Процессор, он же чипсет, он же чип, он же платформа, он же система на кристалле или на что обратить внимание при выборе
Более 24 тыс. различных устройств, более тысячи различных производителей – огромная фрагментация — и это только на Android… Как в таком море вариантов выбрать то, что нужно именно вам?
На картинке выше – один прямоугольник соответствует одной модели смартфона, чем больше площадь, тем больше количество на сетях мобильных операторов в мире. Источник картинки: здесь.
Выбор смартфона стал затруднителен как никогда. Лет десять назад дизайн смартфонов имел куда большее значение, каждый новый девайс был уникален внешне – погуглите, посмотрите, например, как выглядели «мультимедийные компьютеры» Nokia N-series! (Например). Это были реальные произведения инженерного искусства. И в первую очередь, дизайн помогал определиться с выбором. Сейчас — другое дело: все смартфоны сенсорные, почти без кнопок, без движущихся частей, прямоугольные, с ходу не просто отличить.
Поражает воображение инженера сейчас другое. Небольшой параллелепипед в руке стал очевидно самым плотно укомплектованным собранием патентов. Еще в 2012 году «в области технологий изготовления смартфонов разным фирмам по всему миру принадлежит около 250 000 патентов. Трудно сказать, сколько из них может иметь отношение к одному отдельно взятому мобильному устройству, однако, в среднем, современный коммуникатор таит в себе около 110 000 патентов».
Очевидно, что используемых патентов будет становиться только больше. Области используемых патентов постоянно расширяются: это, в первую очередь, беспроводные технологии и компьютерные науки. Большая их часть – это алгоритмы, реализованные в чипсете. Современный чипсет смартфона – главный компонент, определяющий возможности устройства, его отличительные характеристики, те самые фишки, интересные дельты.
Процессор, мобильный процессор, система на кристалле (SoC), чип, чипсет, СБИС, платформа – это близкие термины, которые широко используются, не будем сейчас углубляться в отличия: кому что больше нравится, кто как привык говорить — пусть так и будет.
Главное, что хотелось бы автору подчеркнуть в этой статье, это то что, используемый чипсет – крайне важный фактор, на который имеет смысл обращать внимание при выборе вашего нового смартфона. Упоминаемые выше сотни тысяч патентов в первую очередь реализованы в нем.
Самые современные чипы – это, действительно, инженерное чудо. Задумайтесь: миллиард транзисторов в кремниевом квадратике размером, например, 14*14мм! Автор в своем детстве занимался в радиокружке и тогда примерно такого же размера был один транзистор – выглядел как маленькая пуговица с тремя ножками — такая вот миниатюризация за 30 лет. Сейчас при производстве флагманских чипсетов уже используется технология 10 нм, а это значит, что один транзистор тоньше человеческого волоса в 2500 раз.
Вычислительная система современного чипсета является гетерогенной, т.е. распределенной, неоднородной, разные типы задач распределены между несколькими специализированными процессорными подсистемами (CPU, GPU, ISP, DSP, DPU, VPU, NPU), модемом сотовой связи и интегрированной в чипсет памятью.
Каждая из составляющих чипсета заслуживает отдельного разговора. Например, от того, какой модем стоит в чипсете вашего смартфона, зависит по каким стандартам сотовой связи он может работать, какой функционал поддерживает. В качестве примера предлагаю посмотреть здесь. В этой статье чуть подробнее поговорим только о CPU, точнее только о часто обсуждаемой теме ядер, а затем перейдем собственно к рекомендациям по выбору чипсета.
Несколько слов о количестве ядер. Часто приходится слышать в салоне сотовой связи, что чем больше, тем лучше. Это конечно не так. Вот лишь несколько соображений:
— Для начала, говоря про ядра, мы должны понимать, что речь идет об одной из частей системы на кристалле – а именно, о центральном процессоре (CPU). CPU занимается общим управлением чипсета и приложениями от 3-х сторон.
— Закон Амдала никто не отменял. «Закон Амдала» (англ. Amdahl’s law, иногда также Закон Амдаля-Уэра) — иллюстрирует ограничение роста производительности вычислительной системы с увеличением количества вычислителей. Джин Амдал сформулировал закон в 1967 году, обнаружив простое по существу, но непреодолимое по содержанию ограничение на рост производительности при распараллеливании вычислений: «В случае, когда задача разделяется на несколько частей, суммарное время её выполнения на параллельной системе не может быть меньше времени выполнения самого длинного фрагмента».
— Пока в программах для смартфонов мало параллелизма. Главная специфика работы смартфона — это работа в режиме прерываний. В спящем режиме задействованы ядра с минимальным энергопотреблением.
— Больше ядер – больше энергопотребление, а это один из самых критичных параметров для смартфона.
— До недавнего времени во всех iPhone-ах было всего 2 ядра CPU, в iPad-е – 3 ядра CPU. Этого числа ядер было вполне достаточно и для премиального сегмента. Что уж говорить о среднем или бюджетном вариантах.
— Еще одна мысль – те вендоры, которые делают больше ядер, не имеют возможности разместить что-то другое т.к. физический размер чипсета имеет ограничения.
