هفته ی پیش در رویداد TechDay شرکت ARM از آخرین هسته های پردازنده موبایل خود با نام Cortex A73 رونمایی کرد و ویژگی های آن را مورد تشریح و بررسی قرار داد. قصد داریم تا طی مقاله ای جامع تمام ویژگی های ریزمعماری Artemis و هسته A73 را به صورت کامل مورد بررسی قرار دهیم. دیگر زمان آن رسیده که بدانیم در داخل اسمارت فون های ما چه خبر است و چه اتفاقاتی منتظر آنهاست. پیشنهاد می‌کنیم حتماً این مجموعه مقالات را مطالعه و دنبال کنید.
تنها حدود یک سال از رونمایی از Cortex-A72، هسته رده بالای ARM برای سال 2015 می‌گذرد؛ هسته ای که در رویداد ARM TechDay 2015 در لندن معرفی شد. در سال گذشته شاهد این بودیم که بسیاری از شرکت ها نه تنها از این هسته در تولید پردازنده های خود استفاده کردند، بلکه بعضی تولیدکنندگان مانند HiSilicon، چیپست های رده بالای خود مانند Kirin 950/955 را با هسته های A72 به تولید انبوه رساندند و این پردازنده ها به وفور در گوشی های هوشمند تولیدی هواوی در این سال مورد استفاده قرار گرفتند. در واقع ARM با تولید A72 نشان داد که می‌تواند توان بالای پردازشی را در کنار مصرف توان بسیار پایین ترکیب کند و بسیاری از شرکت ها هم از تولید پردازنده های خود با این هسته سود ببرند؛ ترکیبی که شاید تا قبل از این تا این حد منجر به بهینگی نشده بود.
اما سال 2016 با سرعت از راه رسید و باید دوباره ARM دست به کار می‌شد تا پردازنده های جدید را با هسته های جدید نو کند. سال جدید و رویداد TechDay جدید، بهترین زمانی بود که ARM می‌توانست نشان دهد، می‌تواند همچنان سلطه ی مسلم خود بر دنیای ریزمعماری پردازنده ها را با قدرت به پیش ببرد و اینجا بود که شرکت با معرفی Artemis این ادعا را عملی کرد.
نگاهی به پیشینه ی مهم ریز معماری هسته های پردازنده ARM
اول از همه به شما دوستان بگوییم که A73 معماری هسته های رده بالای ARM است که ادامه دهنده ی راه هسته A72 است. قبل از اینکه سراغ جزئیات این هسته و پردازنده هایی که با استفاده از آن ساخته می‌شوند برویم، باید نگاهی به تاریخچه ی پردازنده های ARM در چند سال گذشته بیندازیم. تاریخچه ای که نشان می‌دهد چرا باید الان ما با A73 روبرو شویم و دلایل طراحی این هسته چه بوده است.
به عقیده ی بسیاری Cortex-A9 یکی از مهمترین ریزمعماری های هسته های پردازنده ARM بوده است. هسته ای که بسیاری از پردازنده های تولیدی مانند Apple A5، Samsung Exynos 4210/4412 و TI OMAP 4430/4460 با استفاده از آن ساخته شده اند و دستگاه هایی که از آنها قدرت می‌گرفتند توانستند عملکرد بسیار خوبی را در حوزه پردازش موبایل نشان دهند؛ به راستی وقوع این جهش بسیار مشهود بود.
بعد از عرضه موفق A9، شرکت ARM هسته Cortex-A15 را معرفی کرد که جهش اساسی دیگری در میزان کارآیی را برای هسته های سری Cortex-Ax در پردازنده های کاربردی (Application Processors) نشان می‌داد. A15 تقویت بسیار زیاد در حوزه قدرت پردازشی هسته ها را به همراه داشت ولی هنوز یک جای کار می‌لنگید و آن هم عدم ارائه توان موثر و همچنین مدیریت مناسب توان مصرفی پردازنده بود که با استفاده از این هسته در قسمت پردازنده چیپست هایی مانند Samsung Exynos 5250/5410 پروژه ی موقت ARM به شکست انجامید و هر دو شرکت سامسونگ و ARM در این مورد به توفیق چندانی نرسیدند.
