Пользователи iPhone 6s отмечают поразительную скорость в работе устройства и высокую плавность интерфейса. Нет ничего удивительного в том, что Apple оснащает свои флагманские продукты, будь то смартфоны или планшеты, мощнейшими аппаратными решениями. Лучшим из таковых на данный момент является процессор А9.
SoC или система-на-чипе A9 является собственной разработкой Apple. 64-битный процессор производится по 14- или 16-нм технологии двумя подрядчиками: Samsung и TSMC. К чести инженеров компании следует отметить, что синтетические тесты присваивают A9 первые места по производительности. Но так было не всегда, давайте вспомним, с чего все начиналось.
До 2010 года Apple была вынуждена пользоваться наработками Samsung. Но выпуск такого революционного устройства как iPad требовал кардинально иного подхода. В результате был выпущен первый собственный мобильный микропроцессор Apple, интегрированный в планшетный компьютер. Чип А4 работал на частоте 1 ГГц и имел максимальную потребляемую мощность 500-800 мВт. Основан он был на архитектуре ARM Cortex A8 и производился по 45-нм технологическому процессу. Как выяснилось в дальнейшем, решение Стива Джобса выпускать собственную аппаратную платформу оказалось важнейшим стратегическим шагом.
По словам аналитика Стивена Чейни, вопреки успеху и прочным позициям Intel на этом рынке, Apple смогла потеснить именитого производителя электроники. В успех команды Джобса мало кто верил, а глава Microsoft Стив Балмер откровенно смеялся над оригинальным iPhone. Тем не менее, руководство Apple было твердо настроено самостоятельно обеспечивать себя процессорами.
В 2008 году «яблочная» компания приобрела небольшую организацию PA Semi за $278 млн, известную своими энергоэффективными разработками систем-на-чипе. В последующие годы также было сделано несколько знаковых поглощений, которые в итоге вывели Apple в лидеры рынка.
Важно помнить, что аппаратная начинка iPhone и iPad тесно связана с программным обеспечением. Мобильная операционная система iOS смогла не только в кратчайшие сроки завоевать рынок, но и обеспечить работой сотни тысяч программистов. Даже конкурирующие компании зарабатывают на клиентах Apple гораздо больше, чем на своих. Взять, к примеру, столь популярные сервисы как YouTube, Google Поиск, Google Карты, которые приносят интернет-гиганту многомиллионные прибыли.
Но на этом преимущества чипов серии «А» не заканчиваются. Огромную роль в пользовательском опыте играет оптимизация программного обеспечения. Конкуренты могут выкупить или лицензировать разработанные Apple технологии, внедряя попутно их в свои устройства. Однако полную работоспособность «яблочных» продуктов может обеспечить только программный код, который лежит в основе iOS. Именно по этой причине реализация функции 3D Touch на Android-устройствах в существующем на iPhone 6s виде окажется крайне сложной.
Apple продолжает процветать, пользуясь дальновидностью ее основателя и идейного вдохновителя. Как можно убедиться, ярый педант и приверженец дзен-практик Стив Джобс оказался настоящим провидцем.
После того как Apple использовала в первом iPad процессор A4 собственного изготовления, поползли слухи, что в будущем компания может отказаться от процессоров Intel в Маках и перейти на ARM-архитектуру. В этом есть свои преимущества, однако, такая миграция чревата множеством последствий, которые Apple будет необходимо преодолеть. Стоит ли овчинка выделки?
Почему современные Маки работают на процессорах Intel
Начиная с 2006-го, все новые компьютеры Apple работают на процессорах архитектуры х86 в связке с GPU от Nvidia или AMD (или встроенное графическое ядро Intel в моделях начального уровня). Благодаря Open GL, ПО Маков может взаимодействовать с графическими процессорами различной архитектуры, что позволяет Apple без проблем менять поставщика графики.
После перехода на процессоры Intel, Apple выпустила еще два мажорных релиза OS X, в которых была реализована поддержка старой (PowerPC) и новой (х86) архитектуры, но вышедший в 2009-м Snow Leopard работал только Маках с процессорами Intel.
Чем переход на ARM отличается от перехода на Intel с PowerPC
В период с 1994-го по 2005-й, все программное обеспечение для Mac OS было «заточено» исключительно под работу на процессорах PowerPC, архитектура которых кардинально отличалась от x86. Еще раньше, на протяжении предыдущих десяти лет, Маки работали под управлением процессоров Motorola, которые назывались 68к (68000, 68020, 60030 and 68040).
Первая смена архитектуры была вызвана стремлением перейти на более современные и производительные процессоры с поддержкой 64-битных вычислений. Благодаря производительности PowerPC, намного превосходящей 68к, он мог легко выполнять эмуляцию существующего кода.
Второй переход Apple, с PowerPC на Intel, уже не выглядел таким большим шагом вперед. Производители чипов PowerPC (IBM и Motorola/Freescale) фактически оставили рынок ПК, «играя эпизодические роли» в нишах автомобилестроения и игровых консолей. Apple была их последним клиентом, но в год компания продавала менее 4 миллионов своих компьютеров.
А вот на рынке Windows-ПК кипела жизнь, все компьютеры использовали архитектуру Intel x86 или совместимые аналоги от AMD. Перейдя с PowerPC на Intel, Apple покинула тонущий корабль и выбрала развивающуюся экосистему, где за счет больших объемов производства инновации и технологии развивались очень быстро.
Однако доступная архитектура x86 была, по сути, шагом назад. Ведь на то время все процессоры Intel были 32-битными, тогда как PowerPC, которые Apple использовала в своих PowerMac G5 начиная с 2003-го, поддерживали 64-битные вычисления. Лишь в 2006-м, когда Intel представила линейку Core 2, Apple вернулась к 64-битным процессорам в своих компьютерах.
