Сравнение процессоров смартфонов
В настоящее время на рынке существует огромное количество различных моделей мобильных устройств – смартфонов и планшетов. Зачастую даже у одного производителя в одном и том же ценовом сегменте может быть представлено несколько десятков (а иногда и сотен) моделей устройств, главное отличие между которыми заключаются в одной или двух цифрах индекса модели. При этом их начинка может быть совершенно различной.
Покупатель, выбирая то или иное устройство, сталкивается с очень сложным выбором, поскольку иногда внешние отличия могут иметь совсем уж незначительный характер. Однако, для любых мобильных устройств (как планшетов, так и смартфонов), одним из самых важных параметров является их производительность, на 90% определяемая мобильным процессором (МП).
Когда мы сравниваем тот или иной смартфон с конкурентами или с тем устройством, которым пользуемся сейчас, то производительность выходит на первый план. И причина этого достаточно проста: дизайн всех устройств более-менее стандартен, а их функционал, определяемый операционной системой, у подавляющего большинства мобильных решений одинаков.
Важно! Используемое в 90% подобных устройств ПО – это операционная система Android. Она может иметь разные версии, однако, их функционал практически идентичный. Разница может заключаться лишь в некоторых «косметических» деталях.
Обычно, для сравнения быстродействия мобильных процессоров используется специальные приложения, определяющие комплексное быстродействие мобильной платформы. В качестве такого приложения часто используют программы AnTuTu или GeekBench.
Хронология мобильной многопоточности
Итак, начнем с банальной истины, что в мобильных процессорах количество ядер всегда было меньшим, чем в их настольных ровесниках. В общем-то, нередко и количество поддерживаемых потоков вычислений тоже было меньшим и при равном числе ядер. В частности, в настольном сегменте технология Hyper-Threading дебютировала еще в 2002 году, а в мобильном — лишь в середине 2003 года. И то — лишь формально, поскольку такие модели имели TDP в районе 60 Вт (против 35 Вт «обычных» Pentium 4-M), что для массовых ноутбуков (а не DTR) оказалось явным перебором. Неспроста именно в мобильном сегменте уже тогда начался отказ от NetBurst, благо весной на рынок вышли первые Pentium M на базе совершенно другой архитектуры, более похожие первое время на «старичков» семейства Р6. В общем, еще десять лет назад направления мобильных и настольных процессоров разделились. В «тяжелые» ноутбуки, впрочем, и позднее попадали «ошметки» десктопного рынка, но любви пользователей они не снискали. Причины понятны если вспомнить, что Mobile Pentium 4 with HT на базе ядра Prescott имели TDP аж 88 Вт. А вот Dothan на том же 90 нм техпроцессе позволял укладываться в 27 Вт, что было чуть больше, чем 24,5 Вт (максимум для 130 нм Banias), но намного меньше, чем у любых Pentium 4-M.
Однако слабым местом мобильных процессоров продолжала оставаться максимальная достижимая производительность. В том числе, и из-за пресловутой однопоточности, присущей Pentium M. Впрочем, рост энергопотребления и в настольном сегменте начал уже переходить границы разумного, достигнув в старших Pentium D 130 Вт. С этим можно было бы продолжать мириться, не сумей AMD на тот момент предложить рынку более экономичную двухъядерность в семействе Athlon 64 X2. А что собой представлял К8? Да, собственно, дальнейшее развитие К7, во многом перекликающегося с Р6. Так что ничего удивительного, что и в Intel сочли более правильным перестать работать над «перспективной» архитектурой NetBurst, а выводить на первый план мобильные разработки. Иногда можно вообще услышать мнение, что Intel, зайдя в тупик, срочно спохватилась и занялась созданием новых процессоров на базе Р6. Красивая история, но всего лишь смешная байка на деле — от Р6 уже в Dothan осталось процентов 20. Причем как раз эти 20% были в дальнейшем выброшены, поскольку именно они мешали дальнейшему увеличению производительности. И неизвестно еще — какой вариант дальнейшего развития был бы выбран, не будь у компании Dothan — очевидно, что ни с нуля, ни с уровня Р6 «приличный» процессор за год-два сделать было невозможно.