اما این پایان کار برای غولی مانند ARM نبود و شرکت برای اینکه بتواند در هر دو بُعد مدیریت توان مصرفی و ارائه قدرت پردازشی بالا به سطح مناسبی برسد، تکنیک تولید دو گروه (کلاستر) از هسته ها در کنار هم با روش big.LITTLE را معرفی کرد. ساختار کلی این تکنیک به این نحو است که شما به جای هسته هایی که همواره از یک گروه انتخاب می‌شوند، دو مجموعه از هسته ها را در کنار هم در یک پکیج پردازنده قرار دهید و پردازنده ای واحد با دو نوع هسته داخلی بسازید. این مورد بسیار معمول است که یکی از کلاستر ها بخش با توان پردازشی بالا، و دیگری بخشِ با توانِ مصرفیِ پایین را تشکیل می‌دهد. این تکنیک تا قبل از اواخر سال 2014 و اوایل سال 2015 عملی نشد ولی بعد از آن با استفاده از big.LITTLE بالاخره ترکیب های مناسبی برای استفاده از A15 به دست آمدند و برای اولین بار چیپست های Samsung Exynos 5422 و HiSilicon Kirin 920 در قسمت پردازنده خود شروع به استفاده از big.LITTLE کردند.
بعد از A15 شرکت سراغ A57 رفت که می‌توانست اولین هسته ی مناسب برای استفاده در قسمت "big" تکنیک مذکور باشد. این هسته ها از مجموعه دستور العمل های ARMv8 و آن هم به صورت 64 بیتی استفاده می‌کردند و برای ساختن ترکیب کامل، شرکت، Cortex-A53 را نیز معرفی کرد که بتواند بخش LITTLE را تشکیل دهد و هسته ای باشد کم مصرف، برای مدیریت هر چه بیشتر میزان توان مصرفی پردازنده. همانطور که گفتیم این هسته ها اولین هسته های 64 بیتی موبایل بودند که بعد از سلطه ی هسته های بر مبنای معماری X86-64 روانه بازار شده بودند. همه چیز با خیالات خوش سران ARM پیش رفت تا اینکه شرکت اپل با تولید پردازنده Apple A7 با هسته های Cyclone خود توانست به راحتی با تعداد هسته های کمتر (دو هسته ای در برابر 4 و 8 هسته ای)، قدرت پردازشی هسته های A57 را به سخره گرفته و پشت سر گذارد. البته در این سال به لطف استفاده از A57 و A53 بسیاری از شرکت ها شروع به تولید پردازنده های مورد نظر خود برای استفاده در سیستم های 64 بیتی نمودند و از این به بعد بود که هسته های 64 بیتی به استانداردی در حوزه پردازنده های موبایل بدل شدند.
موج استفاده از هسته های 64 بیتی در حال یکه تازی بود و بسیاری از شرکت ها نیز سوار بر آن. به این ترتیب حجم بسیار وسیعی از دستگاه های تولیدی در سال 2015 بودند که با ترکیب نه چندان بهینه Cortex-A57/53 روانه بازار می‌شدند. در این میان دو شرکت HiSilicon و MediaTek دست به ایده ای نو زدند و به جای استفاده از A57 و A53 در ترکیب big.LITTLE تصمیم به این گرفتند که تنها از A53 استفاده کنند. این هسته به نحو بسیار مناسبی توان مصرفی را کاهش می‌داد. در این حالت یک ایده ساده برای قسمت "big" پردازنده ارائه شد و آن هم این بود که یک گروه از همین پردازنده ها ولی با فرکانس های بالاتر (برای مثال بالاتر از 2GHZ) برالی این قسمت در نظر گرفته شود.این ایده در نهایت منجر به تولید پردازنده های Kirin 930 و Helio X10 شد؛ پردازنده هایی 8 هسته ای، همگی با هسته های Cortex-A53. این کار اگرچه باعث مدیریت توان مصرفی هسته ها می‌شد ولی به واقع بخش دیگر قضیه هنوز مشکل داشت و این پردازنده ها قدرت پردازشی چندان زیادی نداشتند و باید در گروه میان رده ها بازار جای می‌گرفتند. شاید در این حوزه فقط سامسونگ توانست از نبرد بین مدیریت توان مصرفی و ارائه قدرت پردازشی سربلند بیرون آید و دو چیپست برای دو پرچمدار خود معرفی کرد، پردازنده های تولیدی شرکت در چیپست های Exynos 5433 (مورد استفاده در گلکسی نوت 4) و Exynos 7420 (مورد استفاده در خانواده گلکسی اس 6) عملکرد مناسب و قابل قبولی داشتند. عملکردی که با تجارب زیاد از به کار گیری هسته های پر مصرف Cortex-A15 در Exynos 5430 منجر به استفاده از ترکیب مدیریت شده ی Cortex-A53 در فرکانس 1.5GHz و Cortex-A57 در فرکانس 2.1GHz بدست آمد.
