Чем "думает" современный сма­ртфон? Samsung Exynos 990 и его возможности

Без этого компонента невозможен ни один смартфон, и именно от него зависит, будут ли аппарату по зубам задачи вроде запуска современных игр или профессиональной съемки. Разбираем на примере Samsung Exynos 990, как устроен и на что способен современный мобильный процессор.

"А у вас какой мозг?"

Одни различия между хорошими и плохими смартфонами заметны сразу — например, невысокая яркость, тусклые цвета и "лесенка" на мелком шрифте выдают низкокачественный экран, а неустранимый "декор" из отпечатков пальцев на корпусе — дешевый пластик. С тем, что внутри, сложнее. Среди электронных компонентов смартфона много незаменимых, но главный, пожалуй, один — система-на-чипе. Она же "процессор" или просто "чип".

К такому сравнению будут претензии и у компьютерщиков, и у биологов, но точнее вряд ли скажешь — по функциям процессор в смартфоне аналогичен мозгу. Как состояние и "прокачанность" мозга определяют возможности его носителя, так "мозг" смартфона диктует, что устройству по зубам, а что — нет. Получится ли четким и контрастным видео, на котором ваш ребенок делает первые шаги, можно ли будет с комфортом поиграть в новую игру, как быстро во время игры разрядится батарея и надежно ли защищена от посторонних информация на устройстве — все это и многое другое определяет процессор.

Наша жизнь и возможности все сильнее зависят от мобильных устройств, а их возможности, в свою очередь — от системы-на-чипе. Эта статья должна помочь разобраться, как устроен современный мобильный процессор и какие компоненты играют в нем главную роль. А в качестве примера возьмем чип, используемый в популярных на рынке флагманских смартфонах — устройствах Samsung линеек Galaxy S20 и Galaxy Note20 — Samsung Exynos 990.

Собственно, процессор

Главное в мобильном процессоре (по крайней мере, пока) — это… процессор. То есть тот компонент системы-на-чипе, который аналогичен центральному процессору в ноутбуке или настольном ПК и отвечает за любые неспециализированные вычисления. Погасить экран по нажатию боковой кнопки, запустить программу, сделать фото, отправить сообщение — чтобы это произошло, разные элементы смартфона должны обменяться сигналами и данными. Координирует этот процесс операционная система, а процессор выступает "двигателем", выполняющим все необходимые вычисления.

Десять лет назад в первом смартфоне Samsung Galaxy S со всем справлялся простой чип с одним единственным вычислительным ядром. Потом стало ясно, что ядер должно быть несколько, чтобы смартфон мог, когда не требуется максимальная производительность, работать вполсилы, экономя заряд батареи, но при необходимости разгонялся на полную, не допуская задержек и подвисаний.

В дальнейшем идею развили — появились разные ядра для разных задач, а внутри процессора их стали объединять в группы (кластеры) для максимально эффективного распределения нагрузки. В чем-то процессор стал еще больше походить на мозг, в котором разные отделы, а внутри них — зоны и структуры, обладают каждая своей специализацией. Одни обрабатывают сенсорную информацию, другие — управляют поведением, третьи — следят, чтобы легкие продолжали дышать, а сердце — биться.

Samsung Exynos 990 — архитектура и спецификации

Например, в процессоре Exynos 990 ядер восемь, а объединены они в три кластера. Нижнюю ступень иерархии занимают четыре компактных и энергоэффективных ядра ARM A55. На них возложены простейшие обязанности — вроде работы в режиме ожидания или вывода уведомлений. Ядра A55 при этом работают на достаточно высокой частоте, 2 ГГц — то есть за одну секунду каждое из них способно выполнить 2 млрд вычислений.

Для задач посложнее Exynos 990 задействует второй вычислительный кластер — это два средних по размерам и производительности ядра ARM A76. Частота у них повыше — 2,5 ГГц, но и энергии они потребляют больше. Наконец, когда смартфону приходится выкладываться по полной — в игре, при обработке видео в сверхвысоком разрешении или когда он превращается в аналог компьютера в режиме DeX — подключаются "большие" ядра, M5. И это особенная история.

Большинство мобильных процессоров, производимых в мире, использует архитектуру разработки британской компании ARM. Samsung, к примеру, предпочитает использовать в смартфонах компоненты собственного производства — от дисплеев и камер до памяти и систем-на-чипе. Делают это для того, чтобы, оптимизировав каждый компонент, добиться максимально эффективной работы всего устройства.