Были в переходе на архитектуру Intel и другие недостатки, но они покрывались высокими темпами развития, обусловленными большим рынком. На тот момент процессоры Intel были немногим мощнее PowerPC, но их производительности хватало для эмуляции большей части кода, написанного для PowerPC. Это стало возможным благодаря технологии Rosetta, которую Apple выкупила и доработала, чтобы сгладить сложности перехода на новую платформу.
Кроме того, смена архитектуры на х86 означала возможность запуска Windows (Linux и других x86 ОС). Это значительно расширяло потенциальную аудиторию, привлекая к покупке Mac пользователей, у которых была необходимость запускать специфические Windows-приложения. Boot Camp позволял устанавливать Windows второй системой на диске, а сторонние приложения давали возможность запуска программ Windows прямо среде OS X. Оба способа были значительно быстрее простой эмуляции кода Windows на PowerPC, которая была единственной возможностью, доступной Mac-пользователям до перехода на процессоры Intel.
Чем Apple может быть интересен уход от процессоров Intel
Экономия средств
Основной причиной, по которой Apple могла бы рассматривать возможность создания Маков без использования процессоров Intel - это высокая цена последних. Чипы Intel слишком высокотехнологичные и достаточно сложные для копирования, поэтому они вне конкуренции и позволяют Intel взимать за них такую высокую цену.
Сложно определить точную цену, которую платит Apple за процессоры Intel. Аналитики из IHS iSuppli считают, что Intel Core i5, используемые в Microsoft Surface Pro, в 4–5 раз дороже ARM-чипов в Surface RT. Процессоры A6 для iPad, по их мнению, обходятся Apple в 25 $ за штуку, тогда как чипы Intel, использующиеся в Маках, стоят 180–300 $. Идеи, что Apple могла бы заменить 200-долларовые чипы Intel на один или два 25-долларовых и породили слухи о возможности перехода компьютеров Apple на ARM-архитектуру.
Однако такое сравнение не совсем корректно, ведь современные ARM-процессоры значительно уступают в производительности чипам Intel Core i5 даже начального уровня. Между вычислительной мощностью процессоров Intel и самых быстрых ARM-процессоров лежит целая пропасть - это доказал эксперимент Microsoft по портированию Windows для ARM-чипа Surface RT.
Apple по силам создать более производительные ARM-процессоры
Apple активно наращивала вычислительную мощность своих процессоров серии Ax, благодаря финансированию за счет экономии на объемах производства. Каждый год компания продает около 70 миллионов iPad и почти 170 миллионов iPhone.
В этом году Apple могла создать еще более мощные чипы A8, если бы не ограничения, диктуемые толщиной корпуса, ограниченным размером батареи и проблемой теплоотвода в iOS-устройствах. Компания ясно дала понять, что при проектировании А8 главным приоритетом была энергоэффективность, которая так важна для iPad Air 2 (имеющего меньшую батарею, чем у предшественника), чтобы оставить автономность устройства на прежнем уровне.
Mac mini и даже MacBook Air гораздо меньше скованы ограничениями энергоемкости и теплоотвода, что позволило бы Apple увеличить рабочие частоты процессоров, количество ядер или добавить в них другие аппаратные средства, снабдив большими объемами памяти и кэша.
Учитывая все эти обстоятельства, Apple может быть заинтересована даже в создании какого-нибудь нового специфичного Mac, работающего на ARM-процессоре, который по производительности будет не так далек от бюджетных настольных процессоров. Ведь сейчас ARM уже обходит мобильные чипы Intel x86.
До перехода на процессоры Intel, Apple производила около 4 миллионов Маков в год. На данный момент ежегодные объемы производства Mac составляют почти 20 миллионов, примерно такое же количество iPad компания продала за первых четыре квартала. Изначально Apple рассматривала возможность использования в iPad чипов Intel Atom, но отказалась от этой идеи в пользу ARM.
Создание собственной технологии кремниевых ИС
Исходя из того, что Apple использует оптимизацию чипов, применяемых в iOS-устройствах, можно предположить интерес компании также и в оптимизации процессоров для Mac. Она может убрать неиспользуемые наборы логики и внедрить дополнительные, чтобы реализовать на аппаратном уровне шифрование, обработку аудио или декодирование видео.
Использование единой архитектуры в Маках и iOS-устройствах может значительно упростить применение аппаратных и программных средств, а также перенос API и другого ПО между системами.
Более того, при разработке проприетарных технологий, используемых только в Ах-процессорах, все инвестиции Apple останутся внутри компании и принесут прибыль исключительно ей. Сейчас же, покупая процессоры у Intel, Apple косвенно делает вклад в развитие всей ПК-индустрии. Intel создает новые поколения процессоров, которые доступны для всех, а расходы на их разработку снижаются за счет объемов производства, обеспечиваемых Apple.
Учитывая не самые впечатляющие успехи Intel в мотивации ПК-производителей к созданию ультрабуков, клонов Mac mini и планшетов на Android Atom, потеря такого клиента как Apple будет иметь катастрофические последствия не только для Intel, но и для всех, кто использует процессоры на архитектуре х86.
Что удерживает Apple от перехода на ARM
Аpple сделала шаг в сторону Intel по разумным причинам. В 2006-м у неё не было серьезной команды для разработки чипов, а также достаточного капитала для развития собственной технологии их создания. Intel уже сделала эту работу и покупка готового решения не только имела смысл, но и была лучшим из тех немногих вариантов, доступных Apple на то время.
Несмотря на то что сейчас Apple является одним из ведущих производителей мобильных процессоров и имеет 150-миллиардный капитал, позволяющий реализовать самые амбициозные проекты, использование чипов Intel все еще имеет смысл по ряду причин.