— Самые крутые на сегодня флагманские процессоры для смартфонов – октакоры, т.е. восьмиядерные CPU, — пока больше не нужно.
— В общем, просто гонка за большим числом ядер в смартфонах бессмысленна (разве что для целей маркетинга, но это уже другая история). Важен баланс, важно, как специализированные задачи распределены между подсистемами. Рано или поздно ядерное безумие уляжется.
— Другая тема – это тактовая частота центрального процессора. Сейчас максимальная частота флагманов достигает 2.45 ГГц и нужна для непродолжительных высоких нагрузок (например, при обработке 4К30 видео, при передаче данных по сети LTE со скоростями до 1 Гбит/с) или для задач бенчмаркинга (требует отдельной статьи, поэтому опустим «для ясности»).
Итак, на какие чипы стоит обратить внимание? Ниже представлена сводная таблица. Процессоры компании Qualcomm есть во всех ценовых сегментах. Это однозначный лидер. Модемные чипы компании (т.е. без AP — процессора приложений) также используются и в iPhone-ах. По остальным производителям картина не однозначна, что-то удается лучше, над чем-то еще предстоит поработать.
| Компании / сегменты SoC | Бренд | Премиальный | Высокий | Средний | Низкий | Модем |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ориентировочная цена смартфона | 30К+ руб | 20-30К руб | 10-20К руб | 3-10К руб | ||
| Qualcomm | Snapdragon | + | + | + | + | + |
| Intel | Atom | +\- | ||||
| Samsung | Exynos | + | + | + | ||
| HiSilicon | Balong | +\- | + | |||
| Mediatek | Helio | +\- | + | + | ||
| Spreadtrum | + |
Где узнать какой чипсет лег в основу гаджета, который вам понравился внешне, подходит по цене, а бренд симпатичен? На сайтах операторов сотовой связи (точно у МегаФон и МТС) тип процессора есть в качестве одного из фильтров. Еще бы, операторы понимают, что качество модема смартфона существенно влияет на пользовательский опыт абонента (обрывы, работа на границе соты, разборчивость речи, скорость мобильного интернета и т.д.) и даже на их капитальные затраты. Как правило, тип процессора, можно найти в списке технических характеристик смартфона на сайте производителя, на агрегаторе типа Яндекс.маркет, но для истинных любителей мобильных технологий можно снова рекомендовать gsmarena.com. И последнее, каждый год выходит новое поколение чипсетов, поэтому помимо производителя процессора, его уровня, обращайте внимание и на год/месяц начала производства и чипсета и смартфона. Чем новее, тем лучше, это же самая инновационная индустрия!
За что отвечают процессоры в смартфонах и как в них разобраться
Процессор — один из самых важных элементов в смартфоне. Но их так много, что запутаться может даже тот, кто интересуется техникой. Рассказываем, чем разные чипы отличаются друг от друга и как быстро разобраться, чего ждать от конкретной модели.
Что такое процессор
Процессором называют чип, который управляет всеми операциями в устройстве. При этом в зависимости от вида техники эти чипы могут отличаться по конструкции и функциям. Так, процессор в смартфоне — это не совсем то же самое, что процессор в компьютере. Если в компьютере этот элемент отвечает только за операции и иногда за отображение графики, то в смартфоне это целая платформа, которая включает, кроме процессорных ядер, видеочип, модем и модуль по обработке изображений. Поэтому, хоть мобильные чипы и продолжают по аналогии с ПК и ноутбуками часто называть процессорами, более правильным обозначением будет «однокристальная система», от английского System-on-a-Chip (SoC).
Основные характеристики процессоров
- супервысокопроизводительные (актуальные — Cortex-X1 и X2);
- высокопроизводительные (Cortex-A7x и Cortex-A7xx);
- энергоэффективные (Cortex-A5x и Cortex-A5xx).
Первые и вторые рассчитаны на работу с высокими частотами и максимальным быстродействием. «Экономичные» отстают по производительности от первых двух, но потребляют меньше энергии и медленнее разряжают аккумулятор.
Распределение ядер в смартфоне может быть разным. Часто встречается такая модель: одно супервысокопроизводительное ядро, три высокопроизводительных и четыре энергоэффективных, как, например, в флагманских чипах Qualcomm Snapdragon 8 Gen 1 и Mediatek Dimensity 9000. Или два высокопроизводительных и шесть энергоэффективных, как в модели среднего уровня Helio G99.
Когда вы играете в игры или монтируете видео, система требует много мощности — работают производительные ядра. А если вы просто переписываетесь в мессенджере или читаете новости, система задействует энергоэффективные ядра, которые экономят заряд батареи смартфона.
Ядра средней и маленькой мощности трудятся почти всегда, а производительное подключается, когда нужны ресурсы
Частота производительных ядер в флагманских процессорах обычно доходит до 3 ГГц, энергоэффективных — до 2 ГГц. В бюджетном сегменте частота самых производительных ядер может колебаться в районе 2 ГГц, а энергоэффективных — около 1,5 ГГц, также там обычно используются не самые производительные видеочипы, как, например, в смартфоне realme C30 с чипом Unisoc Tiger T612. Поэтому смартфоны до 15 тысяч рублей часто не тянут Fortnite, Genshin Impact и другие игры на высоких настройках графики и могут тормозить, если открыть сразу много приложений.