البته در این سال کوالکام هم حال و روز خوشی نداشت و وقتی از A53 و A57 در چیپست های Snapdragon 810 و Snapdragon 808 استفاده کرد، نتوانست به موفقیت چندانی برسد و داستان مشکلات بسیار زیاد حرارتی این چیپست ها باعث نزول بی سابقه ی میزان مشتریان و همچنین ارزش سهام شرکت شد. البته هر دو شرکت سامسونگ و کوالکام از استفاده از A53 و A57 درس های بسیاری گرفتند و ترجیح دادند در پردازنده های بعدی خود به کل قید هسته های ARM را بزنند و سامسونگ سراغ هسته های اختصاصی خود با معماری اختصاصی Mongoose رفت و چیپست Exynos 8890 را توسعه داد و کوالکام هم از هسته های اختصاصی اش با معماری Kryo در چیپست Snapdragon 820 استفاده کرد تا ARM هر چه بیشتر از پیش، بازار رده بالا ها را از دست بدهد.
ممکن است بعضی از شما دوستان به اینکه فکر کنیم که چرا ما به هسته هایی مانند A12 و A17 اشاره ای نکردیم. در واقع هدف از نگارش این مقاله طی مسیری است که می‌خواهد در نهایت به Cortex-A73 برسد و این دو هسته شاید تاثیری به مانند بقیه هسته هایی که در مورد آنها صحبت کردیم در داستان ما نداشته باشند. ولی برای خالی نبودن عریضه باید بگوییم که A12 به عنوان جانشین و ادامه دهنده ی راه Cortex A9 در ماه جولای 2013 وارد بازار شد و بعد از گذشت 6 ماه جای خود را به هسته ی جدیدتر A17 داد که در فوریه همان سال از راه رسید. این هسته با بهبود کارآیی و همچنین سازگاری برای استفاده همزمان با هسته Cortex-A7 در ساختار big.LITTLE توانست عملکرد مناسبی از خود نشان دهد. البته Cortex-A17 به صورت محدود در دنیای موبایل مورد استفاده قرار گرفت و تعداد کمی از SoC ها مانند Rockchip RK3288 و چند محصول کمتر شناخته شده مانند HiSilicon Hi3536 که پردازنده ای برای امور خاص چند رسانه ای بود از آن استفاده کردند و تنها عملکرد نسبتاً موفق آن در چیپست MediaTek MT6595 و گوشی هایی مانند Meizu MX4 بود.
چیپست MT6595 در واقع یک عضو برجسته از خانواده big.LITTLE بود که با ارائه توان موثر بسیار بالا و همچنین توان پردازشی بسیار خوب به مدد فرکانس کلاک 2.2GHz، توانست نمایش قابل قبولی از خود بر جای بگذارد. متأسفانه این بار که چیپست و پردازنده خوب عمل می‌کردند این تجربه ی کم شرکت Meizu بود که با استفاده ی نا مناسب از سخت افزار های سوال برانگیز و عدم سازگاری مناسب نرم افزار MX4 باعث نمایش بد گوشی در حوزه مدیریت مصرف باتری و کارآیی نهایی سیستم شد که موجبات بدنامی این چیپست را نیز فراهم کرد.
