Процессоры ARM для носимой электроники

Рынок носимой электроники обязан своим быстрым ростом, в первую очередь, процессорам на архитектуре ARM. Простые устройства, например, фитнес-браслеты и смарт-часы Pebble используют процессор ARM Cortex-M3 (здесь и далее под словами “процессор ARM Cortex-...” мы будем иметь ввиду чипсеты с использованием указанных ядер - прим. перевод.) для обработки информации с датчиков, а также вспомогательный Cortex-M0, который выступает в роли Bluetooth-контроллера и потребляет минимум энергии.

В премиум-сегменте носимой электроники чипсеты линейки ARM Cortex представлены более широко, в том числе моделями Cortex-A5 и Cortex-A7, занимающимися сложными вычислениями, графическими ускорителями ARM Mali, а также процессорами, занимающимися обработкой видеопотока и вывода его на дисплей — они важны для устройств с большими экранами. При этом энергоэффективный процессор Cortex-M0 часто используется как хаб обработки информации с датчиков.

Важно отметить, что ARM, как никакая другая компания, чувствует рост рынка носимой электроники, потому что это предоставляет ей и партнёрам, в числе которых ST Microelectronics, Nordic Semiconductor, TI, Freescale, Qualcomm и другие, новые возможности для развития. Купили или собираетесь купить носимый гаджет? Скорее всего, в нём используется процессор ARM линеек Cortex-A или Cortex-M. Эти чипсеты используют операционные системы реального времени (RTOS) в случае маломощных процессоров и более продвинутые ОС в процессорах среднего и топового сегментов.

Зная о процессорах Cortex-A и Cortex M, играющих важную роль не только в носимой электронике, но и смартфонах начального уровня, можно лучше понять цели их применения в различных устройствах: чипсеты Cortex-A7, которыми оснащаются как носимые гаджеты, так и смартфоны, зачастую являются совершенно разными электронными схемами. Тем не менее, начать мы хотим со скромного Cortex-M.

ARM Cortex-M

Встроенные процессоры линейки Cortex-M — самые энергоэффективные и применяются практически везде, чаще всего в микроконтроллерах общего назначения, сенсорах и контроллерах USB и Ethernet. Перечисленные можно найти в сетевой и офисной технике, сигнализациях, дисплеях, источниках питания, жёстких дисках и медицинских устройствах. И это лишь малая часть оборудования, которое используют процессоры ARM Cortex-M, объём производства которых исчисляется миллиардами штук в год.

Несмотря на то, что в линейке Cortex-M представлено всего четыре чипсета, они обладают широкими возможностями по индивидуальной конфигурации, которая основывается на частоте процессора и сценариях его использования — ARM заявляет о более, чем 3 000 доступных конфигурациях, которые предлагают её партнёры.

Второй слева на изображении выше процессор, Cortex-M0+, является наиболее энергосберегающим среди чипсетов ARM. Основанный на архитектуре ARMv6-M, Cortex-M0+ использует двухступенчатую упорядоченную систему электропитания, а также выгодно отличается от Cortex-M0 наличием восьмиячеечного блока защиты памяти (он также есть в Cortex-M3 и Cortex-M4) и однотактной шины ввода-ввода, помогающей ещё больше снизить энергопотребление. К тому же, чипсет имеет крошечные размеры, и это с учётом наличия у него 12 000 логических вентилей.

Cortex-M0, тем временем, использует немного более сложную трёхступенчатую систему электропитания, что увеличивает вычислительные возможности чипсета, но, в то же время, повышает энергопотребление. Более простая конструкция делает Cortex-M0 самым доступным чипсетом в семействе ARM Cortex, который может использоваться для общих вычислений и контроля ввода-вывода. Также существует не показанный на схеме Cortex-M1, но он был разработан специально для FPGA (ПЛИС) чипов.

Чипсеты Cortex-M3 и Cortex-M4 больше, имеют более мощные центральные (CPU) и сигнальные (DSP) процессоры, эффективно справляются с вычислениями чисел с плавающей запятой. Оба чипа основаны на архитектуре ARM v7-M и могут работать на тактовой частоте до 200 МГц — всё зависит от того, насколько быстрыми их захочет сделать производитель.

Всё-таки, насколько эти чипсеты маленькие и энергоэффективные? ARM редко раскрывает карты, касающиеся производительности этой линейки, прежде всего потому, что производители чипсетов могут гибко конфигурировать используемые ядра. Несмотря на это, составить примерное впечатление о семействе ARM Cortex-M можно по таблице выше.