Техпроцесс. Процессор состоит из миллиардов крошечных элементов — транзисторов. Их величину измеряют в нанометрах, в характеристиках ее обычно называют техпроцессом. Техпроцесс не влияет на производительность напрямую, но чем компактнее транзисторы, тем больше вычислительных блоков можно разместить на чипе. Процессор, изготовленный по более совершенному техпроцессу, при прочих равных будет потреблять меньше энергии и меньше нагреваться.
Актуальные на начало 2023 года чипы iPhone и флагманов на Android выполнены по 4-нанометровому техпроцессу. В смартфонах среднего сегмента встречаются чипы с 6-нанометровыми транзисторами, а в бюджетных моделях — с 12-нанометровыми.
Графический ускоритель. Видеокарты в смартфоне — это часть процессора. Их еще называют графическими ускорителями. Они отвечают за вывод всего, что мы видим на экране, — за анимацию интерфейса, воспроизведение видео и графики в играх.
В современных Android-смартфонах устанавливают один из трехтипов графических ускорителей — Adreno от Qualcomm, Mali от Arm, или PowerVR от Imagination Technologies. С недавних пор добавился еще один вариант — видеочипы Xclipse, разработанные совместно Samsung и AMD. Но они пока что используются эксклюзивно в чипе Exynos 2200, который стоит в смартфонах линейки Galaxy S22. Пока непонятно, будут ли компании продолжать разработку новых моделей видеоускорителей Xclipse.
Нельзя сказать, что одни ускорители лучше других, но считается, что Adreno обходит Mali того же сегмента по производительности и чаще встречается в флагманских смартфонах. Что касается Apple, видеочипы для своих однокристальных систем она тоже разрабатывает самостоятельно с 2017 года.
Поддержка 5G и камер с высоким разрешением. Процессор в смартфоне включает в себя также модуль связи и движок для обработки изображений. Поэтому некоторые чипы поддерживают 5G и, например, камеры на 200 Мп, а другие — только 4G и фотоматрицы, например, на 64 Мп.
https://journal.citilink.ru/articles/kakoj-samsung-galaxy-s-kupit-v-2022-godu/
Какой Samsung Galaxy S купить в 2022 году
На что влияют процессоры
Ни одно действие на смартфоне не обходится без процессора. В первую очередь он влияет на следующие процессы:
Скорость выполнения операций. То, насколько быстро загрузится мессенджер, социальная сеть или страничка в интернете, зависит в том числе и от производительности процессора.
Частота кадров в играх. Практически любой современный процессор справится с бытовыми задачами: звонками, интернетом и переписками в мессенджерах. Пределы мощности обычно открываются в играх и отражаются в первую очередь на частоте кадров — скорости, с которой одна картинка сменяет другую.
Автономность. Разделение «обязанностей» между разными типами ядер позволяет продлить срок жизни аккумулятора — энергоэффективные ядра справляются с бытовыми задачами и тратят меньше заряда, а высокочастотные, которые быстро сажают батарею, задействуются только при необходимости.
Нагрев устройства. Смартфон может греться, если процессор будет работать на пределе мощности. Как правило, больше подвержены сильному нагреву мощные флагманские чипы с большим количеством высокопроизводительных ядер в составе. Чтобы сбалансировать температуру, производители смартфонов предусматривают продвинутые системы охлаждения, но даже это помогает не всегда, как показал наш обзор POCO F4 GT .
Процессоры среднего и бюджетного сегмента, как правило, нагреваются слабее, даже несмотря на более низкие частоты и не такие совершенные техпроцессы.
Кто делает процессоры
Есть несколько основных разработчиков чипов для смартфонов: Qualcomm, MediaTek, Unisoc, Apple, Samsung, Google и HiSilicon. Некоторые из них выпускают процессоры исключительно для своих смартфонов, технологии других используются в устройствах разных брендов.
Qualcomm. Выпускает процессоры Snapdragon, которые встречаются в смартфонах Samsung, Xiaomi, Huawei, Honor, OnePlus, vivo, realme и других производителей.
Внутри Snapdragon есть разделение по сериям в зависимости от характеристик и времени выпуска. Долгое время их различали по первой цифре в трехзначном номере: 4, 6, 7 или 8. Чем больше цифра, тем мощнее процессор. С 2022 года систему наименований упростили до одной цифры.
Так, главной серией стали Snapdragon 8 — «восьмерки» первого поколения (Snapdragon 8 Gen 1 и 8+ Gen 1) выполнены по 4-нанометровому техпроцессу, оснащены графическим чипом Adreno, 5G-модемом, процессором обработки изображений с поддержкой разрешения камеры 200 Мп. И восемью ядрами: одним на 3 ГГц, тремя на 2,5 ГГц и четырьмя на 1,8 ГГц. Это флагманские процессоры, одни из самых мощных, вышедших в 2022 году.
Snapdragon 8 первого поколения установлены в таких смартфонах, как Xiaomi 12T Pro и Samsung Galaxy Z Fold 4 . Второе поколение можно будет оценить в 2023 году — новые процессоры получат такие флагманы, как Samsung Galaxy S23 и Xiaomi 13 Pro.