موردی که با بررسی MT6595 به ذهن متبادر می‌شود این است که اگر تولیدکنندگان گوشی های هوشمند و به دنباله ی آنها، تولید کنندگان پردازنده ها مجبور به حرکت به سمت پردازش 64 بیتی نمی‌رفتند، قدرت Cortex-A17 آنقدر کافی و مناسب بود که دیگر به هسته های امثال A57 نیاز پیدا نشود و تا عرضه هسته هایی مانند A72 و استفاده از لیتوگرافی های بر پایه ترانزیستورهای FinFET، بتوان از همین هسته ها در ساخت پردازنده های مورد استفاده در پرچمداران، استفاده کرد. اجباری که اشتیاق به پردازش 64 بیتی باعث تحکّم آن شد.
معرفی هسته های ARM Cortex A73
خب در مطالب بالا به صورت بسیار خلاصه نگاهی به تاریخچه ی ریز معماری های ARM داشتیم و الان زمان آن است که برویم سر اصل مطلب و در مورد ریز معماری Artemis که در ساخت هسته های Cortex A73 استفاده شده است صحبت کنیم. همانطور که می‌دانید تا اینجای کار، هسته های بسیار زیادی توسط ARM معرفی شده اند و هر کدام از آنها به وفور در ساخت پردازنده های مختلف استفاده شدند. اما وقتی نگاهی به ساختار های اصلی همه ی آنها می‌اندازیم شاید به سختی و با دیدی بسیار دقیق بتوانیم تفاوت های اساسی آنها را ببینیم. در واقع پردازنده هایی که با هسته هایی از جنس A15، A57 و A72 تا پیش از این ساخته شده بودند همگی به اتفاق از ریز معماری پردازنده های خانواده Austin استفاده می‌کردند که همانطور که از اسمش مشخص است به دلیل طراحی این ریز معماری در مرکز Austin شرکت ARM در ایالت تگزاس امریکا، این نام بر روی این ریزمعماری نهاده شده است.
هسته های A5، A7 و A53 در مرکز شرکت ARM واقع در شهر کمبریج بریتانیا طراحی شده اند و هسته های Cortex A12، A17 و هسته های جدید Cortex A73 نیز ساخته ی خانواده ی Sophia هستند که نام شهری کوچک در پارک تحقیقاتی Sophia-Antipolis است که یکی از بزرگترین واحد های تکنولوژی اروپاست و نیز همینطور مرکز طراحی پردازنده های شرکت ARM در فرانسه در آنجا قرار دارد. بر اساس محل استقرار تیم های طراحی پردازنده، اینگونه به نظر می‌رسد که هر یک از مراکز تحقیق و توسعه شرکت ARM به صورت جزیره ای اقدام به توسعه معماری های مختص خود می‌کنند و بعد از عرضه نهایی می‌توان دید که هر کدام از مراکز خانواده ریز معماری های مختص به خود را توسعه داده اند و با این اوصاف باید ریز معماری Artemis که در Cortex A73 مورد استفاده قرار گرفته را نسل بعدی ریز معماری Sophia بنامیم که تا پیش از این ریز معماری پایه هسته Cortex A9 بود. پس در آینده نزدیک هم خواهیم دید که تیم های مختلف طراحی پردازنده های ARM در مراکز مختلف این شرکت به صورت اختصاصی اقدام به توسعه ریز معماری های خود کنند و هسته های مختلف پردازنده شرکت از هر کدامیک به صورت جداگانه سردرآورد.
ساختمان اصلی مرکز ARM Sophia
البته باید اینگونه بگوییم که Cortex A73 همچنان اصالت هسته های قبلی Sophia را دارد و شاید بتواند ادامه دهنده ی 64 بیتی هسته ی تحسین برانگیز Cortex A17 باشد. این هسته به صورت بسیار موثری میراث دار چند ویژگی اصلی هسته پیشین خود است و بزرگترین سورپرایزی که در A73 نسبت به A72 می‌بینیم، بازگشت از دیکدر های دستور 3-wide به دیکدر های 2-wide است که در ادامه به صورت مفصل در مورد آن صحبت خواهیم کرد. البته باید این مورد را هم بگوییم که بر طبق انتظار، A73 میزان کارآیی بیشتر و همچنین میزان توان مصرفی کمتری نسبت به A72 خواهد داشت.
