Annons

Innanför skalet på prestandalurarna

Kartläggning: Så funkar System on Chip

System on Chip - eller SOC - är en populär teknik som samlar alla komponenter dagens toppmodeller behöver på ett enda stycke kisel. Klicka dig vidare i bildspelet för att lära dig mer om hur populära Galaxy S3 och Iphone 5 ser ut innanför skalen.
Inför skalet på mobilen: Samsung Galaxy S31. SOC – Samsung Exynos 4 Quad. Här ryms huvudprocessor och grafikprocessor – båda från ARM. Huvudprocessorn har fyra Cortex A9-kärnor. I samma kapsel finns arbetsminne och en mängd hjälpkretsar för funktioner som usb-portar, HDMI-anslutning, bildbehandling och lagring.2. Närmast usb-kontakten sitter flashminnet med en kapacitet på 16 Gbyte.3. En stor del av mobilens radiosignaler genereras av denna krets – Intels basbandsprocessor PMB9811x. Signalerna fortsätter till undersidan av kretskortet och går via sändtagar- och förstärkarkretsar från Infineon och Skyworks vidare till antennerna.4. De två mindre fyrkanterna heter MAX77693 and MAX77686. De sköter en mängd uppgifter som klocka, batteriladdning och styrning av strömkrävande delar som fotobelysning och vibrator.5. Här sitter mobilens wlan- och bluetoothkrets med teknik från Murata och Broadcom.6. Gps- och Glonass tas emot genom mottagaren Broadcom BCM47511.7. Pekskärmens signaler omvandlas till kommandon genom kontrollern Melfas 8PL533.8. Här sitter huvudkameran med en upplösning på 8 megapixel.9. En tunn koaxialkabel förbinder radiokretsarna med de antenner som sitter upptill på mobilen.10. Batteriet rymmer 7,98 Wh och går att byta utan verktyg.
Innanför skalet på mobilen: Apple iPhone 51. Iphone 5 har ett fast monterat batteri på 5,45 Wh.2. Skärm och pekskärmskontroller har en rejäl kontakt som skruvas fast i mobilens kretskort.3. Kretskortet är långsmalt och ligger vid sidan av batteriet. Små metallskal skyddar de olika komponenterna.4. Mitt på kretskortet, intill simkortsplatsen, finns Apples SOC A6. Huvudprocessorn bygger på ARM-teknik, men har processorkärnor (2 stycken) som är skräddarsydda för Apples produkter. A6 har också en trekärnig PowerVR grafikprocessor och delar kapsel med ett 1 Gbyte stort arbetsminne.5. Nedtill på mobilen finns LTE-modem och basbandskrets från Qualcomm. De analoga radiokretsarna – förstärkare och antennkretsar – kommer från Skyworks, Triquint och Avago.6. Närmast överkanten sitter flashminnet och de flesta av mobilens sensorer. Här finns också en audioförstärkare och en laddningskrets – båda specialdesignade för Apple. Intill anslutningarna för huvudkameran sitter wlan- och bluetoothkretsen från Murata.7. Apples Lightning-kontakt har dragit ned antalet poler från 30 till 8 och fungerar oavsett hur man vänder den. Kontakten har smart elektronik som automatiskt kastar om polerna vid behov – och stänger ute tillbehör som inte är godkända av Apple.

Avancerade system med processorer optimerade för olika uppgifter – allt på ett enda kiselchip. Mobil kartlägger tekniken och företagen som ger kraft åt prestandamobilerna.

Publicerad Uppdaterad

Appar, spel och funktioner som strömmande video och navigering kräver processorkraft som en hyfsad stationär dator med bara några få år på nacken. Vägen till prestanda i dator­erna har varit strömkrävande processorer med rejäla fläktar och kylflänsar kombinerat med separata grafikkort, ljudkort, minnesmoduler och nätverkskort. Att försöka klämma in en vanlig datorprocessor i mobilen skulle leda till sönderbrända byxfickor och antingen en återgång till 80-talets tegelstenslurar eller till batteritider i storleksordningen 10 minuter, så tillverkarna har valt en annan väg. 