Snapdragon 7 чуть уступает главной серии в мощности ядер: высокопроизводительное ядро здесь достигает частоты 2,4 ГГц, а три ядра средней производительности — 2,36 ГГц. В остальном это все еще передовой процессор с высоким пределом мощности, который уже устанавливается в смартфонах среднего ценового сегмента в Китае и скоро появится на мировом рынке. Одной из первых моделей с Snapdragon 7 станет Xiaomi 13 Lite.
Snapdragon 6 встречается в устройствах среднего ценового и бюджетного сегмента — его предшественники с трехзначными номерами (в частности, Snapdragon 680) особенно часто устанавливались в смартфонах Xiaomi, Samsung, vivo, Honor и других брендов. В Snapdragon 6 используются ядра на более простой микроархитектуре и с менее производительной архитектурой, чем в двух старших линейках. Его хватит для бытовых задач и требовательных игр на средних настройках графики. Совсем скоро выйдут первые смартфоны со Snapdragon 6 — Xiaomi POCO M6s и vivo Y77s.
Последняя из популярных серий — это Snapdragon 4. Процессоры, которые в нее входят, заметно уступают по мощности моделям старших серий, обычно используют не самые современные технологии. Они устанавливаются в бюджетные смартфоны, такие как Xiaomi Redmi Note 12.
Отличия процессоров серий Qualcomm Snapdragon
Те же характеристики справедливы для Snapdragon с трехзначными номерами, но многие из них уже устаревают. Актуальными остаются процессоры, выпущенные после 2020 года, — вторая цифра в таких моделях 5 или выше. Например, Snapdragon 888 или 778G+.
MediaTek. Главный конкурент Qualcomm выпускает процессоры двух типов: Dimensity и Helio. Dimensity поддерживают 5G, а Helio — только 4G.
Самые производительные процессоры — 9000-я серия Dimensity: 9200, 9000+ и 9000. Компания позиционирует их как мощные и энергоэффективные чипы с 4-нанометровым техпроцессом, которые рассчитаны на игры, съемку видео в 4K и выше и другие требовательные функции. Первые OPPO, Asus и Xiaomi с передовым Dimensity 9200 выйдут в январе 2023 года.
Предшествующий ему Dimensity 9000 установлен во флагманах Honor 70 Pro+, vivo X80 и Oppo Find X5 Pro. Процессор оснащен одним ядром на 3,05 ГГц, тремя на 2,85 ГГц и четырьмя на 1,8 ГГц. А более продвинутую его версию, Dimensity 9000+ с одним ядром на 3,2 ГГц, тремя на 2,85 ГГц и четырьмя на 1,8 ГГц, можно найти во флагманах этого года — например, Asus ROG Phone 6D.
Процессоры 8000-й серии стоят на ступеньку пониже, но все еще считаются достаточно производительными. Dimensity 8100 установлен, например, в новом Xiaomi 12T . Следующие по производительности — Dimensity 1000-й серии, в частности 6-нанометровые Dimensity 1300 и Dimensity 1200 с частотой до 3 ГГц. Последний установлен в популярном «середнячке» 2021 года — Xiaomi 11T .
Чипы младших серий Dimensity — 900-й, 800-й, 700-й — позиционируются как процессоры для среднеценовых и бюджетных смартфонов.
Отличия процессоров серий MediaTek Dimensity
Helio делятся на три серии: Helio G, Helio P и Helio A.
- Helio G позиционируются как производительные процессоры для игр и встречаются в смартфонах среднего и бюджетного ценового сегмента — например, последний Helio G99 установлен в Xiaomi POCO M5 .
- Helio P позиционировались как чипы для устройств среднего ценового сегмента, но линейка не обновлялась с 2020 года, поэтому сейчас такие процессоры чаще встречаются в бюджетных смартфонах, например vivo Y16 или Huawei Y5P .
- Helio A выпускались как чипы для устройств подешевле — спустя два года с выхода последнего процессора их устанавливают в такие бюджетные смартфоны, как Xiaomi Redmi A1+ .
Отличия процессоров серий MediaTek Helio
Unisoc. Бывшая Spreadtrum, специализируется на выпуске недорогих чипов для бюджетных смартфонов: ZTE, Tecno, realme и самых доступных моделей Samsung Galaxy.
На платформе Unisoc трудно найти смартфон дороже 15 тысяч рублей, характеристики соответствующие: в некоторых моделях, например ZTE Blade L9 , установлен процессор SC7731E всего с четырьмя ядрами частотой до 1,3 ГГц и поддержкой сети 3G (то есть смартфон не работает даже в 4G). Это значит, что частота кадров в современных играх будет проседать даже на средних настройках графики, а интернет будет работать медленнее.
Более продвинутые решения Unisoc часто встречаются в смартфонах realme. Например, в realme C21Y и realme C30 установлены 12-нанометровые процессоры T610 и T612 с восемью ядрами частотой до 1,8 ГГц — это одни из лучших показателей чипов от Unisoc.
