnila délka hovoru ve 3G sítích, protože o komunikaci s nimi se stará „baseband“ procesor nezávislý na hlavním procesoru ARM, který se zřejmě příliš nezměnil (vyjma toho, že podporuje vyšší přenosové rychlosti stahování dat). Délka hovoru ve 2G GSM sítích však vzrostla z 10 na 12 hodin.

Grafický procesor PowerVR SGX

Další důležitou součást SoC čipu iPhonu tvoří grafické jádro. Jak již bylo řečeno, dnešní mobilní přístroje používají převážně procesory ARM a ty se obvykle doplňují grafickými jádry PowerVR firmy Imagination Technology (PowerVR je její divizí, podrobný přehled všech jejích dosavadních grafických řešení se nachází zde a tato tabulka nabízí stručný seznam všech generací grafických čipů PowerVR.)

Grafické čipy PowerVR začínaly na PC

Koncem 90. let se PowerVR snažila se svými grafickými čipy v kartách Kyro a Kyro II prosadit na PC, to se ovšem nepovedlo, na tomto trhu zvítězili jiní. Ve stejné době se její grafika objevila též v herní konzole Sega Dreamcast, avšak ani ta na trhu neuspěla.

Imagination Technology se poté místo toho soustředila na trh mobilních zařízení a tam se jí naopak vedlo velice dobře, v grafice získala obdobné postavení jako ARM v případě hlavních procesorů, rovněž její řešení vynikají velice nízkou spotřebou energie. A podobně jako ARM i ona prodává licence na svá grafická řešení mnoha různým výrobcům.

Zatím se jednalo především o grafická jádra PowerVR MBX, využívající tak jako kdysi karty Kyro metodu segmentovaného vykreslování, kdy se obrazovka rozdělí na segmenty a ty se zpracovávají nezávisle na sobě. Když budou segmenty dostatečně malé, dají se zpracovat přímo na čipu, což se hodí zejména v mobilním prostředí, právě to pomáhá snížit příkon.

PowerVR SGX přináší grafickou architekturu nové generace

iPhone 3G obsahuje grafické jádro PowerVR MBX-Lite, avšak nyní začíná Imagination Technology dodávat nová grafická jádra PowerVR SGX, jež poskytují výrazné zvýšení grafického výkonu.

Grafický procesor PowerVR MBX-Lite, také vyráběný 90nm procesem, pracuje na taktovací frekvenci 60 MHz a podporuje pouze standard OpenGL ES 1.0, s pevně danými řetězci zpracování grafických instrukcí.

Naproti tomu nové grafické jádro SGX využívá plně programovatelné stínovací jednotky (shadery), které Imagination Technology nazývá USSE (Universal Scalable Shader Engine). AnandTech to přirovnává k rozdílům mezi staršími grafickými kartami podporujícími DirectX7 a novějšími kartami s podporou DirectX8/9.

Jádra PowerVR SGX se tak mnohem více podobají moderním grafickým kartám osobních počítačů. Ovšem nabízejí se v mnoha různých verzích, jejichž výkon se široce liší. Nejnižší model PowerVR SGX 520 má jenom jednu jednotku USSE, zatímco špičkový model SGX 543MP16 obsahuje 64 vylepšených jednotek USSE2 (ty zvládají v jednom taktu více operací současně).

iPhone 3GS zřejmě nasazuje právě nejnižší grafické jádro SGX 520, takže se zaměříme pouze na něj. To dokáže v jednom taktu zpracovat dvoukomponentovou vektorovou operaci nebo skalární SIMD operaci se 2, či 5, operandy.

Odhady grafického výkonu iPhonu 3GS

Ovšem i tohle nejslabší jádro SGX nabízí oproti předchozímu jádru MBX-Lite citelné zvýšení výkonu. V nejnižší konfiguraci pracuje s taktovací frekvencí 200 MHz, při níž dokáže zpracovat 7 milionů trojúhelníků za sekundu a vykreslit 250 megapixelů/s. Naproti tomu grafická jednotka iPhonu 3G zvládá jen 1 milion trojúhelníků a 100 megapixelů/s. To by tedy znamenalo sedminásobnou geometrickou propustnost a 2,5krát vyšší rychlost vyplňování. A i kdyby nové grafické jádro pracovalo jen na 100 MHz, pořád by byl geometrický výkon 3,5krát vyšší a rychlost vyplňování lepší o 25 procent (vzhledem k lepšímu výrobnímu procesu se dá předpokládat, že nová grafika bude pracovat na vyšší frekvenci, aniž by to zvýšilo příkon).

Nové grafické jádro iPhonu 3GS tak nepochybně zajistí citelně vyšší hrubý výkon, navíc jeho nová vnitřní architektura otevírá nové možnosti. Určitý problém by mohla představovat zpětná kompatibilita, ale jak víte z předchozího článku, údajně existuje softwarový ovladač, obstarávající emulaci podpory OpenGL ES 1.1 (využívané dosavadními iPhony a iPody touch) USSE jednotkou nového grafického jádra SGX.

Větší kapacita RAM

SoC čip zahrnuje také operační paměť, tedy RAM. V případě iPhonu 3G její kapacita činí 128 MB, u iPhonu 3GS podle všeho byla zdvojnásobena na 256 MB, což rovněž přispívá ke zvýšení výkonu a mělo by to dovolit provozování náročnějších aplikací.

Závěrečné shrnutí

V otázkách hardwarového vybavení nového iPhonu stále zůstává hodně nejasností, dokud se nezačne fyzicky prodávat a nebude možné ho rozebrat, lze některé parametry pouze odhadovat.

Ale i když budeme předpokládat nasazení nejslabších variant daných procesorů, z výše uvedeného jasně vyplývá, že iPhone 3GS nabízí podstatně výkonnější hardware, který však zároveň zachovává zpětnou kompatibilitu se stávajícími aplikacemi pro iPhone OS X.

Tvrzení Applu, že nový iPhone bude v průměru dvakrát výkonnější, se dá skutečně věřit, navíc můžeme předpokládat, že software, který by byl psaný přímo s ohledem na nový hardware, by mohl být ještě výkonnější (to ovšem zároveň vyvolává otázku, jak zajistit kompatibilitu se stávající, již značně rozsáhlou uživatelskou základnou).

iPhone nyní určitě bude často srovnáván s Palmem Pre. Ten oproti iPhonu 3G přináší o hodně pokročilejší hardware, ale iPhone 3GS se mu do značné míry vyrovná, Palm Pre sice nasazuje o něco výkonnější verze příslušných procesorových jader, to se však nepříznivě projevuje v jeho výdrži na baterie (napovídají prvotní testy).

Tato hardwarová platforma navíc poskytuje poměrně značný vývojový potenciál pro budoucnost, ARM již chystá vícejádrové procesory Cortex-A9 s dále vylepšenou vnitřní architekturou a grafická jádra PowerVR SGX se už teď nabízejí v podstatně výkonnějších variantách.

Až se začnou tato nová jádra vyrábět lepším procesem, měl by jejich příkon dále klesnout, což by zřejmě umožnilo jejich nasazení do budoucích iPhonů a jiných mobilních přístrojů Applu. A když k tomu ještě připočteme možnost, že Apple k budoucím SoC čipům pravděpodobně přidá vlastní doplňky navržené lidmi získanými převzetím P.A. Semi, mohli bychom se dočkat opravdu zajímavých věcí.