ARM Cortex-A9 - srdce mobilních zařízení

23. 3. 2011 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Jakub Pavlis

Být v pohybu a on-line je ideálem dnešní doby a nejrůznější elektronická udělátka se nám množí pod rukama a chceme od nich stále více – větší výkon, delší výdrž, menší rozměry... V současné době ovládl trh s mobilními přístroji, smartphony nebo tablety procesor ARM Cortex-A9. Pojďme se podívat, co všechno umí.

Firma ARM je z Británie je na nejlepší cestě stát se jedním za zásadních konkurentů Intelu. Firma, která provádí hlavně výzkum a své produkty nevyrábí, ale vlastně jen licencuje, se dnes stává obrovským hybatelem procesorové scény. Jak je to možné? Licencuje totiž nejzajímavější RISC procesory dneška, a že je po nich opravdu sháňka. A jak tohle začalo?

RISC procesory se vyvíjí a vyrábí celá léta, ale donedávna nebylo moc zajímavé psát o součástkách, které jste nejspíše našli v jednoúčelových obráběcích strojích a na podobných místech. Ale se vznikem jednoúčelových mobilních zařízení se snadno zjistilo, že procesory na platformě x86 jsou vlastně zbytečně sofistikované, mají docela velkou spotřebu a především jsou poměrně drahé. Pro čtečku ebooků či přehravačů MP3 bylo používání x86 procesorů jako příslovečné chození na vrabce s kanónem.

Největší zlom ovšem znamenalo uvedení Apple iPadu, který je vybaven ARM procesorem a znamenal pro Apple veliký úspěch nejen jako pro výrobce, ale hlavně jako pro vizionáře, který udává tón a ovlivňuje vlastně celý životní styl milionů uživatelů či jen fanoušků. iPad je také důkazem, že vlastně většina výkonných počítačů je skoro zbytečná a že velká část práce, kterou průměrný uživatel vyžaduje od počítače, zvládne zařízení s jednoduchým procesorem, přístupem na web, baterií a dostatečně velkou obrazovkou. A i výkon, který potřebujeme nejvíce, je utracen především za zábavu ve 3D hrách. A to výkon ARM zařízení neustále stoupá a dnes není problém zahrát si na iPhonu, který na těchto procesorech také běží, i hru jakou je třeba Rage.

A takto se dostáváme k software, které je na také pod velkým tlakem výrobců a uživatelů. S RISC procesory si bez problému poradí jak linuxové distribuce, tak Android, velkou pozornost vzbudila i zpráva, že Microsoft pro ně optimalizuje jednu z verzí nových Windows 8. A protože jde jedno s druhým, stejně jako u procesorů x86 vznikla poptávka po vícejádrových systémech. A zde nám do hry vstupuje Cortex-A9.

ARM Cortex-A9 je od začátku vyvíjen jako škálovatelný procesor, který se dá modulárně skládat podle potřebného výkonu a také ochoty jej „zaplatit“ spotřebovanou energií. V základě to může být jednojádrový procesor s maličkou cache (16 kB), ovšem není problém z něj postavit quadcore s 64kB cache (32 pro data a 32 pro instrukce) a až 8 MB cache L2. A to jsme pouze u jader, modulárně fungují i další části procesoru, můžete přidat FPU (výpočty s plovoucí desetinnou čárkou) nebo rovnou mediálním modulem optimalizovaným pro výpočet grafických dat se jménem NEON. Navíc v rámci jednoho procesoru můžete použít jádra s tím či oním modulem, čímž procesor dokonale přizpůsobíte požadavkům koncového produktu.

Jádra procesoru umí vykonávat výpočty out-of-order způsobem, což je vůbec hlavní výkonový benefit, samozřejmě i s inovovanou architekturou ARMv7. S taktem až 2 GHz jsou postavena kolem osmistupňové pipeline, která je v porovnání s procesory od Intelu o dost kratší (CORE 2 architektura má typicky 14 stupňů, Pentia 4 mívala až 31) a umožňuje dosažení efektivního výkonu i na relativně nízkých frekvencích.

Výrobce mobilních zařízení zajímají i fyzické parametry čipu, které jsou více než zajímavé. Nejjednodušší jednojádro (bez pamětí) má plochu 1,5 mm2 a z ní vyzáří výkon pouhých 0,4 W při zatížení. Tomu se nemohou rovnat ani nejšetřivější Atomy od Intelu. Samozřejmě pro praktické nasazení budou čísla větší, na výkon optimalizované dvoujádro už má plochu 6,7 mm2, ovšem i s pamětí cache a při taktu 2 GHz pořád vystačí s 1,9 W. V těchto případech lze pochopitelně celkem jednoduše procesor pasivně uchladit i při minimální cirkulaci vzduchu, což je potřeba třeba u výkonných smartphonů. Uživatel by asi bzučícímu a větrajícímu mobilu moc nevěřil, a to ani nemluvím o energetické náročnosti větráčku.

Samozřejmě že s rozvojem používání ARM procesorů došlo i k vývoji zajímavých technologií, v souvislosti s Cortexem-A9 bychom si měli představit alespoň ty nejdůležitější z nich. Je to především NEON Media Procesing Unit, což je nástavba nad klasickým FPU, která je vyčleněna pro zpracování Advenced SIMD instrukcí pro práci s multimédii. Podporuje až 32bitové instrukce a 128bitové registry pro každý cyklus.

Jazelle RCT a DBX se stará o redukci a optimalizaci zpracovávaného kódu zejména s přihlédnutím ke zpracování Java instrukcí. TrustZone Technology se zase stará o aplikace zajišťující digitální práva (např. DRM), ale také třeba elektronické platby.

Za procesor ARM Cortex-A9 mluví především obrovský nárůst výroby a použití v poslední době. Podporuje ho několik operačních systémů a zdá se, že dlouholetá vláda Intelu a Microsoftu se minimálně na poli mobilních zařízení, ale možná i netbooků či subnotebooků může v blízké budoucnosti povážlivě zatřást.Větší konkurence mezi různými výrobci procesorů i celých platforem ale udělá trhu, a tedy i nám, zákazníkům a uživatelům, jen dobře.