Цифровой журнал «Компьютерра» № 136

Смартфонный Atom: процессор Intel Medfield Олег Нечай

Опубликовано 27 августа 2012 года

Бизнес Intel — это универсальные процессоры для настольных и портативных компьютеров разных классов, мощные чипы для серверов и специализированные микросхемы для встраиваемых систем. Корпорация практически монополизировала этот рынок, что неоднократно приводило к многочисленным судебным искам за нарушение правил честной конкуренции: среди истцов, помимо прочих, числятся её извечный соперник AMD, Федеральная торговая комиссия США, американский штат Нью-Йорк, Европейский Союз и Южная Корея.

Однако эпоха тотального доминирования Intel закончилась с появлением айфонов и айпадов, планшетов и смартфонов под управлением Android. Оказалось, что потребителю нужны не высокопроизводительные монстры с многоэтажными графическими ускорителями, а портативные и экономичные устройства, способные как можно дольше работать без подзарядки с лёгкими приложениями.

В Intel процессоры для подобных устройств никогда не разрабатывали и не выпускали — в отличие от конкурентов. В 1986 году британской компанией Acorn Computers был разработан тридцатидвухразрядный процессор на базе архитектуры RISC (reduced instruction set computer — «компьютер с сокращённым набором команд»), получивший название ARM (Acorn RISC Machine) 2. В противоположность универсальным чипам на базе архитектуры CISC (complex instruction set computer — «компьютер со сложным набором команд»), к которым относятся и практически все микросхемы Intel x86/IA-64, процессоры RISC умеют исполнять лишь несколько простых инструкций, но зато делают это максимально быстро — как правило, за один такт. Такие чипы проще по конструкции, значительно экономичнее CISC и не требуют сложных систем охлаждения.

В 1990 году Acorn Computers, Apple Computer и VLSI Technology создали совместное предприятие под названием Advanced RISC Machines, которое в начале девяностых разработало процессор для первого мобильного устройства компании Apple — планшета Newton. Сегодня процессоры ARM установлены более чем в 95 процентах всех смартфонов и коммуникаторов, включая iPhone и iPad и подавляющее большинство гаджетов под управлением Android. В 2011 году в мире было продано порядка 7,9 миллиарда ARM-процессоров и всего около 330 миллионов процессоров под маркой Intel. При этом чипы ARM использовались не только в телефонах и планшетах, но и в самой разной бытовой технике — от телевизоров и холодильников до кофеварок и автомобильных компьютерных систем. Более того, на их основе стали выпускаться серверы и даже собираться суперкомпьютеры!

Разумеется, в Intel никак не могли игнорировать столь огромный рынок, внезапно образовавшийся буквально у них под боком. Однако первые попытки создать сильную альтернативу ARM-процессорам успехом не увенчались. В 2010 году глава Intel Пол Отеллини показал на выставке бытовой электроники CES прототип «интелофона» на базе Atom и пообещал, что к концу года её партнёр LG завалит такими трубками весь мир — но до прилавков магазинов они так и не добрались. Всё дело в том, что «телефонные» варианты чипов Atom, разработанных для нетбуков, отличались чрезмерным энергопотреблением и потому особого распространения не получили.

После такого системного провала в Intel решили подойти к решению проблемы иначе. В июле 2010 года, через три месяца после выпуска первого iPad, Пол Отеллини пригласил на работу Майка Белла — выходца из Apple, любителя коммуникаторов и гавайских рубашек. Белл проработал 17 лет в «яблочной» компании, где занимался программным обеспечением для компьютеров и iPhone, а затем участвовал в разработке смартфонов Pre и Pixi в фирме Palm, выкупленной в 2010 году HP.

По опыту работы в Apple Белл прекрасно понимал, что интеграция «железа» и программного обеспечения — это целое искусство. В особенности если речь идёт о мобильных устройствах: они должны обеспечивать всю ту функциональность, какую ожидает потребитель, обходясь разумно достаточными аппаратными средствами. При этом целью разработчика должны быть не только высокие продажи, но и максимальное удовлетворение пользователя. И, разумеется, как следствие — расширение числа операторов, готовых продавать столь желанный аппарат.

Просто ещё один процессор Intel вряд ли смог бы убедить производителей телефонов или операторов связи: для них это был бы всё тот же прожорливый Atom. Другое дело, если бы можно было показать потенциальным заказчикам не чип, а действующий образец смартфона, на котором любой желающий мог бы запустить любые тесты. Поэтому Белл поставил перед собой задачу разработать не просто процессор, способный на равных конкурировать с ARM, но целый аппарат, работающий на таком чипе. Оттелини, в свою очередь, предоставил ему право нанимать любых специалистов и практически неограниченные ресурсы.