Возвращаясь к теме, отметим, что начатые работы по унификации десктопных и мобильных процессоров (к настоящему моменту приведшее к полному исчезновению первых ;)) сначала никак не сказались на отставании вторых в плане многопоточности. Как мы уже сказали выше, уже в 2005 появились двухъядерные настольные модели, причем экстремальные модификации последних продолжали поддерживать и Hyper-Threading, что позволяло одновременно выполнять четыре потока вычислений. А в ноутбуках весь год продолжал использоваться Pentium M — соответственно, одно однопоточное ядро. В какой-то степени положение дел изменилось лишь с начала 2006 года, когда появились первые процессоры на ядре Yonah — в том числе, и двухъядерные Core Duo. Несмотря на то, что TDP в очередной раз пришлось поднять уже до 31 Вт, эти процессоры оказались самыми энергоэффективными среди двухъядерных моделей. И, заодно, на них в Intel начали оттачивать 65 нм техпроцесс, который чуть позднее был задействован и в Pentium D, хотя решить все проблемы последних не смог. Но и заменить их на Core Duo на массовом рынке тоже не выходило. Во-первых потому, что Yonah, несмотря на существенную переработку даже сравнительно с Dothan, по —прежнему сохранили несколько узких мест, унаследованных еще со времен архитектуры Р6. Приводило это в частности к тому, что даже по однопоточной производительности они, все же, отставали от настольных моделей, а ведь и потоков вычислений вторые поддерживали больше. Во-вторых же, в отличие от тогдашних Athlon’ов и Pentium’ов (да и Sempron’ов с Celeron’ами) Core Duo и Core Solo продолжали оставаться 32-х разрядными процессорами. Для все еще господствовавшей на массовом рынке Windows XP и написанных для нее программ, это значения не имело, но вот в масштабах всего рынка такой шаг назад бы не поняли 🙂 Поэтому в Intel продолжали использование двух архитектур. Несмотря на то, что Core Duo был очень популярен в своих нишах, да и вообще сумел сделать то, что не удавалось до этого ни одному процессору Intel — «прописаться» в компьютерах Apple. Не во всех семействах, но начало было положено. А начиная со следующего поколения процессоров, Apple на компьютерном рынке окончательно превратилась в производителя «стандартных писюков», завершив тем самым 20 лет бега по параллельной дорожке.
Следующее поколение — как раз то, ради чего унификация и затевалась: принципиальных отличий между настольными Conroe и мобильными Merom не было, что позволило компании унифицировать и коммерческие названия процессоров: и там, и там продавались Core 2 Duo и Core 2 Extreme. Уже по названию видно, что количество ядер не изменилось, т.е. в результате на некоторое время настольный рынок даже сделал шаг назад. Однако как и все остальные разы паритет сохранялся недолго: второй же из настольных Core 2 Extreme QX6700, появившийся в том же 2006 году, был четырехъядерным процессором. Чуть позднее к нему же добавилось целое семейство не экстремальных Core 2 Quad, т.е. десктопы опять вырвались вперед, обогнав ноутбучные процессоры вдвое по числу потоков вычисления.
А что же последние? Техпроцесс 65 нм (который продолжал использоваться) не позволял выпускать экономичные четырехъядерные модели. Несмотря на то, что TDP мобильных экстремалов составлял 44 Вт (кстати — и для двухъядерных моделей пришлось расширить теплопакет сравнительно с Core Duo — уже до 35 Вт), «вместить» туда хоть что-то не удавалось. Удалось только в третьем квартале 2008 года — когда на рынок вышли Core 2 Extreme QX9300 и Core 2 Quad Q9100, принесшие четыре ядра и в мобильный сегмент. В результате паритет по ядрам бы установлен надолго, но опять — не по потокам вычисления. Просто потому, что в конце того же 2008 года на рынке появились и первые процессоры семейства Core, в которые вернулась поддержка Hyper-Threading, так что все настольные Core i7 выполняли на четырех ядрах восемь потоков вычисления. Но в ноутбуки они, по понятным причинам, не помещались, да и в массовые десктопы Nehalem не попадал никак, являясь по сути серверным продуктом.