Существующие технологии и возможности Intel
На сегодняшний день Intel владеет ведущей в мире технологией по изготовлению процессоров и имеет потрясающие производственные возможности, соответствующие запросам Apple. Оставаясь клиентом Intel, Apple получает не только их, но и будущие разработки производителя чипов, в которые он инвестирует средства, чтобы оставаться самым передовым производителем процессоров в мире.
Крупные заказы дают Apple приоритеты выбора чипов, а также скидки за счет больших объемов. Прибыль компании, которую она получает с каждого проданного Мака просто недостижима для ПК-производителей, даже с учетом немалой стоимости процессоров Intel.
Для Apple не существует полумер, на которые могут пойти другие производители, она выбирает только самые передовые технологии. Компания покупает лучшие LCD-панели, использует лицензированный шрифт Helvetica. В то время как Microsoft и Google применяют низкокачественные дисплеи, копии Helvetica, а также не используют в своих продуктах сканеры отпечатков пальца, по причине их высокой стоимости.
Потеря AMD как поставщика
Уйдя от Intel, Apple может потерять потенциального поставщика х86 совместимых видеочипов AMD.
Сейчас компания закупает GPU как у AMD, так и у Nvidia, выбирая лучшие из доступных решений в зависимости от новых технологий и цены. Благодаря OpenGL смена вендора видеочипов не вызывает сложностей.
Apple не играла на руку AMD в их противостоянии с Intel, но теоретически могла бы - в случае если Intel допустит ошибку и AMD удастся создать более доступный и превосходящий конкурента процессор, способный выполнять х86-код на Маках. Уход Apple от Intel к ARM-процессорам исключит даже эту теоретическую возможность сменить чипы Intel на более дешевые AMD.
Сомнительная экономия при частичном переходе на ARM
Apple сейчас не сможет заменить Intel-процессоры на ARM во всей линейке Маков, особенно в топовых семействах и модификациях MacBook Pro и Mac Pro, а ведь это именно тот сегмент, с которого компания получает большую часть своей прибыли и благодаря минимальной конкуренции сохраняет лояльность сообщества.
Если Apple выпустит всего одну новую модель Mac, работающую на архитектуре ARM, это уменьшит ее зависимость от Intel, но также и увеличит затраты на покупку процессоров для х86-Маков за счет уменьшения объемов. Таким образом, частичный переход на ARM ничего не даст Apple в плане экономии.
Сам факт создания ARM-Мака не гарантирует его популярности. Microsoft уже делала попытку портировать Windows на ARM, но привлечения новой аудитории это не дало. Два года были потрачены впустую, если не считать результатом ухудшение отношений с Intel. Процессорный гигант отреагировал анонсом поддержки Android и Meego/Tizen, потратив миллиарды долларов, субсидированных производителями планшетов, на внедрение Atom, которое было направлено на ту же цель, что и у Microsoft с ее Surface RT - значительное расширение рынка.
Разумеется, Microsoft не собиралась экономить и основной причиной использования ARM было стремление к увеличению энергоэффективности по сравнению с настольными и мобильными альтернативами от Intel. Но эти прекрасные начинания были на корню зарублены суровой реальностью - существующие Windows-приложения не могли работать на архитектуре ARM.
У Apple есть большой опыт в переносе ПО на новые архитектуры. Компания доказала, что может одновременно поддерживать различные аппаратные платформы, но несмотря на это, всегда старалась завершать такие переходы быстро, чтобы привести всё к единому стандарту и избежать проблемы фрагментации аппаратных средств.
Большие риски
В довершение к финансовой стороне вопроса, разработка ARM-чипов для Mac может вызвать дополнительные проблемы, например, осложнения и замедление развития мобильных процессоров, использующихся в iPhone, iPad и других новых продуктах.
Продажи мобильных устройств Apple составляют большую часть ее прибыли. За прошлый год компания продала 244 миллиона iOS-устройств и всего лишь 18,9 миллиона Маков. Переход на ARM-архитектуру неизбежно вызовет изменение приоритетов развития мобильного сегмента и теоретически может позволить конкурентам выбиться в лидеры. Вряд ли у Apple есть сотни свободных инженеров, сидящих без дела, чтобы распылять усилия команды разработки ARM-чипов на два различных направления.
Отдаляясь от ключевого поставщика, Apple также может смутить существующих клиентов и рискует бросить тень на свое имя. Когда Microsoft представила Surface RT, она потеряла доверие клиентов, поскольку «бескомпромиссный Windows-компьютер» фактически не мог запускать приложения Windows и имел ограничения, связанные с производительностью ARM-процессоров. У потенциальных покупателей ARM-Маков будут еще большие запросы и ожидания от нового продукта Apple.
Несовместимость с архитектурой х86
У Apple есть большой опыт в портировании собственных ОС, фреймворков, приложений и инструментов разработки на новые архитектуры. Компания перенесла Mac OS с 68к на PowerPC, портировала ПО NeXT с Intel на PowerPC, да и iOS, по сути, является адаптированной под мобильные реалии OS X.
Apple определенно знает, как создать ARM-версию OS X и при необходимости сможет предоставить разработчикам инструменты, которые помогли бы им пересобрать свои приложения для Маков на архитектуре ARM, но для этого потребуется много труда и значительные усилия от самих разработчиков. Затраты и издержки, связанные с созданием портов приложений, могут не оправдать ожиданий, особенно если Apple будет продавать в год менее 20 миллионов Маков.
Опыт Apple TV
Как и Surface RT, Apple TV можно рассматривать в качестве недавнего примера смены архитектуры. Оригинальная версия Apple TV, продававшаяся с 2007-го по 2009-й, была фактически урезанным Маком с х86-процессором Intel и графикой от Nvidia, работающим на модифицированной версии OS X.
В 2010-м Apple представила второе поколение ТВ-приставки, работающее под управлением iOS на собственном процессоре A4, имевшем встроенную графику. Этот переход, который повлек за собой полный редизайн аппаратной архитектуры, позволил снизить цену продукта с 299 $ до 99 $.