Как работает процессор смартфона #2. От бездушного электричества к логике
Один из читателей DR как-то задал очень простой и конкретный вопрос — каким образом миллиарды микроскопических переключателей (они же — транзисторы) делают так, чтобы на экране смартфона появлялось изображение, а из динамика играла музыка?
Действительно, как это происходит? Ведь внутри телефона нет никакого разума или интеллекта. И, всё же, эти устройства достаточно умны.
К большому сожалению, простого ответа на этот вопрос нет и нам потребуется больше времени, чтобы лишь немножко приоткрыть завесу тайны.
В первой части мы выяснили, что для смартфона не существует никакой музыки, фильмов, фотографий, книг или приложений. Он оперирует лишь единичками и ноликами. Также мы разобрались, как именно картинка, текст или другая информация превращаются в те самые единички и нули, которые затем сохраняются в памяти смартфона.
Но постойте-ка! Какие ещё единички и нули, какая память!? Как можно сохранить в памяти то, чего в реальности не существует? Ведь, числа — это просто абстрактные понятия.
Я могу представить себе одно яблоко или один карандаш. Но это будут образы именно яблок или карандашей. А как представить и сохранить в памяти число? Зачастую, мы просто рисуем в своем воображении «картинку» этого числа — определенную цифру.
Если бы я сказал древнему римлянину запомнить число одиннадцать, он бы представил в уме латинскую букву икс с палочкой (XI), а затем вспоминал бы эту картинку каждый раз, когда хотел вспомнить нужное число. Мы же сохраняем этот образ в виде двух палочек с крючками — 11, то есть, также оперируем картинками и образами.
А что делает смартфон с числами 1 и 0? Как он физически их «запоминает»? Прежде, чем мы сможем ответить на этот вопрос, нужно разобраться с более фундаментальным и важным понятием. Об этом и пойдет речь во второй части.
Что такое транзистор и почему в iPhone 12 их около 12 млрд штук?
С устройством транзистора мы подробно разбирались в статье о том, что такое техпроцесс (те самые 7 или 5 нанометров, которые рекламируют производители смартфонов при выпуске очередного процессора).
Вкратце напомню, что транзистор — это крохотный переключатель (или выключатель), который мы можем «открывать» и «закрывать», словно кран с водой.
Главная особенность транзистора — это три контакта (электрода), называемые исток, затвор и сток. На исток подается основное напряжение от аккумулятора смартфона. Затвор, как можно догадаться по смыслу — это тот самый «кран», открыв который, ток пойдет на выход (сток), то есть, успешно пройдет через транзистор:
Открывается и закрывается транзистор при помощи небольшого напряжения, подаваемого на затвор. Если напряжение на затворе выше определенного порога, транзистор начинает пропускать ток, в противном случае — нет.
Такое незамысловатое устройство позволяет нам «щелкать» выключателем миллионы раз в секунду. А в одном мобильном процессоре находятся миллиарды транзисторов (например, 11.8 млрд в iPhone 12 или 15.3 млрд в Huawei Mate 40 Pro).
С этим, кажется, всё понятно. Есть маленький транзистор, по которому протекает ток и, в зависимости от состояния затвора, он либо проходит дальше, либо блокируется. Можно отобразить это схематически следующим образом:
Итак, если мы подаем напряжение на затвор, тогда транзистор открывается и на выходе имеем ток.
Теперь вспоминаем «единицы и нолики». Представим, что напряжение на затворе — это условная «единица», а отсутствие напряжения — это «ноль». Значит, если подать транзистору на вход «единицу» (дать небольшое напряжение на затвор), на выходе мы также получим «единицу», а если подавать «ноль» (отключить напряжение на затворе), то на выходе тоже будет «ноль» (нет тока):
Очень интересное и довольно бесполезное устройство, не находите? Подаем на вход напряжение (единицу) и получаем на выходе напряжение (единицу), не подаем ничего — ничего не получаем. С таким же успехом можно было просто использовать обычный провод.
Но давайте возьмем два транзистора и соединим их так, чтобы получилось два входа и один выход:
И вот здесь ситуация становится интересней, так как эти два транзистора уже могут умножать числа! В нашем случае (двоичная система счисления, о которой мы говорили в первой части) это 0 и 1:
| Пример | Результат |
| 0*0 | 0 |
| 0*1 | 0 |
| 1*0 | 0 |
| 1*1 | 1 |
Напомню, что на исток транзистора всегда подается ток. В первом примере (0 умножить на 0) мы не будем подавать напряжение на затворы двух транзисторов. Ток зайдет в первый транзистор, «упрется» в закрытый затвор (так как на затворе «0» — нет напряжения) и дальше не пойдет. Соответственно, на выходе из нашей схемы тока не будет (получаем условный «ноль»):
В следующем примере (0 умножить на 1) на вход первого транзистора мы не подаем напряжение, а на второй подаем. В результате из нашего «калькулятора» всё равно не будет выходить ток. Да, второй транзистор «открылся», но к нему не поступает ток от первого транзистора, так как его затвор закрыт:
Теперь умножим 1 на 1, то есть, подадим напряжение на входы двух транзисторов. Ток заходит в первый транзистор, проходит через «открытый» затвор, идет на вход ко второму транзистору, а так как и он открыт, то на выходе из всей схемы мы получаем единицу (есть ток):
Казалось бы, настолько простая схема, а уже умеет умножать два числа! Такие незамысловатые устройства из нескольких транзисторов называются логическими вентилями (краниками). Конкретно этот вентиль, умножающий два числа, называется И (да, одна буква «и» или на английском AND).