Для массового же рынка компания разрабатывала ядро Lynnfield, процессоры на котором появились осенью следующего — 2009 года. На настольном рынке они выпускались под марками Core i7 и Core i5 (последние не поддерживали НТ), мобильную же платформу «перетрясли» в очередной раз. Фактически уже последний, поэтому остановимся на этом поподробнее. Во-первых, появились Core i7 Extreme, имеющие TDP 55 Вт. Конечно, этого многовато для портативных компьютеров, однако. Вспоминаем аппетиты Mobile Pentium 4 with HT — от 60 до 88 Вт. И как-то на них DTR-ноутбуки выпускали, так что экстремальные модели свое место в жизни нашли. Во-вторых, место Core 2 Quad заняли «обычные» мобильные Core i7 серии QM. Сейчас индексы немного поменялись (о чем поговорим чуть ниже), но и в первом, и во втором, и в третьем поколении Core ноутбучные четырехъядерники продолжали попадать именно в это семейство: в отличие от настольного сегмента, в ноутбуках четырехъядерных процессоров без поддержки НТ не бывает. Зато в десктопах не было и до сих пор не встречается двухъядерных Core i7 — это чисто ноутбучное изобретение, появившееся в начале 2010 года. Таким образом, выбирая ноутбук, стоит внимательно смотреть на то, какой там процессор — истинная свежесть только в пачке со стрелкой; то есть с буквой «Q» в индексе (либо «X» экстремальных моделей). Прочие Core i7 и все Core i5 и ниже — исключительно двухъядерные.
Но настольные Core i7 и мобильные Core i7 QM/XM на некоторое время стали одинаковыми — четыре ядра, восемь потоков вычисления. Правда всего на пол-года — в первом квартале 2010 года, кроме пачки разнообразных двухъядерных Core, был выпущен и Core i7-980X Extreme Edition: первый настольный шестиядерный процессор Intel. C тех пор вот уже три года топовый сегмент не меняется: максимальное число ядер — шесть плюс поддержка Hyper-Threading. В ноутбуках же последний рывок был совершен, как уже было сказано выше, в конце 2009 года: остановились они на четырех ядрах и восьми потоках.
Но нельзя сказать, что после этого не происходило ничего интересного. Во-первых, с каждым поколением росли тактовые частоты топовых моделей, постепенно приближаясь к настольному семейству. На данный момент можно даже уже говорить о паритете по производительности, что мы недавно наблюдали на примере Intel Core i7-4930MX. Правда пока речь идет о сравнении несколько разных сегментов — мобильного экстремального и настольного «обычного». Кстати, можно заметить и некоторое изменение индексов, о котором мы упоминали выше: экстремалы теперь отличают буквы не ХМ, а МХ, а семейство QM разделилось на два — MQ и HQ. Внутренних отличий между ними нет: просто MQ как правило устанавливаются в сокет, а HQ — просто распаиваются на плате (поскольку имеют BGA-исполнение). Соответственно, если вдруг кто-то боится снижения ремонтопригодности ноутбука или предполагает возможность его апгрейда, ему нет смысла ориентироваться на HQ. А остальным 100% пользователей — без разницы 🙂 Почему процессоры вообще решено развести по разным линейкам сейчас, если BGA-модели топового сегмента появились еще в прошлом поколении и имели те же названия, что и «обычные» версии? Как нам кажется, это всего лишь подготовка к следующему году — судя по всему прогнозы о том, что процессоры семейства Broadwell будут иметь только BGA-исполнение подтверждаются. Соответственно, на рынке они будут не заменять Haswell, а «жить» вместе с ним. При таком раскладе они наверняка останутся членами семейства «4000», но дополнительные признаки, способные отличить эти два семейства не повредят. Вот и разделили индексы на сокетный и несокетный.