Подразделение Белла действовало как типичный стартап, нашедший щедрого инвестора. Было снято отдельное здание, нанята команда специалистов из числа знакомых Беллу по работе в Apple и Palm, а также из фирмы Qualcomm, которая занимается лицензированием и разработкой ARM-процессоров. Наконец, в августе 2010 года Intel приобрела подразделение беспроводных коммуникаций немецкой фирмы Infineon Technologies, которое специализируется на чипах связи, сконструированных на основе ARM. Предстояла серьёзная работа: нужно было спроектировать аппаратную основу, написать программное обеспечение, добиться их максимальной совместимости, провести тестирование и пройти сертификацию.

Работая практически круглосуточно и без выходных, подразделение Белла добилось выдающихся результатов. Уже через год была готова эталонная конструкция смартфона на основе одноядерного чипа Atom Medfield, которую с незначительными изменениями можно было продавать потребителям. В январе 2012 года Отеллини продемонстрировал её на CES и объявил, что первым партнёром Intel по выпуску этого аппарата будет Lenovo: смартфон будет продаваться в Китае под названием K800. Аппарат без проблем справлялся с подавляющим большинством приложений для операционной системой Android и был оснащён фотокамерой, способной делать до 15 снимков в секунду.

Новая «телефонная» платформа Atom, получившая кодовое название Medfield, представляет собой однокристальную «систему-на-чипе», выполненную по 32-нм технологии. Напомним, что предыдущее поколение ультрамобильных Atom Moorestown состояло из двух микросхем: собственно процессора Lincroft и системного концентратора Langfell. Площадь чипа — 386 мм².

В состав Medfield входят вычислительное ядро Saltwell с тактовой частотой до 2,0 ГГц и технологией параллельных вычислений Hyper-Threading, видеокодек с поддержкой кодирования и декодирования видео до 1080p/30, графическое ядро 2D/3D PowerVR SGX540, программируемый сигнальный процессор обработки видео, двухканальный контроллер оперативной памяти LPDDR2, гигабайт встроенной памяти LPDDR2, а также различные контроллеры ввода/вывода. В наличии встроенный 3G-модем HDPS+ IFX 6260 и выход HDMI, поддерживается работа с основной камерой с разрешением до 24 мегапикселей (15 кадров в секунду, 1080p) и дополнительной камерой до 2 мегапикселей.

Вычислительное ядро Saltwell, положенное в основу Medfield, разработано на базе стандартной микроархитектуры Atom с шестнадцатиступенчатым конвейером и последовательным исполнением инструкций — до двух за такт. Главные изменения, сделанные конструкторами, касаются повышения энергоэффективностию Устранены также некоторые узкие места для увеличения производительности (например, удвоена пропускная способность шины памяти).

В Medfield реализована фирменная технология Intel Burst Perfomance, динамически изменяющая тактовую частоту чипа в зависимости от нагрузки в заданных рамках энергопотребления. В режиме простоя C6 используется технология Intel Smart Idle: ядро и кэш-память второго уровня полностью обесточиваются, а данные о состоянии ядра и сведения из кэша выгружаются в статическую память с автономным питанием. В результате потребление энергии в этом режиме приближается к нулю.

Intel Burst Perfomance предусматривает ещё три режима работы: с низкой тактовой частотой (low frequency mode, LFM), с высокой (high frequency mode, HFM) частотой и с максимальной частотой. Чип способен автоматически изменять рабочую частоту в диапазоне от 100 до 2000 МГц с шагом в 100 МГц, при этом пиковая частота, как и в процессорах с технологией Turbo Boost, может поддерживаться лишь некоторое время. Базовая частота при работе под нагрузкой — 1300 МГц. Очевидно, именно она обеспечивает оптимальный баланс между производительностью и энергопотреблением.

Графическое ядро PowerVR SGX 540 работает на частоте 400 МГц, поддерживаются программные интерфейсы OpenGL ES 2.0 и OpenVG 1.1, технология беспроводной передачи видео Intel Wireless Display (Wi-Di), а также вывод изображения на два встроенных и один внешний дисплей через шину HDMI 1.3a с HDCP 1.2. Разрешение встроенных экранов — до 1280х1024 точек, внешнего — до 1920х1080 пикселей.

Для кодирования и декодирования видео используются блоки Imagination Technologies VDE285 и VDX385, обеспечивающие работу с потоками до 1080p, причём возможно одновременное декодирование двух потоков с максимальным разрешением.