Но почему вентиль называется логическим и почему буква «и»? На самом деле, всё очень просто.
Представьте, что мы не числа умножаем, а проверяем на истинность любые высказывания. Например, я говорю следующие две фразы: «В Африке обитают гепарды» и «Один из африканских гепардов написал эту статью«.
Первое высказывание — это правда (истина). Второе высказывание, очевидно, не является истинной, соответственно, оно ложно. А теперь нам нужно решить простенькую логическую задачку — определить истинность не каждого высказывания по отдельности, а всей фразы целиком: «В Африке обитают гепарды и один из африканских гепардов написал эту статью».
Очевидно, что вся фраза является ложью, так как гепарды не пишут статьи, хотя и обитают в Африке. Получается, если первая часть фразы — истина (1), а вторая — ложь (0), тогда всё высказывание в целом является ложью (0). Если обе части — ложь, то и всё высказывание в целом — ложь.
Если вы посмотрите на картинки выше, то увидите, что наш вентиль AND выдает точно такие же результаты, то есть, он решает простые логические задачки или, другими словами, производит логические операции. Отсюда и название.
Табличку с операциями умножения можно заменить на так называемую таблицу истинности, где вместо чисел у нас два высказывания — либо ложные, либо истинные:
| Выражение | Результат |
| ложь (0) и ложь (0) | ложь (0) |
| ложь (0) и истина (1) | ложь (0) |
| истина (1) и ложь (0) | ложь (0) |
| истина (1) и истина (1) | истина (1) |
А теперь давайте посмотрим на другое высказывание: «Вчера в ресторане я выпил кофе или чай». Если в реальности я пил только кофе, является ли эта фраза истиной? Безусловно! Ведь я не утверждал, что пил кофе и чай.
Получается, мы должны как-то по-другому определять истинность фраз, соединенных союзом ИЛИ. То есть, наш вентиль AND уже работать не будет. Поэтому нам нужно из двух транзисторов создать новое устройство — вентиль ИЛИ (на английском OR).
Сделать это очень легко, достаточно соединить транзисторы не последовательно, как в предыдущем случае, а параллельно:
Теперь если мы подаем напряжение (логическую единицу) только на один из транзисторов (на его затвор), на выходе из всего вентиля будет единица (ток):
Ложь (0) получится только в том случае, если оба выражения ложны или, другими словами, на выходе из нашего вентиля OR не будет напряжения только в том случае, если не подавать напряжение ни на один из транзисторов. Тогда ток от аккумулятора не пройдет через закрытые затворы:
Если присмотреться повнимательней, этот вентиль мог бы уже суммировать два числа. К примеру, подаем на входы 0 и 1, а на выходе получаем 1, значит 0+1=1. Вот еще примеры:
| Пример | Результат |
| 0+0 | 0 |
| 0+1 | 1 |
| 1+0 | 1 |
| 1+1 | 1 |
Проблема возникает только с последним примером, так как 1+1 не может равняться единице. Но в двоичной системе счисления у нас есть только нолики и единички. Что же делать?
Да ровно то же, что мы делаем и в десятичной системе, когда хотим прибавить к девяти еще единицу. Ведь в нашей системе счисления только 10 цифр (от 0 до 9) и мы не можем увеличить 9 еще на 1, так как не существует цифры, которая бы обозначала число десять.
Получается 9+1=0 (начинаем считать заново, с нуля), только теперь слева нужно записать еще единичку, которую мы перенесли в старший разряд:
В двоичной системе всё выглядит ровно так же, только мы не можем «подняться выше» единицы, так как есть лишь две цифры — 0 и 1. Соответственно, 1+1 в двоичной системе выглядит, как:
Чтобы решать такие примеры, вентиль OR не подходит, значит, нам нужно создать третий вентиль, который называется исключающее ИЛИ (на английском XOR). Такой вентиль должен работать в точности, как OR, но с одним отличием: когда обе части высказывания истинны, всё высказывание должно быть ложным. Другими словами, когда мы подаем две единицы (подаем на каждый транзистор напряжение), на выходе из вентиля должен быть ноль (отсутствие напряжения).
В обычной жизни мы оперируем именно таким исключающим или союзом, то есть, истинность одной части фразы подразумевает ложность другой, например: «Мне принесли чашку кофе или мне принесли чашку чая». Если мне принесли кофе, значит, это не чай. И наоборот. Если же мы утверждаем, что оба высказывания истинны, значит, вся фраза — ложь, так как одна ее часть исключает другую.
Чтобы реализовать вентиль XOR, вначале нужно сделать еще один вентиль под названием НЕ (на английском — NOT). Всё, что он должен делать — это «переворачивать» значение, которое мы подаем на вход. Если на затвор транзистора подать напряжение, на выходе не должно быть тока. И наоборот, если на входе «ноль» (отсутствует напряжение), на выходе должна быть единица (ток). Такой вентиль еще называется инвертором.