Но изменение буковок — к счастью, не единственное, что произошло на рынке за последние годы. Как мы писали выше, изначально Core i7-QM унаследовали TDP от Core 2 Quad: те же 45 Вт. Во втором поколении Core положение дел не изменилось: 45 Вт QM и 35 Вт двухъядерных М. А вот в третьем освоение нового техпроцесса позволило выпустить и четырехъядерники с TDP 35 Вт — сначала один, потом и второй. Пусть частоты у них были ниже регулярных моделей, зато это дало дорогу четырем ядрам и в сегмент компактных ноутбуков. Не самых компактных, конечно, но более компактных, чем ранее. Чем, впрочем, производители портативных компьютеров как-то не спешили воспользоваться.
Как отличить эти модели от прочих? Специальных букв не придумано, но можно обратить внимание на собственно числовой индекс: обе экономичных модели третьего поколения имеют номера, заканчивающиеся на «2»: 3612 и 3632. Сложно сказать, сохранится ли такой подход навсегда, но в четвертом поколении пока он действует: 4702 имеют (две модели, поскольку HQ и MQ) TDP 37 Вт, а все остальные — 47 Вт. За исключением тех, конечно, которые остаются двухъядерными.
Итак, подведем итоги затянувшегося вступления. Во-первых, что стоит помнить, мобильные процессоры по числу ядер отстают от топовых настольных, но держатся на уровне старших массовых моделей. Во-вторых, искать таковые есть смысл только в семействе Core i7, и только в части линеек — всевозможные М, U, Y это такие же двухъядерники, как Core i5 и даже i3, в глобальном смысле отличающиеся от них лишь дополнительным мегабайтом кэш-памяти. В-третьих, смысл поискать таки есть, если нужна высокая производительность, благо энергопотребление давно уже отличается не слишком сильно, а требования к системе охлаждения у некоторых моделей вообще уже вполне «двухъядерные». Что же касается самой по себе производительности, то именно выяснением ее уровня мы сейчас и займемся.
Самый лучший процессор для смартфона
Android или iPhone? Оба типа устройств имеют хорошие компоненты, хотя между ними можно увидеть и отличия.
Apple разрабатывает собственные процессоры, которые в сочетании с закрытой системой обеспечивают лучшую оптимизацию работы. Это приводит к снижению энергопотребления при сохранении очень высокой эффективности.
Нельзя отрицать, что по соотношению вычислительной мощности к энергопотреблению процессоры Apple A Bionic являются одними из лучших. Ещё более интересные в плане производительности Apple M1, но они используются в планшетах и ноутбуках, а не смартфонах.
Вероятно, в будущем это не изменится, потому что у Apple больше смысла развивать и стандартизировать существующие чипы, чем создавать отдельные.
К счастью, энтузиасты Android-смартфонов также могут рассчитывать на отличную производительность. Прекрасным примером являются Qualcomm Snapdragon 8 Gen 1 и Snapdragon 888.
Кто есть кто на диаграмме
Теперь давайте глянем на нутрянку подопытных. Для удобства я собрал все в одну табличку.
Если совместить эти данные с диаграммой производительности, видно, что ограниченный тепловой пакет не дает молотить всем ядрам мобильных чипов на полную катушку. Дополнительные ограничения вводит архитектура big.LITTLE, в рамках которой не всегда возможна одновременная работа высокопроизводительного кластера в чипе и энергоэффективного.
В чем разница между мобильными и десктопными процессорами?
Если не вдаваться в многочисленные технические особенности, то главным отличием можно назвать архитектуру.
Архитектура — это совокупность принципов построения, общая схема расположения элементов на кристалле и схема взаимодействия ПО с чипом.
В десктопных моделях используется архитектура x86/x64, однако инженерам так и не удалось добиться требуемой энергоэффективности, несмотря на все попытки. Процессоры потребляли слишком много энергии из-за необходимости дополнительных преобразований, поэтому не подходили для мобильной техники. В итоге разработчики предложили использовать новую архитектуру RISC (reduced instruction set computer) вместо существующей CISC (complex instruction set computing).