Но Apple TV весьма специфический пример - приставка выпускается в относительно малых объемах и не приносит большой прибыли компании, к тому же в ней нет сторонних приложений, а значит и проблем с их адаптацией. Ее переход на iOS и ARM был достаточно простой задачей. С ценой в 300 $ у Apple TV просто не было шансов на рынке, но когда она снизилась до 99 $, приставка стала очень хорошо продаваться, принося Apple около миллиарда долларов в год (включая медиаконтент, увеличивающий ее продажи). В 2010-м у Apple появился источник отбракованных чипов А4 (а затем и А5), которые не годились для iPad, поэтому Apple TV стала идеальным кандидатом для перехода ARM-архитектуру.
Не стоит ждать ARM-MacBook в ближайшем будущем
Вопрос перехода традиционных Маков на ARM-архитектуру состоит не в том, сможет ли Apple заменить Intel, а скорее в том, будет ли это коммерчески выгодно.
Если Apple действительно решит представить сверхбюджетный MacBook Air «нетбучного формата», то ей проще будет отказаться от дорогих Core i5 чипов и создать недорогой продукт, работающий на iOS или урезанной версии OS X. Такой MacBook занял бы место рядом с Surface RT и «хромбуками» от HP и Samsung, работающими на ARM-чипах от Samsung.
Однако, на данный момент слишком мало убедительных доводов, которые бы доказывали, что Apple заинтересована в продаже ноутбуков с небольшой производительностью. Сейчас продается рекордное количество Маков в ценовой категории 900–3000 $, кроме того существует iPad, покрывающий более бюджетный диапазон от 200 до 800 долларов.
Несмотря на то что по итогам прошлого года продажи iPad снизились на 4%, нельзя сказать форм-фактор планшета теряет популярность и нуждается в замене. На самом деле, всё выглядит так, как будто Apple сделала из пользователей iPad потенциальных покупателей Mac, а это уже намного больший успех (и прибыли), чем мотивация пользователей Mac к покупке iPad.
И все же технологическая индустрия постоянно находится в движении и часто привычные устои рушатся новыми продуктами, которые стоят и делают меньше, чем существующие. Доказательством этого может служить iPhone, который умел значительно меньше, чем существующие на тот момент смартфоны, а также iPad и Apple TV, лишенные функций, которые были в предшествовавших им планшетах ТВ-приставках. Apple просто отсекла «нужные» фичи и создала тем самым новые, доступные и привлекательные категории продуктов.
Создавая Mac на базе ARM-процессора, Apple может сильно дискредитировать собственный бизнес премиальных компьютеров. Теоретически, компания могла бы создать недорогой MacBook, скажем, для сферы образования, но это слишком маленький рынок, который сейчас пресыщен «хромбуками» Google.
Через год или два обстоятельства могут измениться. Вполне возможно, что Apple достигнет точки развития, когда премиальный бизнес Mac будет сложно расширять дальше. За это время компания может разработать технологию, которая позволила бы ей создать ARM-процессор вплотную приближающийся по производительности к Intel, но имеющий более низкую цену. Apple могла бы создать аппаратную поддержку эмуляции x86-приложений, минимизировав тем самым затраты и ускорив переход на ARM.
Пока у Intel не предвидится больших прорывов в развитии x86-процессоров, так что для Apple может быть более разумным инвестировать в разработку и развитие собственных современных ARM-чипов (или даже совершенно новой архитектуры) для настольных компьютеров и ноутбуков.
В целом создается впечатление, что рынок традиционных компьютеров и ноутбуков остановился в развитии. Apple расширяет свою долю среди компьютеров премиального уровня и у нее есть все шансы, развить эту тенденцию не внося радикальных изменений в Маки. Компания может использовать свои огромные, но все-таки ограниченные ресурсы для более выгодного вложения, чем замещение Intel как поставщика процессоров для нескольких миллионов Маков. По крайней мере, в течение следующих нескольких лет.
Apple хочет ускорить разработку собственных полупроводников, чтобы ещё больше обогнать своих конкурентов. Компания планирует изготавливать ARM-процессоры для ноутбуков Mac, собственные модемы для iPhone и многое другое.
В пятницу японское издание Nikkei опубликовало информацию, полученную от аналитиков, о том, что Apple планирует расширить производство полупроводников. Если говорить конкретнее, Тим Кук с руководством компании заинтересованы в «производстве ядерных процессоров для ноутбуков, чип-модемов для телефонов и процессоров, отвечающих за сенсорные дисплеи и сканеры отпечатка пальца».
Apple уже наняла инженеров из Тайваньской компании Novatek, лидирующей в производстве процессоров, а также компании по производству панелей AU Optronics.
Пока что модем-чипы компания закупает у Intel и Qualcomm, но аналитик Марк Ли считает, что «Apple делает инвестиции в исследования и разработку модем-чипов, отвечающих за мобильную связь».
Выдержка из статьи:
Ветеран чип-индустрии считает, что для работы над столь масштабным проектом понадобится более тысячи инженеров.
Ранее в этом году вице-президент Qualcomm Есин Терзиоглу возглавил проект Apple по производству чипов. Мы не удивимся, если Apple разработает собственный чип-модем, учитывая, что Samsung тоже использует свой модем Exynos.
Источники также сообщили, что Apple пытается меньше зависеть от Intel в производстве процессоров для ноутбуков и начать производить свои на основе ARM.
Конечно же, Apple годами разрабатывает свои собственные процессоры.
Компания создала процессоры для iPhone, iPad и Apple Watch, чип для беспроводных AirPods и сканер . Они массово производятся на сторонних предприятиях Samsung и TSMC. По словам источников, компания не планирует ограничивать производство своих продуктов территорией только собственных предприятий.