Genom att samla komponenterna som är mest avgörande för prestandan på ett enda stycke kisel blir det möjligt att bygga mobiler som är snabba, kompakta och strömsnåla. Tekniken kallas System on Chip eller SOC och används inte bara i mobiler och surfplattor utan också i prylar som digitalboxar, routrar och teve-apparater. SOC har också börjat ta plats i vanliga datorer som Chromebook och Acer Aspire v5-122p.

Som namnet antyder kan ett SOC innehålla nästan allt som krävs för ett fungerande system, men det är vanligare att tillverkarna fokuserar på de tyngsta delarna – huvudprocessorn och grafikprocessorn – och lägger komponenter som minne, modem och sensorer i andra chip. 

Huvudprocessorn (Central Processing Unit, förkortat CPU) har två egenskaper som mobiltillverkarna ofta lyfter fram – antalet kärnor och klockfrekvensen. 

En mobil kan till exempel ha fyra kärnor på 1,5 ghz. Varje kärna utgör i princip en komplett CPU och tillsammans kan de dela på arbetsuppgifterna och öka mobilens prestanda. 

Men sambandet mellan klockfrekvens, kärnantal och prestanda är inte så starkt som reklamen antyder.

– Antalet kärnor har viss betydelse. Från en till två kan man se en rätt stor förbättring i prestanda, men från två kärnor till fyra är det inte alls lika uppenbart, menar Andreas Anyuru, författare och Senior Member of Technical Staff på ST-Ericsson.

Andreas Anyuru.

Anledningen är att programvaran inte är så lätt att parallellisera – alltså fördela uppgifterna över flera processorkärnor. Andreas Anyuru berättar att Linuxkärnan i Androidmobiler visserligen har stöd för att göra detta på ett mycket bra sätt, men att det fortfarande krävs att resten av programvaran är parallelliserbar. Exempelvis webbläsaren skalar inte alls bra på fler än två kärnor.

Strömsnåla processorer

Idag innehåller i stort sett alla mobiler processorkärnor från brittiska ARM – trots att företaget varken levererar kompletta SOC eller tillverkar egen hårdvara. 

– ARM har varit väldigt duktiga under lång tid på att göra strömsnåla processorer med bra prestanda. Jag tror ARM fortsätter att vara dominerande framöver, men Intel kommer att göra mycket för att ta sig in på den mobila marknaden, säger Andreas Anyuru.

Grafikprocessorn (Graphics Processing Unit, förkortat GPU) är ett måste för att mobilsystem som Android, IOS eller Windows Phone ska fungera. Att uppdatera en högupplöst skärm så många gånger per sekund som krävs för att bilden ska flyta utan hack och fördröjningar kräver mycket beräkningskraft. När det gäller grafik är det ofta samma typ av beräkningar som upprepas i förutsägbara mönster, så genom att bygga en specialanpassad processor går det att få betydligt mer gjort per krona och wattimme jämfört med att öka kapaciteten på mobilens cpu. 

Mobilens GPU klarar en lång rad uppgifter. 3D-funktionerna används inte bara i spel utan också i nästan alla delar av mobilens gränssnitt – till exempel när ett halvgenomskinligt fönster läggs ovanpå en annan vy eller i växlingen mellan olika sidor. Grafikprocessorn är också viktig för webbläsaren – till exempel när alla effekter som går att skapa genom CSS3-stilmallar ska ritas upp. 

För att appar och system ska fungera med olika typer av grafikprocessorer finns standardiserade sätt att anropa funktionerna – så kallade API:er. För 3D-grafik heter standarden OpenGL ES och för 2d-grafik finns OpenVG. 

Flera olika GPU-utvecklare konkurrerar om att få in sina produkter i mobilernas SOC. Imagination PowerVR har en stor marknadsandel genom att den finns i nästan alla Apples IOS-enheter. 

Andra vanligt förekommande GPU-serier är ARM Mali, Vivante SC och DMP Smaph. Qualcomm och Nvidia har satsat på egna GPU-serier – Adreno respektive Geforce – som bara finns i märkets egna soc. Nvidia har dock nyligen presenterat planer på att licensiera ut sin GPU-teknik till andra tillverkare.