Сделать вентиль NOT очень легко, достаточно его выход расположить сверху (возле истока), а нижний контакт заземлить. Теперь, когда затвор будет закрыт (подаем «ноль» на вход), ток будет спокойно проходить сразу от истока на выход из вентиля. А если открываем затвор, то ток устремится по пути наименьшего сопротивления и уйдет «в землю», а на выходе ничего не будет (0):
Итак, на текущий момент, имея в своем распоряжении только транзисторы и аккумулятор смартфона, который питает их электричеством, мы уже смогли создать три крошечных устройства: вентиль AND, вентиль OR и вентиль NOT:
Надеюсь, пока всё понятно.
Мы уже начинаем видеть какие-то зачатки «логики» и при этом хорошо понимаем физику процесса, но до ответов на все вопросы еще далеко. Я показываю всё на самом низком уровне (на уровне тока) для того, чтобы в работе смартфона и его «мозга» (процессора) не оставалось никакой «магии». Так что наберитесь еще немножко терпения, чтобы узнать больше.
Итак, теперь нужно сделать четвертый вентиль — исключающее ИЛИ (XOR). Он должен выдавать те же результаты, что и OR, за исключением лишь ситуации, когда на оба входа подаются единицы.
Чтобы сделать этот вентиль, мы воспользуемся уже имеющимися — AND, OR и NOT. Для начала параллельно соединим вентили AND и OR, к выходу END подсоединим вентиль NOT, чтобы он инвертировал значение, а затем соединим выходы вентилей NOT и OR со входом еще одного вентиля AND.
Да, звучит всё сложно и запутанно, на теперь посмотрите на картинку и всё станет сразу понятно:
Теперь проверим, как такой вентиль будет работать и подадим на входы две единицы. Вентиль OR в этом случае давал на выходе также единицу, но наш новый вентиль XOR выдаст ноль:
А вот что будет, если подать, к примеру, единицу и ноль:
Всё работает! На создание вентиля XOR ушло 7 транзисторов. Как видите, мы уже работали не с отдельными транзисторами, а использовали готовые вентили. Теперь у нас появился еще один сложный вентиль XOR, который дальше мы будем использовать в еще более сложных схемах.
На этом, в принципе, можно было бы и остановиться, так как уже должно приходить понимание того, как из простых выключателей (транзисторов) можно создавать элементарные устройства, которые объединяются в более сложные, а те — в еще более сложные. И так до тех пор, пока мы не построим процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Для этого и нужно такое большое количество этих крохотных выключателей.
Но давайте попробуем создать еще более сложное устройство!
Создаем из транзисторов примитивный калькулятор
В процессе ежедневной работы смартфон производит триллионы операций, складывая, вычитая и умножая различные числа.
Если мы хотим сделать фотографию более яркой, смартфон берет значение яркости каждой точки снимка и прибавляет к нему определенное число, то есть, проделывает операцию сложения для нескольких миллионов точек. Триллионы вычислений также происходят во время игр, просмотра видео или прослушивания музыки.
В общем, процессор то и дело постоянно производит математические операции. Но наши элементарные вентили не могут даже сложить два числа. Да, у нас есть вентиль XOR, который работает, как сложение, но если мы подадим на него две единицы, то на выходе получим просто 0, так как единичку нужно перенести в следующий разряд, а он этого делать не умеет.
Давайте исправим этот недостаток.
В двоичной системе 1 + 1 = 10. А это уже два бита (напомню, один бит — это либо единица, либо ноль, т.е. одно число). Наш вентиль XOR при поступлении на вход двух единиц (1+1) выдает только 0.
Чтобы всё работало корректно, мы подключаем к вентилю XOR еще один — AND. Получится вот так:
Теперь когда на XOR приходят две единицы, он выдает 0, но две единицы параллельно приходят и на вентиль AND, а тот, как мы разобрались выше, в этом случае выдаст 1. Вот и получаем нужный результат:
Чтобы убедиться, что всё работает, проверим наше новое устройство, отправив на него 1 и 0 (1+0 должно равняться просто 1):
Так и есть! Когда 1 и 0 поступили на вентиль XOR, он выдал единицу, а вентиль AND в этом же случае выдает 0.
Вот так просто у нас получилось новое устройство под названием полусумматор! И теперь мы можем использовать его уже в более сложных схемах, создавая всё более сложные устройства.
К сожалению, толку от этого полусумматора не так много. Наше крохотное устройство из 9 транзисторов может только складывать два бита, то есть, максимум посчитать, сколько будет «один плюс один».
Думаю, вы уже догадались, что можно из двух полусумматоров собрать один полный сумматор и он уже будет работать с тремя битами (складывать два числа одного разряда с учетом переноса из предыдущего разряда). Для этого нам потребуются два полусумматора и один вентиль OR. Но чтобы не перегружать статью лишней информацией, я уже не буду подробно описывать его работу.
Естественно, можно пойти дальше и собрать уже из сумматоров более сложные компоненты, скажем, 8-битный сумматор, который сможет складывать 8-битные числа (вплоть до 256+256). Это потребует сотни транзисторов, но какая разница, если мы можем в крохотном процессоре смартфона разместить 10-15 миллиардов транзисторов?