Исследовательская фирма IC Insights поставила Apple на четвёртое место в мировом рейтинге по производству собственных процессоров. Компанию опередили только Qualcomm, Broadcom и MediaTek.
Вот что думает аналитик Ширли Цай: «Не важно, Apple вы или Google, в эру искусственного интеллекта вам придётся разрабатывать собственные алгоритмы и технологии, создавать приложения и выстраивать экосистемы с максимально большим числом партнёров».
Apple показала, чего можно добиться, создавая передовые процессоры и операционные системы. Это ещё раз доказывает процессор A11 Bionic в новых моделях iPhone.
Процессоры серии A позволили Apple обогнать своих конкурентов. Устройства Android требуют больше оперативной памяти и ядер, чтобы соответствовать работе iOS, а в эру искусственного интеллекта это станет ещё важнее.
Apple уже движется в этом направлении: нейронный движок в процессоре A11 Bionic – первый двухъядерный центральный процессор, оптимизированный под алгоритмы машинного обучения.
Тот факт, что Apple разработает свои процессоры для ноутбуков, очевиден, но когда это произойдёт? Пока что точно сказать нельзя. Но вот процессор A11 Bionic результатами тестов доказал, что Apple способна создать мощный процессор и для ноутбука.
Процессор, созданный на основе ARM, позволил бы производить ещё более тонкие ноутбуки с более мощными батареями. На момент написания статьи Apple предлагает 200 должностей, связанных с производством процессоров.
Почему iPhone 7 работает быстрее Samsung Galaxy S7, а iPhone 8 - быстрее Galaxy S8? Дело тут в различной идеологии операционных систем, а кроме того, одним из основных преимуществ Apple были и остаются уникальные системы на кристалле. Процессоры A10 и A11 заметно обгоняют в бенчмарках аналогичные предложения от Qualcomm в лице Snapdragon 820/821 и Snapdragon 835 соответственно. Почему так происходит? В чем заключается «магия Apple»? Оставив за бортом аргументы в стиле «Андроид лудше!», попробуем разобраться в причинах, которые привели к превосходству мобильных процессоров Apple над предложениями Qualcomm.
Фактор первый: так сложилось
Вспомним 2013 год. В арсенале Qualcomm - весьма удачные чипы Snapdragon 800, основанные на 32-разрядных ядрах Krait 400 собственной разработки. На этом чипе (и его последователе, Snapdragon 801) были выпущены десятки, если не сотни самых разнообразных моделей. На момент анонса у топового чипсета Qualcomm просто не было альтернатив: основанные на ядрах ARM Cortex A15 решения были прожорливы до чрезвычайности и не могли составить конкуренцию четырем кастомным ядрам Krait. Вроде бы все хорошо, Qualcomm - царь горы, достаточно продолжать развивать удачную архитектуру. Казалось бы, что может пойти не так?
Но - по порядку. В 2011 году компания ARM Holdings анонсировала архитектуру ARMv8, использование которой открывало многочисленные возможности ускорения части специальных видов вычислений - например, потокового шифрования, которое (забегу вперед) сегодня используется практически во всех смартфонах. Первыми мобильными ядрами данной архитектуры стали Cortex A53 и A57, анонсированные холдингом ARM в 2012 году. В то же время в ARM прогнозировали выход готовых процессоров на новых ядрах лишь на 2014 год. Вот только Apple, обладатели архитектурной лицензии ARM, успели первыми - почти на год раньше конкурентов.
Итак, в ноябре 2013-го Apple выпускает iPhone 5s. Помимо датчика отпечатков пальцев и встроенной системы безопасности Secure Enclave, новый iPhone впервые на рынке оснащается 64-разрядным процессором Apple A7 ARMv8. Новый процессор показывает чудеса производительности в Geekbench: результат двухъядерного процессора в однопоточных вычислениях в полтора раза превосходит результаты ядер Krait 400, в многопоточных наблюдается паритет.
Расширенный набор команд ARMv8 пришелся как нельзя более кстати: именно в iPhone 5s Apple встроила аппаратную систему безопасности Secure Enclave, которая отвечает в том числе и за шифрование данных. С точки зрения Apple выбор 64-разрядной архитектуры был вполне логичен: только в ядрах с поддержкой ARMv8 появились инструкции для ускорения потокового шифрования, которое на тот момент использовалось Apple уже довольно давно. В дальнейшем использование новых ядер позволило Apple добиться беспрецедентных скоростей доступа к зашифрованным данным - выпущенный на год позже Nexus 6, основанный на 32-разрядном Qualcomm Snapdragon 805 (ARMv7), показывал ужасающую производительность потокового крипто: доступ к зашифрованным данным осуществлялся в 3–5 раз медленнее, чем к незашифрованным.
Поначалу 64-разрядная архитектура в смартфонах воспринималась обывателями - да и многими экспертами - как чистейшей воды маркетинг. Так считали пользователи, и так говорили руководители Qualcomm - по крайней мере, в своих официальных выступлениях.
В 2014 году выходит iPhone 6, оснащенный процессором A8, также работающим с системой команд ARMv8. Чем отвечает Qualcomm? Небольшим обновлением: на рынке доминируют смартфоны, работающие на Snapdragon 801 (32 бита, ARMv7). Также выходит Snapdragon 805, использующий те же ядра Krait 400, но с более мощным GPU. Процессоры Apple оказываются быстрее аналогов от Qualcomm как в однопоточных, так и в многопоточных вычислениях, а в специфических применениях - например, в реализации поточного шифрования - обходят решения конкурентов просто в разы. Qualcomm усиленно делает вид, что ничего необычного не происходит, но производители, наступая на горло, требуют конкурентоспособную SoC. Qualcomm ничего не остается, как включиться в гонку.