مسلماً ARM این مورد را به خوبی می‌داند که راندمان بالای توان مصرفی مسأله ی اصلی این روزهای دنیای اسمارت فون هاست و به همین خاطر در کنفرانس TechDay امسال شرکت این مورد به وفور با استفاده از دو کلمه "کارآیی تقویت شده" خود را نشان می‌داد. کارآیی ابزارهای موبایل این روزها و علی الخصوص اسمارت فون ها به صورت ویژه با مسائل گرمایی آنها در ارتباط است. محدودیت حرارتی میزان گرمایی است که بدنه ی دستگاه قادر به جذب و دفع آن است تا به نقطه ی بحرانی اش نرسیده است. این مورد به وضوح در آزمایشات ما دیده شده و حتماً خود شما هم با آن برخورد کرده اید که اگر دمای سطح یک اسمارت فون به مدت طولانی بالا باشد، میزان کارآیی سیستم کاهش پیدا می‌کند تا همواره آن محدوده عملکرد امن دستگاه حفظ شود.
تا همین چند سال پیش یک گلوگاه مهم برای پردازش محتویات سه بعدی مانند بازی ها این بود که SoC در مواجهه با این بارهای پردازشی با مشکل روبرو می‌شود و اگر مدیریت دمایی به نحو صحیحی انجام نمی‌شد، میزان گرمای تولید شده از حدود مجاز برای پردازنده هم می‌توانست تجاوز کند. با در نظر نگرفتن چند استثناء در این مورد باید بگوییم که بسیاری از پرچمداران این روزهای موبایل قادر به ارائه ی حداکثر توان پردازشی خود برای مدت بیشتر از چند دقیقه ی کوتاه نیستند و البته این مورد شاید در طول روز هم چند بار به وقوع نپیوندد. به صورت خاص باید به این مورد اشاره کنیم که در دو نسل گذشته ی پردازنده ها این مورد ممکن شده است که میزان توان ماکزیمم دستگاه ها به صورت عادی تا 5 وات باشد و حتی بعضی از پردازنده های خاص به این هم رسیده اند که بتوانند به خوبی به توان هایی تا بیشتر از 10 وات نیز برسند که البته این توان ها چندان منجر به کارآیی فوق العاده چشمگیر نشده است.
این مورد امری حتمی است که پردازنده های موبایل در حال حرکت به سمتی هستند که تولید کنندگان از آن ها می‌خواهند و آن مدیریت همزمان میزان توان مصرفی و میزان کارآیی پردازنده است. به عنوان یک نمونه ی عالی در مدیریت عالی خصوصیات گرمایی می‌توانیم به چیپست HiSilicon Kirin 950 اشاره کنیم که با ایجاد توازن مثال زدنی بین قدرت پردازشی و همچنین میزان توان مصرف شده و به طبع گرمای تولیدی آن به ترکیبی ایده آل برسد که این روزها بتواند در پرچمدارهای شرکت Huawei به صورت گسترده مورد استفاده قرار گیرد.
ARM هم این مورد را به خوبی درک می‌کند و دلیل اصلی اینکه Cortex A73 تمرکز بیشتری بر روی مدیریت میزان دمای تولید شده، میزان توان مصرفی و همچنین پیک کارآیی پردازنده دارد نیز همین است. ARM احساس می‌کند که این مهم با تغییر طراحی پایه IPC هسته ی Cortex A72 و استفاده از دیدکدر های دستورات 2-wide قابل دسترس خواهد بود.
*پایان قسمت اول*
تشریح کامل عملکرد و بررسی هسته ARM Cortex A73 (قسمت دوم)
تشریح کامل عملکرد و بررسی هسته ARM Cortex A73 (قسمت پایانی)
منابع: ARM.com، AnandTech، Pdadb.net، Register.co.uk
نظر خود را اضافه کنید.
برای ارسال نظر وارد شوید
ارسال نظر بدون عضویت در سایت