Vid sidan av GPU och CPU innehåller de flesta SOC hårdvara för videokodning. Av ungefär samma anledningar som det är smart att låta mobilens CPU slippa grafikberäkningarna lönar det sig att lyfta ut komprimering och uppspelning av video – speciellt när det gäller hög upplösning och avancerade format som h.264 och WEBm. Google är en stor aktör när det gäller videohårdvaran efter köpet av företagen On2 och Hantro år 2010, men även ARM och Imagination är med och delar på kakan. 

Några SOC-serier – till exempel Qualcomm Snapdragon 800 och Nvidia Tegra 4i – innehåller även en basbandsdel eller ett modem som genererar radiosignalerna. I de flesta mobiler finns dock de funktionerna i separata chip. 

När de olika delarna på kretskortet för en mobil räknas in upptäcker man att arbetsminnet sitter i samma svarta fyrkant som mobilens SOC – trots att minneskretsarna inte finns med på samma chip. Kapseln med mobilens SOC har ofta chip i flera lager där minnet ligger överst – en lösning som kallas Package-on-Package. Det både sparar utrymme i mobilen och ger förbättrad prestanda eftersom de elektriska vägarna mellan minnet och processorn kan göras väldigt korta.

För de nya SOC som dyker upp i årets mobiler ligger fokus på att höja prestandan ytterligare utan att strömförbrukningen följer med – en svår ekvation när man börjar använda stora kärnor som Cortex A15. 

ARM kallar sin lösning på problemet för Big Little – en Cortex A15 och en Cortex A7 bildar en virtuell processorkärna som antingen är långsam och strömsnål eller snabb och energikrävande beroende på belastningen. 

Det möjliggör mobiler med bra standbytid samtidigt som det går att plocka fram rejäl beräkningskraft vid behov. Det första SOC med Big Little-tekniken är Samsung Exynos 5 Octa som har fyra kärnor vardera av A7- och A15-modell.

– Värmeutvecklingen kommer att bli en utmaning för mobilerna de kommande åren. Även om både GPU och CPU går att köra med hög klockfrekvens, så skulle mobilen smälta om man använde maximal kapacitet längre tid än bråkdelar av en sekund, berättar Andreas Anyuru.

Nästa steg är mobilprocessorer med 64-bitarsteknik – en milstolpe som kan komma att passeras redan under 2014. För vanliga datorer är 64 bitar standarden sedan flera år tillbaka, men i mobilerna är det fortfarande 32 bitar som gäller. 

32-bitarsteknik sätter ett tak för arbetsminnets storlek på 4 Gbyte – en begränsande faktor när systemen får fler funktioner och många appar lägger beslag på en hel del minne för bakgrundsfunktioner.

Att utveckla SOC för mobiler kräver stora resurser och marknaden domineras av en handfull företag. I mobilens specifikationer kan du hitta beteckningar som A6, Exynos eller Snapdragon – varumärken för mobilens SOC. Här följer en lista på de viktigaste och snabbaste SOC-serierna – och de CPU- och GPU-delar som ingår.

Atom

Intel dominerar helt marknaden för datorprocessorer, men har inte gjort några större ansträngningar att slå sig in på mobilsidan förrän under det senaste året. Intel har länge haft en serie lågprisprocessorer med namnet Atom, men Atom SOC är en vidareutveckling där samtliga modeller har fått en GPU från Imagination. 

Intels CPU-kärnor kallas Saltwell och finns med klockfrekvens upp till 2 GHz. Intels SOC finns just nu huvudsakligen i surfplattor, men några mobilmodeller har lanserats – till exempel Motorola Razr i och ZTE Grand X.

A-serien

Apple har använt specialdesignade SOC sedan lanseringen av den första Iphone 2007, men saknar egen tillverkning. Samsung har levererat de flesta modellerna fram till A6 för Iphone 5, men Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) har fått beställningar på den Ipad-anpassade A6x och väntas tillverka även framtida SOC. 

Apple använder CPU-kärnor som bygger på ARM-teknik, men tredje generationens Ipad var den sista produkten som använde ARM-designen rakt av. A6 och A6x har en dubbelkärnig ARM-kompatibel, men Apple-utvecklad, CPU som kallas Swift. Samtliga SOC i A-serien har Imaginations PowerVR-GPU. 