В 2015 году Apple выпускает iPhone 6s и A8, Qualcomm - чип Snapdragon 810 и его урезанную версию Snapdragon 808. Эти процессоры явились ответом Qualcomm на требования партнеров. Однако отсутствие опыта разработки 64-разрядных чипов сыграло с компанией злую шутку: оба процессора оказались чрезвычайно неудачными. С первых же дней процессоры проявили склонность к чрезмерному энергопотреблению, перегреву и тротлингу, в результате которого их устоявшаяся производительность через несколько минут работы мало отличалась от производительности Snapdragon 801.
Какой же из всего этого можно сделать вывод? Вывод один: Apple застала индустрию врасплох, использовав ядра с новой архитектурой тогда и там, где, казалось бы, в этом нет никакой необходимости. В результате Qualcomm оказалась в роли догоняющей, а Apple получила фору в полтора года. Почему так произошло?
Здесь нужно рассмотреть особенности цикла разработки мобильных процессоров.
Фактор второй: разница в циклах разработки
Итак, мы выяснили, что Apple удалось вырваться вперед, на полтора года опередив конкурентов. Как такое могло случиться? Причина в разнице в циклах разработки у Apple и производителей смартфонов под управлением Android.
Как известно, Apple полностью контролирует разработку и производство iPhone, начиная с самого низкого уровня - проектирования процессора. И если графические ядра до недавнего времени Apple лицензировала у Imagination Technologies, то процессорные ядра компания предпочитала разрабатывать самостоятельно.
Как выглядит цикл разработки у Apple? На основе архитектурной лицензии ARM проектируется процессор, совместимый с заданной системой команд (ARMv8). Одновременно разрабатывается смартфон, в котором будет использоваться данный процессор. Параллельно для него создаются все необходимые драйверы, ОС, производится оптимизация. Все происходит в рамках одной компании; у разработчиков ОС нет никаких проблем с получением доступа к исходным кодам драйверов, а разработчики драйверов, в свою очередь, имеют возможность общаться с людьми, проектировавшими процессор.
Производственный цикл устройств на Android выглядит совершенно иначе.
В первую очередь в игру вступает ARM, разработчик одноименных систем команд и процессорных архитектур. Именно ARM проектирует референсные процессорные ядра. Так, в далеком 2012 году были анонсированы ядра ARM Cortex A53, на которых основано подавляющее большинство смартфонов, выпущенных в 2015, 2016 и 2017 годах.
Минуточку! 2012? Именно так: 64-разрядные ядра A53 были анонсированы в октябре 2012 года. Но архитектура ядра - это одно, а реальные процессоры - совсем другое: ARM Holdings их просто не выпускает, предлагая партнерам референсные дизайны, но не поставляя на рынок сами SoC. Прежде чем на рынке появится смартфон, основанный на той или иной архитектуре, кто-то должен разработать и выпустить готовую систему на кристалле, SoC.
Несмотря на публичные выступления собственных представителей, в 2013 году в Qualcomm усиленно работали над выпуском 64-битного процессора. На разработку собственного ядра времени не оставалось; пришлось брать что дают. Давали - архитектуру big.LITTLE, куда на тот момент входили «малые» ядра Cortex A53 (удачные) и «большие» ядра A57 (довольно спорные с точки зрения энергоэффективности и тротлинга).
Первые процессоры Qualcomm, основанные на этих ядрах, были анонсированы в 2014 году. Но ведь процессор - это еще не все! Как минимум нужен еще корпус, экран… Все это выпускают OEM-производители, которые, собственно говоря, и занимаются разработкой и производством смартфонов. А это тоже время, и время немалое.
Наконец, операционная система. Для того чтобы «завести» Android на устройстве, необходим набор драйверов для нового чипсета. Драйверы разрабатывает разработчик чипсета (например, Qualcomm), предоставляя их производителям смартфонов для интеграции. На то, чтобы разобраться и интегрировать драйверы, у производителя также уходит определенное время.
Но и это еще не конец! Уже готовый смартфон с работающей версией Android необходимо еще и сертифицировать в одной из лабораторий Google на предмет совместимости и соответствия Android Compatibility Definition. Это - тоже время, которого и без того катастрофически мало.
Иными словами, в том, что смартфоны на Snapdragon 808/810 мы увидели лишь в 2015 году, нет совершенно ничего удивительного. Первые флагманские чипы Qualcomm, основанные на 64-разрядной архитектуре, отстали от SoC Apple на полтора года. Это исторический факт, и это - реальное преимущество Apple.
В 2015 году длительный цикл разработки и требования партнеров сыграли с Qualcomm злую шутку: первый блин оказался комом. Впрочем, компании удалось реабилитироваться с выходом Snapdragon 820. Но не было ли слишком поздно?
Фактор третий: вопрос размера
Рассмотрим таблицу, в которой сравниваются два последних поколения процессоров Apple и Qualcomm.
Что мы видим из этой таблицы? Легко заметить, что производительность в расчете на одно ядро в процессорах Apple в два с лишним раза превосходит решения Qualcomm, да и многопоточная производительность актуальных поколений процессоров отличается практически в полтора раза. Почему так получается? Ответ можно попробовать найти в следующей табличке.
Если отбросить пару процессоров A10 Fusion / Snapdragon 820, в которых используются разные технологические процессы, можно сравнить площадь чипов A11 Bionic и Snapdragon 835. Площадь поверхности чипа от Apple в 1,2 раза превышает площадь решения Qualcomm. Что это означает на практике? Возможность использовать больше транзисторов, более продвинутую архитектуру ядер. В частности, исследователи обнаружили, что в A11 Bionic «слабые» процессорные ядра в несколько раз крупнее малых ядер A53 (простите - Kryo 280), использующихся в Snapdragon 835. Это означает, что даже «малые» ядра A11 Bionic поддерживают внеочередное исполнение команд, что позволяет получить большую производительность на такт в сравнении с прямолинейными ядрами А53.