Процессор смартфона состоит из множества других логических схем для самых разнообразных операций (сложение, вычитание, увеличение или уменьшение числа на единицу, перевод чисел из положительных в отрицательные и наоборот, умножение и пр.).
Если раньше мы складывали транзисторы в вентили, а затем из вентилей создавали более сложные устройства (например, полусумматоры), то теперь нужно собрать всё воедино, создав тем самым АЛУ (арифметико-логическое устройство) — блок процессора, отвечающий за выполнение всех арифметических и логических операций:
На входы в этот блок мы подаем данные, над которыми нужно проделать определенные операции. Сам код операции (что именно нужно сделать) мы также подаем на еще один вход в АЛУ. Например, 0101 — это код сложения, а 0011 — означает, что нужно произвести вычитание.
Естественно, из АЛУ есть выход, куда отправляется готовый результат. Также из АЛУ выходят различные флаги (признаки), например, есть флаг отрицательного числа, если он равняется единице, то мы знаем, что число — отрицательное.
К сожалению, несмотря на объем статьи, она до сих пор не отвечает на многие вопросы. Всё еще не понятно, как именно числа хранятся в памяти, кто или что указывает процессору, какие конкретно операции и в какой последовательности нужно делать. Да и как, собственно, эти «указания» выглядят?
Со всем этим мы разберемся в следующей части, которая должна сложить все пазлы в единую понятную картину.
Алексей, главный редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
Если вам понравилась эта статья, присоединяйтесь к нам на Patreon — там еще интересней!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?
ТОП процессоров для смартфонов 2022
Процессор — «сердце» смартфона, отвечает за функциональность системы, а именно: скорость передачи данных, оперативность переключения между приложениями, степень нагрева при длительной работе.
От процессора зависит производительность смартфона. Она позволяет использовать одновременно несколько приложений, поэтому при выборе смартфона этот пункт учитывают в первую очередь
Qualcomm Snapdragon 888
Современный производительный процессор от компании Qualcomm. Включает 8 вычислительных ядер: одно Cortex-X1 с максимальной производительностью до 2,84 ГГц, три мощных Cortex-A78 и четыре экономичных ядра Cortex-A55.
Новый графический процессор Adreno 660 — на 30% производительнее, чем предыдущие флагманские решения и на 20% потребление энергии ниже.
За хорошее качество связи отвечает модем Snapdragon X60 5G с поддержкой диапазонов mmWave и sub-6. Возможности чипа позволяют смартфону поддерживать Wi-Fi 6 и 5G в диапазоне n79, применяемом в экспериментальных сетях 5G в России. Также аппарат поддерживает Bluetooth 5.2 и NFC.
Exynos 2100
Чипсет от компании Samsung. Состоит из 8-ми ядер, распределенных по трем кластерам: одно мощное ядро Cortex-X1, 4 энергоэффективных Cortex-A55 и высокопроизводительные Cortex-A78. Видеоускоритель работает на 40% быстрее, чем Mali-G77. Чипсет содержит 5G модем, который поддерживает скорость передачи данных до 7,35 Гбит/с, и работает с камерами с разрешением до 200 мегапикселей.
A14 Bionic
Чипсет изготавливается по 5-нанометровому техпроцессу. Он имеет 6 ядер: 2 ядра Firestorm на 3100 МГц и 4 ядра Icestorm на 1800 МГц. Архитектура стала производительнее на 30% чем предшественники и без роста потребления энергии. Apple также впервые внедрила технологию 5G, что дает более высокую пропускную способность, меньшее время задержки, скорость интернета до 2 Гбит/с, и уменьшенный расход энергии.
Qualcomm Snapdragon 870
Производительный процессор компании Qualcomm, размещен в бюджетных флагманах. Главный процессор чипсета состоит из 1-го ядра Cortex-A77 с частотой 3,2, отличающегося высокой производительностью, и 4-х энергоэффективных Cortex-A55.
Графический процессор Adreno обеспечивает отличную картинку, которая точно порадует геймеров и любителей кино.
MediaTek Dimensity 1200
Серия Dimensity 1200 — новейший процессор для флагманов с интегрированным чипом 5G. Выполнен по 6 нм технологическому процессу и имеет 8 ядер: одно ядро Cortex-A78 с частотой 3.0 ГГц, три Cortex-A78 — 2.6 ГГц и четыре энергоэффективных Cortex-A55 — 2.0 ГГц.
Самое мощное ядро повышает производительность до 22%, а также энергоэффективность лучше на 25% в сравнении с предыдущим поколением. Технология MediaTek HyperEngine 3.0 расширяет возможности игрового процесса. На 20% быстрее ИИ обрабатывает ночные снимки.
25.10.2023 Хэллоуин! Кухонная техника для приготовления блюд
24.10.2023 Как выбрать холодильник в 2023 году?
09.10.2023 ТОП ноутбуков для игр, работы и учебы 2023 года
28.09.2023 Топ подарков ко дню учителя. Самые нетривиальные идеи
21.09.2023 Delvento – итальянский бренд бытовой техники!
21.09.2023 Топ-5 обогревателей для дома рекомендованные к покупке