Exynos

Samsung har utvecklat SOC sedan slutet av 1990-talet, men varumärket Exynos kom först 2011 och ersatte då äldre kodnamn som Hummingbird och S3. Instegsmodellen Exynos 3 är samma SOC som gav kraft åt gamla Samsung Galaxy S, medan Exynos 4 och 5 finns i aktuella produkter som Galaxy Note 2 respektive den koreanska versionen av Galaxy S4. 

Samtliga Exynos-SOC har CPU-kärnor från ARM och i de flesta varianter kommer grafikprocessorn från samma leverantör, men den just nu snabbaste modellen – åttakärniga Exynos 5 Octa – har en PowerVR-GPU från Imagination.

Novathor

Schweiziska halvledartillverkaren STMicroelectronics och Ericsson slog 2009 ihop sina avdelningar för SOC-tillverkning och bildade samarbetet ST-Ericsson som pågick fram till våren 2013. För mobilköpare är det tydligaste resultatet av samarbetet SOC-serien Novathor och modellen U8500 som finns i bland annat Samsung Galaxy S3 Mini och i flera Sony Xperia-mobiler. Novathor använder ARM som leverantör av både CPU-kärnor och grafikprocessor. 

OMAP

Omap är en bred serie SOC från Texas Instruments och förekommer både i smarta telefoner och i mindre krävande prylar som lågprismobiler och enkla digitalkameror. Omap-serien har CPU-kärnor från ARM och grafikprocessorer från Imagination. Omap har inte synts till i så många mobiler för den europeiska marknaden sedan Samsung Galaxy Nexus släpptes 2011 och Texas Instruments har meddelat att man främst prioriterar andra branscher framöver. Den senaste generationen – Omap 5 – har dock specifikationer som pekar på hög prestanda och skulle kunna dyka upp i kommande surfplattor från Blackberry eller Archos.

Snapdragon

En serie SOC från Qualcomm – en dold gigant på mobilmarknaden. Qualcomm har sålt mobiler och programvara under eget namn på sin hemmamarknad i USA, men både SOC och andra typer av kretsar från Qualcomm finns i mobiler från i stort sett alla större tillverkare. Google Nexus One och Sony Ericsson Xperia X10 hör till de första mobilerna som bestyckades med Snapdragon – en SOC ur den serie som idag kallas Snapdragon S1. Den följs av S2, S3 och S4 – med ökande prestanda för varje generation. Några av de snabbaste modellerna i S4-serien finns i mobiler som Sony Xperia Z, Blackberry Z10 och Nokia Lumia 920. 

Från år 2013 har S-serierna fått ge plats för SOC med tresiffriga modellnummer – 200, 400, 600 och 800. Mobiler med Snapdragon 600, till exempel HTC One och Samsung Galaxy S4, hör till dagens toppskikt när det gäller prestandan. En skillnad mellan Snapdragon och andra SOC är att Qualcomm ofta väljer att även bygga in stöd för trådlös kommunikation direkt på chipet. Flera Snapdragon-SOC använder CPU-kärnor från ARM, men Qualcomm vidareutvecklar också kärnorna under sina egna varumärken Scorpion och Krait.

Tegra 

Nvidia är kanske mest kända för sin grafikkortstillverkning, men de har även levererat flera SOC. Tegra 3 är den modell som varit mest framgångsrik på mobilmarknaden – representerad i bland annat HTC One X och Google Nexus 7. Tegra 3 har två lägen. I full drift fungerar den som en CPU med fyra ARM Cortex A9-kärnor, men det finns också en supersnål femte processorkärna som ensam kan sköta standby-läget och därmed förlänga batteritiden. 

Tegra-processorerna använder Nvidias egen Geforce-GPU. Tegra 4, den senaste generationen, har extremt många GPU-kärnor – 72 respektive 60 stycken beroende på modell. Tegra 4 finns både med och utan inbyggt LTE-modem och utgör hjärtat i både ZTE N988 »Super Phone« och i Nvidias egen Androidbaserade spelkonsol Shield.