Площадь процессора напрямую влияет на его цену. Чем больше площадь (при использовании одного техпроцесса), тем выше себестоимость. Что подводит нас к очередному фактору: стоимости процессора для производителя.
Фактор четвертый: вопрос цены
Согласно отчету Android Authority площадь процессорных ядер Apple A10 Fusion вдвое превышает площадь ядер ближайшего конкурента, Snapdragon 820.
«Преимущество Apple в том, что компания может себе позволить потратить деньги на увеличение площади процессора, построенного по последней 16-нанометровой технологии FinFET… Несколько лишних долларов не сыграют большой роли в конечной стоимости устройства - а ведь Apple сможет продать значительно больше 600-долларовых устройств благодаря настолько большой производительности», - пишет Линли Гвеннап, директор The Linley Group.
Действительно, лишние пять-шесть долларов не сыграют большой роли в конечной стоимости iPhone - это доли, в худшем случае единицы процентов его стоимости для потребителя. Но если эти пять-шесть долларов способны удвоить производительность устройства по сравнению с конкурентами на Android - это прекрасный аргумент в пользу Apple.
Почему так не выходит у Qualcomm? В цепочке разработки процессоров для устройств под Android слишком много заинтересованных лиц. Это и ARM, которая разрабатывает и лицензирует процессорные ядра, и Qualcomm, которая проектирует готовые процессоры по лицензии, и производители смартфонов с Android. У OEM-производителей, вынужденных конкурировать между собой ценами, на счету каждый доллар. Производители хотят как можно более дешевых SoC (поэтому, кстати, до сих пор так популярны решения, построенные на архаичных слабых ядрах A53), и Qualcomm приходится с этим считаться. Но и Qualcomm, и ARM хотят откусить кусок пирога, получив свою долю прибыли, - так что себестоимость решения, аналогичного процессорам Apple, вышла бы даже более высокой, чем у Apple. В результате OEM-производители не смогли бы себе позволить массовых закупок таких процессоров, что еще увеличило бы их стоимость. (Кстати, именно это случилось с процессором MTK Helio X30 - он не пользовался спросом, и на его основе выпустили лишь два смартфона.)
Конечно, здесь можно аргументировать, что у Samsung и Huawei есть собственные линейки процессоров - Exynos и Kirin соответственно. Но у Huawei нет своих разработок, в компании берут готовые ядра ARM Cortex и готовые же графические ускорители ARM Mali, собирая «собственные» процессоры на их основе. Понятно, что вычислительные ядра этих процессоров не могут быть мощнее тех, что предлагает ARM. В Samsung же пробуют идти путем Apple, выпуская собственные кастомизированные ядра - производительность которых, впрочем, недалеко уходит от обычных «стоковых» ядер ARM.
Фактор пятый: вопрос контроля
В прошлом году в Apple сделали интересную вещь: волевым решением убрали поддержку 32-разрядных приложений из iOS 11. Так уж совпало, что именно на этой версии ОС вышла новая линейка iPhone: 8, 8 Plus и X. Что это означает с точки зрения производительности?
Возможность взять и отказаться от поддержки 32-разрядных команд дает очень и очень многое. Упрощаются блоки декодирования и исполнения, уменьшается требуемое число транзисторов. Куда идет эта экономия? Ее можно потратить на уменьшение площади процессора (что напрямую транслируется в сниженную себестоимость и уменьшенное энергопотребление), а можно при неизменной площади и энергопотреблении добавить транзисторов в другие блоки, увеличив тем самым производительность. Скорее всего, именно по второму сценарию развивались события и процессор A11 Bionic получил дополнительные 10–15% производительности именно за счет отказа от поддержки 32-разрядного кода.
Возможно ли подобное в мире Android? Да, возможно, но не полностью и очень нескоро. Лишь с августа 2019 года вступают в силу требования к разработчикам, которые должны будут при добавлении или обновлении приложений в Google Play Store в обязательном порядке включать 64-битные версии двоичных библиотек. (Отметим здесь, что далеко не все - и даже не большинство! - приложения Android вообще используют какие-либо двоичные библиотеки, зачастую довольствуясь динамически транслируемым байт-кодом.) Напомним, Apple ввела аналогичное требование в феврале 2015 года - опять преимущество во времени, на сей раз в четыре с половиной года.
Фактор шестой: оптимизация и использование доступных ресурсов
Оптимизация - важнейшая составляющая производительности. Традиционно у Apple с оптимизацией все было или идеально, или образцово (пользователи, которые жалуются на упавшую производительность старых устройств, обновившихся до последней версии iOS, просто не понимают, какой ад был бы на таком слабом железе, если бы на нем запустили Android). А вот у Android с оптимизацией все… пестро. Разнообразно. Можно сказать - феерично.
Чаще всего достаточно быстро на свежем железе работают чистые сборки Android - такие, что используются в смартфонах Google Nexus и Pixel, устройствах Motorola и Nokia. Но даже и здесь не все хорошо: например, в смартфоне Google (Motorola) Nexus 6 были совершенно потрясающие воображение проблемы со скоростью доступа к накопителю, возникшие из-за безграмотной реализации шифрования (разработчики Google не справились с аппаратным ускорителем криптографических операций процессора Snapdragon 805, после чего заявили, что «программная реализация лучше»). Вот в этой статье мы подробно проанализировали скорость чтения и записи зашифрованных данных смартфоном Nexus 6, сравнив ее со скоростью аналогичных операций в iPhone 5s. Вот цифры:
- Nexus 6, последовательное чтение, незашифрованные данные: 131,65 Мбайт/с;
- Nexus 6, последовательное чтение, зашифрованные данные: 25,17 Мбайт/с (39 Мбайт/с в обновлении до Android 7);
- iPhone 5s, последовательное чтение, зашифрованные данные: 183 Мбайт/с.