Выполненный по 40-нанометровому техпроцессу Cortex-M0 потребляет 4 мкВт на каждый мегагерц, а при переходе к Cortex-M0+ это значение уменьшается до 3 мкВт. Откровенно говоря, это очень мало: достаточно вспомнить, что микроватт - это миллионная доля ватта. Таком образом, при работе на частоте 100 МГц (что уже немало) Cortex-M0+ потребляет одну десятитысячную ватта, при площади процессорного ядра в 0.009 мм². Наименьшая площадь самого чипсета доступна у Freescale Kinetis KL03 и составляет 1,6 х 2 миллиметра при частоте 46 МГц - при таких размерах чип может поместиться в углублении шара для гольфа.

Оптимизация ARM Cortex-A для носимой электроники

Выше уже было сказано, что процессоры Cortex-A для смартфонов и для носимой электроники — совершенно разные вещи. ARM предоставляет своим партнёрам инструкции по использованию различных IP (регистров процессора) для каждого конкретного устройства, и это не просто изменение тактовой частоты или понижение вольтажа, как можно было подумать. В конце-концов, для носимых устройств автономная работа является намного более важным показателем, нежели производительность, поэтому приходится использовать и другие технологии.

Показанные на изображении сверху комбинации ядер Cortex и графических ускорителей Mali используются в трёх типах устройств: смартфонах среднего сегмента, бюджетных смартфонах и умных часах. Ключевой момент, который необходимо отметить: процессоры на Cortex-A7 могут использоваться во всех трёх типах гаджетов, что достигается снижением их энергопотребления различными способами. Но как именно это делается?

Модульная структура чипсетов на ядрах серии Cortex-A позволяет производителям проектировать их с учётом высоких возможностей кастомизации, особенно в том, что касается энергопотребления. Если упростить, то, к примеру, процессорный кэш выгоден для производительности, но отрицательно влияет на энергопотребление. Большинство чипсетов для смартфонов, использующих ядра Cortex-A7, имеют 32 кБ кэша L1 (первого уровня). Уменьшив его объём до 16 кБ можно не только снизить требуемую чипом энергию, но и сделать его размеры компактнее. При этом такие действия не очень сильно влияют на производительность, особенно для носимых устройств.

В то время как уменьшение L1 кэша способно понизить энергопотребление чипсета, это увеличивает нагрузку на L2 кэш (второго уровня). Тем не менее, продолжает работать с партнёрами для уменьшения размеров именно L1 кэша, потому что производительность носимых устройств практически не падает даже при использовании минимального кэша второго уровня. Поэтому, при разработке чипсетов для мобильных устройств, стоит делать ставку на уменьшении кэшей для достижения низкого энергопотребления.

Что ещё могут сделать партнёры ARM? Например, они могут отказаться от использования опционального инструмента NEON SIMD, чтобы ещё сильнее уменьшить общий размер чипа. Несмотря на это, такое решение будет скорее фальшивой экономией, потому что оно хоть и позволяет сократить площадь чипсета, но отрицательно влияет на его производительность из-за тесной интеграции этого инструмента с ядрами.

Помимо этого, партнёры могут сознательно выбрать оптимизированный, энергоэффективный технологический процесс производства. Последствия этого достаточно глубоки: так как урезается частотный потенциал процессора, не получится разгонять ядра до нескольких сотен мегагерц и сохранять супернизкие утечки энергии (так называют энергию, потраченную впустую во время простоя процессора), которые можно снизить до 95%.

Как уже стало ясно, при создании носимых устройств необходимо учитывать кэш, архитектуру и технологический процесс. В итоге удаётся достичь высокой эффективности и небольших размеров чипа, что было бы невозможно простым изменением рабочей частоты и напряжения на процессоре.

Модульная технология ARM позволяет её партнёрам создавать процессоры, которые подходят для решения определённых задач, поэтому, чипсет на Cortex-A7 в смартфоне может отличаться от аналогичного чипсета в носимом устройстве. Более того, не существует универсальных решений. Инновационные компании, проводящие исследования, могут создавать фундаментально лучшие продукты, по сравнению с готовыми «коробочными» решениями.

В скором времени мы увидим, что архитектура, стоящая за носимыми устройствами, развивается вместе с ними. Увы, не существует волшебной технологии, способной увеличить время автономной работы умных часов до нескольких недель или месяцев, но тщательная работа над чипсетами и новыми технологиями позволит производителям наделять свои устройства возможностью работать между зарядками всё дольше, при этом сохранив их высокую производительность.

---

Назад