В CISC-архитектуре каждая команда имеет свой формат и длину, из-за чего процессору требуется больше времени и ресурсов на обработку. В RISC-архитектуре команды имеют не только общую длину, но и формат. Благодаря этому процессоры на RISC более энергоэффективны, быстрее обрабатывают команды и требуют меньшего объема ОЗУ, что делает их практически идеальным кандидатом для мобильной электроники.
Развитием RISC занялась компания ARM Limited, которая представила усовершенствованную архитектуру под названием ARM. Стоит отметить, что эта компания не только создает собственные вариации процессоров, но и предоставляет лицензии на свои разработки. В итоге на базе предоставленных ARM ядер крупные бренды создают авторские топологии и фирменные процессоры, о которых мы и поговорим далее.
Смещение приоритетов
Зависимость любителей поиграть на смартфоне, монетизированная с помощью мобильных платформ, привела к обратному от стимулирования роста производительности электроники эффекту! Если раньше большинство игр создавалось на ПК и для ПК, а только потом путем упрощения и отрезания всего чего можно попадала на консоли (кроме эксклюзивов), то теперь основной целевой платформой разработки является смартфон. На обратном ходу может выйти версия для ПК или консоли со всеми вытекающими последствиями. Последствиями я называю примитивную мультяшную графику и простой игровой процесс, не заставляющий задумываться.
Один из лидеров современного игропрома, игра The Survivalists
Достаточно зайти в любой электронный магазин игр, чтобы увидеть существующее положение дел – в верхних строчках рейтинга пока еще держатся добротные ААА-проекты, но уже совсем близко к ним подобрались «казуалки», которые в зависимости от обложки могут называть себя стратегиями или гонками, РПГ или логическими, и нет им числа. Законы так называемого свободного рынка гласят, что спрос рождает предложение, и в современной реальности можно наблюдать, как спрос на бесплатные или очень дешевые игры и платформы для них уничтожает сам смысл наращивания производительности потребительских устройств старого толка, таких как консоли и ПК, для запуска новых игр невиданной красоты и глубины.
Флагманские однокристальные системы
Безусловными лидерами среди однокристальных систем для Android-смартфонов считаются Snapdragon 888 и ее слегка улучшенная версия Snapdragon 888+. Последняя отличается от оригинального чипсета лишь увеличенной с 2,84 ГГц до 2,995 ГГц частотой самого быстрого ядра Cortex-X1 и немного подросшей производительностью Qualcomm AI Engine, отвечающего за работу алгоритмов искусственного интеллекта.
Именно Snapdragon 888 и Snapdragon 888+ предлагают максимальную на сегодня производительность среди чипсетов для Android-смартфонов и имеют самый впечатляющий набор функций, включая и новомодную поддержку 5G. И именно эти SoC лежат в основе большинства наиболее интересных флагманских смартфонов. Среди них, например, Xiaomi Mi 11 и игровой смартфон ASUS ROG Phone 5.
Единственная проблема чипсетов в их «горячем нраве». Первые смартфоны на базе Snapdragon 888 не могли реализовать весь потенциал платформы из-за банального троттлинга: пропуска тактов процессора из-за перегрева. Чуть позже эту проблему частично решили с помощью программной оптимизации с искусственным занижением производительности или использования надежной системы охлаждения. И, хотя полностью избавиться от нее не удалось, Snapdragon 888/888+ были и остаются самыми быстрыми чипсетами для Android-смартфонов.
Немного особняком стоит платформа Samsung Exynos 2100. Она лишь немногим уступает Snapdragon 888/888+ в плане производительности, но проблема с перегревом оказалась здесь еще более выраженной. Ну а сама SoC, преимущественно, используется в смартфонах линейки Samsung Galaxy S21 для российского и некоторых других рынков.
Еще одним достойным представителем флагманских однокристальных платформ можно назвать HiSilicon Kirin 9000. Нам действительно понравился этот чипсет, его высокая производительность и отличная энергоэффективность. Но найти его совсем непросто. И дело здесь не в ограниченных производственных мощностях, а в большой политике. Введенные правительством США рестриктивные меры больно ударили по Huawei, фактически лишившейся ключевых партнеров и возможности производить собственные SoC с 5G.