Впечатляет? При похожих аппаратных характеристиках разработчики Google (Google, а не криворуких OEM!) умудрились в референсном устройстве, которое должно было продвигать безопасное шифрование в массы, сделать такой вот ляп. Будешь ли ты удивлен, узнав, что и у других производителей с оптимизацией могут возникать проблемы? И они возникают. Так, оснащенный по максимуму HTC U Ultra (Snapdragon 821) умудряется подтормаживать и перегреваться при самых рутинных операциях; такое впечатление, что процессор выполняет как минимум вдвое больше вычислений, чем должен. Ну а о смартфонах Samsung, которые ухитряются подтормаживать по мелочам даже на самом мощном доступном железе, даже и говорить подробно не стоит.
Фактор седьмой: разрешение экрана
Есть и еще один момент, который стоит упомянуть. Это - разрешение дисплея. Как известно, стандартные модели iPhone оснащаются экранами с разрешением HD, модели Plus - Full HD. Производители же смартфонов под управлением Android, использующие флагманские чипсеты Qualcomm, стараются устанавливать экраны с разрешением QHD - 2560 × 1440. Ну, как самый минимум - Full HD, но такое во флагманских смартфонах встречается, увы, нечасто.
Почему «увы»? Потому что разрешения выше Full HD на экранах с IPS-матрицей диагональю до 5,7″ включительно более чем достаточно. Для AMOLED-экранов, у которых, во-первых, структура субпикселей PenTile, а во-вторых, может быть поддержка очков виртуальной реальности Google VR (кстати, а какому проценту пользователей она реально пригодилась?), оправданность QHD-разрешения еще можно как-то аргументировать.
Несколько в стороне стоит iPhone X с разрешением 2436 × 1125 - впрочем, это, по сути, мало отличается от Full HD. Для сравнения: разрешение экрана Samsung Galaxy S8 - 2960 × 1440, то есть в полтора раза больше пикселей, чем в iPhone X.
А теперь представь, что мы сравниваем производительность iPhone 8 с его разрешением HD и какую-нибудь Nokia 8 с QHD. Представил? Nokia приходится обрабатывать почти в четыре раза больше пикселей, чем iPhone, что не может не сказаться на энергопотреблении и на производительности (как минимум в тех тестах, которые используют вывод на экран). Я сейчас ни в коей мере не оправдываю старенькие экраны, которые Apple с маниакальным упорством продолжает устанавливать в устройства стоимостью под тысячу долларов, а просто заостряю внимание на том, что производительность и энергоэффективность устройств с экранами низкого разрешения даже при прочих равных будет выше, чем у смартфонов с экранами QHD.
Что-то такое заподозрили и производители. Так, Sony Xperia Z5 Premium, экран которого (кстати, IPS, бесполезный для целей VR) имеет физическое разрешение 4K (на самом деле нет, даже здесь маркетологи обманули), но логическое - «всего лишь» Full HD, что позволило производителю и потребителя обмануть, и не слишком сильно убить производительность. Похожим образом поступили и в Samsung, разрешив использовать пониженное логическое разрешение на экранах с высокой плотностью точек. Очевидно, интересы маркетологов идут вразрез с интересами как пользователей этих устройств, так и собственных разработчиков компании.
Вместо заключения: нужны ли нашему телефону 64 бита?
Так ли нужны 64-разрядные процессоры в мобильных устройствах? Ведь у 32-разрядных вычислительных ядер есть свои преимущества. Такие процессоры могут работать быстрее 64-разрядных из-за меньшей длины инструкций вследствие меньшей длины адреса, и, как результат, они менее требовательны к объему оперативной памяти; в них можно реализовать более короткую очередь команд, что также может дать выигрыш в производительности в определенных сценариях.
Некоторые из этих преимуществ так и останутся теоретическими, но в ряде современных сценариев использования без поддержки команд ARMv8 уже не обойтись. Это и потоковое шифрование, и склейка HDR в режиме реального времени, и многие другие малозаметные вещи. Как бы там ни было, производители процессоров перешли на 64-разрядные ядра с поддержкой ARMv8, и это свершившийся факт.
Вот только производители смартфонов не спешат переходить на 64-битные сборки операционных систем.
Так, в природе не существует ни одного смартфона под управлением Windows 10 Mobile, в котором операционная система работала бы в 64-разрядном режиме. И Lumia 950 (Snapdragon 808), и Lumia 950 XL (Snapdragon 810), и даже относительно свежий Alcatel Idol 4 Pro (Snapdragon 820) работают под управлением 32-битной сборки Windows 10 Mobile.
Не отстают и производители телефонов с Android. К примеру, у Lenovo, выпускающей смартфоны под маркой Motorola, есть всего два устройства с «правильным» 64-разрядным Android: это флагманы линейки Moto Z (обычная версия и разновидность Force) и Moto Z2 Force. Все остальные устройства - и бюджетный Moto G5 на Snapdragon 430, и свежий субфлагман Moto Z2 Play на Snapdragon 626 - работают в 32-битном режиме.
Ряд устройств других производителей (например, BQ Aquaris X5 Plus) использует мощный Snapdragon 652 в 32-разрядном режиме. Нужно ли говорить, что такие устройства не выжимают максимума из доступных аппаратных возможностей?
С другой стороны, не все идеально и у Apple. Даже 64-разрядные приложения, скомпилированные в нативный код, из-за требований обратной совместимости вынуждены ограничиваться набором команд, доступным в самых ранних процессорах компании - Apple A7 образца 2013 года. А вот у компилятора байт-кода ART, который используется в Android с 5-й версии, таких проблем нет: байт-код приложений компилируется в оптимизированный нативный код, использующий все доступные на текущем железе инструкции.
Впрочем, будем жить с тем, что есть. За максимальной производительностью процессорных ядер и гарантированной оптимизацией - к Apple. То же самое, только в полтора-два раза похуже и во столько же раз дешевле, - к сонму производителей трубок на Android.