Первым серийным Atom Medfield стала модель среднего класса c индексом Z2460 — именно на её основе построены все продающиеся в настоящее время «интелофоны». Это одноядерный процессор с технологией Hyper-Threading и базовой частотой 1,3 ГГц (до 1,6-2,0 ГГц в турборежиме). В будущем году планируется выпустить ещё две модели: бюджетную Z2000 и высокопроизводительную Z2580. Z2000 будет отличаться от Z2460 базовой частотой 1,0 ГГц, отсутствием турборежима и Hyper-Threading, а также пониженной до 320 ГГц частотой графического ядра. Топ-версия Z2580 получит два ядра с поддержкой Hyper-Threading, базовой частотой 1,3 и турбочастотой 1,8 ГГц, а также двуядерный графический ускоритель PowerVR SGX 544MP2 с рабочей частотой 533 ГГц. По прогнозам, этот процессор будет примерно вдвое производительнее нынешнего Z2460.

В апреле 2012 начались продажи «интелофона» Xolo X900 через сеть индийского оператора связи Lava, а с июля оператор Orange стал продавать в Великобритании и во Франции смартфон San Diego. В августе «МегаФон» объявил о запуске продаж трубки под названием SP-A20i Mint через салоны своей сети в России. До конца года Motorola Mobility, принадлежащая теперь Google, намерена выпустить собственный вариант коммуникатора на базе Medfield для рынка США.

Все эти аппараты имеют минимальные отличия от эталонной конструкции Intel, а внешне они и вовсе практически неотличимы. В частности, "МегаФон" SP-A20i Mint получил ёмкостный экран 4,03 дюйма с разрешением 1024х600 точек, восьмимегапиксельную основную и 1,3-мегапиксельную фронтальную камеры, 16 Гбайт встроенной памяти, модули Bluetooth, Wi-Fi, Wi-Di, GPS и NFC, а также порты Micro USB и microHDMI. Работает аппарат под управлением Android 2.3 с оболочкой Yandex.Shell (фактически вариант SPB Shell). Впоследствии, вероятно, может появиться возможность обновления до более современных версий OC.

Первые отзывы на «интелофоны» весьма благоприятны: практически по всем параметрам трубки слегка опережают смартфоны того же класса на базе чипов ARM. Экраны хороши, процессоры быстры, энергопотребление разумное, качество связи хорошее. К тому же новинки предлагаются по довольно привлекательным ценам: например, в Великобритании San Diego продаётся примерно за 300 долларов — аналогичные аппараты под брендами HTC или Samsung обойдутся в полтора-два раза дороже. «Мегафоновский» SP-A20i Mint, увы, не может похвастаться такой дешевизной: за него просят 17990 рублей, то есть целых 560 долларов.

Конечно, успех первых недорогих моделей вовсе не означает, что Intel уже может почивать на лаврах. Одноядерный Medfield по всем параметрам проигрывает топовым многоядерным процессорам NVIDIA, Qualcomm и Samsung на базе ядер ARM. Однако, как мы уже упоминали, в 2013 году Intel планирует выпустить чип со вдвое большей производительностью и улучшенной энергоэффективностью. К 2015 году ожидается появление процессора, вдвое меньшего по габаритам, чем Medfield, но в четыре раза мощнее его и в четыре раза экономичней.

После вывода на рынок «телефонных» чипов Intel придётся поменять и привычную бизнес-модель, когда дорогие процессоры продаются с большой маржей, достигающей 80 процентов от розничной цены. Мобильные процессоры не только в десятки раз дешевле (10-20 долларов), но и типичная маржа не превышает 40 процентов. К тому же Intel сама строит огромные современные фабрики и сама выпускает свои чипы, в то время как ARM вообще не занимается производством, а лишь продаёт лицензии на свои технологии.

Наконец, Intel придётся определиться, продолжать ли заниматься адаптацией программного обеспечения для операционной системы Android: всё-таки Atom — это x86-совместимый CISC-процессор, а для «андроида» родная среда — это ARM. Именно поэтому на «интелофоны» Android устанавливается в несколько модифицированном виде через своего рода программный «хак», и именно потому на таких аппаратах могут запускаться далеко не все «андроидные» приложения, ведь некоторые из них используют архитектурные особенности ARM-процессоров.

Перспективы создания какой-то своей ОС сомнительны: уже сегодня разработчикам ПО приходится выпускать разные версии как минимум для iOS и Android, и вряд ли появление какого-то третьего игрока способно их воодушевить. Возможно, подойдёт какая-то мобильная версия Windows 8? Впрочем, в Android 4.0 Ice Cream Sandwich уже появилась встроенная поддержка x86, так что речь может идти лишь о модификации конкретных приложений под платформу Atom.

Так или иначе, вторую попытку Intel выйти на рынок смартфонов уже можно считать значительно более удачной, чем первую.

К оглавлению