Поэтому инженеры компании разработали на основе флагманского решения ARM собственный вариант процессорного ядра. Ядро M5 работает на частоте до 2,73 ГГц, при этом производительность по сравнению с предыдущей версией смогли увеличить на 20%. В основном это произошло за счет оптимизированной архитектуры, позволяющей Exynos 990 выполнять больше инструкций за один цикл.

В итоге Exynos 990 стал одним из самых производительных мобильных процессоров современности — запаса мощности владельцам смартфонов с ним хватит не на один год. Он способен выполнять до 15 трлн операций в секунду, при этом работает с оперативной памятью нового стандарта LPDDR5 — она быстрее LPDDR4 примерно на треть. Благодаря этому приложения на смартфонах с Exynos 990 стартуют быстрее, а задержки при переключении между ними в режиме многозадачности сводятся практически к нулю.

Современный — значит специализированный

Но главный вычислительный модуль — это еще не вся система-на-чипе. Как в мозге живых существ в процессе эволюции постепенно возникли новые функциональные отделы, так и в мобильных процессорах предусмотрены несколько специализированных подсистем. Это тесно интегрированные в общую "упаковку" графический ускоритель, процессор обработки изображений и — самое свежее дополнение — нейропроцессор (NPU) для эффективных вычислений, связанных с алгоритмами искусственного интеллекта.

NPU у Exynos 990 уже двухъядерный, что позволяет делать нейросетевые вычисления быстрее и эффективнее. Когда они происходят прямо на устройстве, не требуя отправки данных на мощные компьютеры в "облаке", получается добиться огромного прироста производительности в ряде задач. Кроме того, выходят на новый уровень возможности смартфонов в самых разных областях — от виртуальной реальности до безопасности данных.

Именно нейропроцессор помогает работать без задержек и с максимальным качеством изображения программам с элементами дополненной реальности (AR), виртуальным помощникам и алгоритмам распознавания изображений. Но наиболее зримо его работа — в связке с процессором изображений (ISP), еще одним элементом системы-на-чипе — проявляется при фото- и видеосъемке.

NPU помогает смартфонам с чипом Exynos 990 точнее и быстрее определять тип сцены при съемке, после чего ISP устанавливает наиболее подходящие значения экспозиции и баланса белого, а при необходимости (например, при съемке против солнца или в других сценариях съемки с очень светлыми и очень темными участками) активирует режим HDR (расширенного динамического диапазона). Он гарантирует, что, например, на кадре хорошо получатся и небо, и лица людей — "увидев" их, нейропроцессор автоматически корректирует сцену в соответствии с условиями освещения и тоном кожи.

Современный процессор изображений в Exynos 990 поддерживает до 6 независимых фотомодулей в одном смартфоне (в том числе уникальную разработку Samsung для сверхдетализированных снимков — 108-мегапиксельный датчик в некоторых флагманских моделях). При этом с тремя фотомодулями он способен работать одновременно. Ну и, конечно, без поддержки сверхсовременного ISP в Exynos 990 самые продвинутые аппараты Samsung не смогли бы снимать видео в сверхвысоком разрешении 8K — а телевизоры, поддерживающие его, уже появились на рынке.

Еще один специализированный вычислительный модуль, без которого мобильные системы-на-чипе не могут обойтись — это графический ускоритель. Отрисовка картинки, тем более в трехмерных играх с высококачественной графикой — очень специфичная с точки зрения вычислений задача, с которой специально заточенный под нее чип справляется на порядок лучше, чем центральный процессор.

Современные мобильные игры могут запускаться практически на любых смартфонах, но четкость и детализация картинки в этом случае — не единственное, чем, возможно, придется пожертвовать, если графическая подсистема устройства окажется недостаточно производительной. Ведь чем чаще подвисает и чем реже обновляется картинка в игре, тем больше вероятность, что соперник — живой или виртуальный — получит преимущество.

В Exynos 990 применяется Mali-G77 MP11, обеспечивающий консольный уровень графики при высокой частоте обновления. А в оптимизированных играх — и сверхвысокой. Поясним: во флагманских устройствах последнего поколения Samsung впервые реализована возможность отображения картинки с двойной частотой кадров — 120 Гц вместо 60 Гц. Это позволяет работать более плавно и интерфейсу смартфона, и совместимым с этим режимом играм.

Выживает… умнейший

Один из важнейших для потребителя параметров в смартфоне — время "выживания" вдали от розетки и зарядного устройства — зависит от процессора не в меньшей степени, чем от объема аккумулятора. Законы физики неумолимы: чем больше трудится процессор, тем больше энергии он тратит. Поэтому одна из главнейших задач разработчиков систем-на-чипе — сделать так, чтобы при росте их возможностей энергопотребление оставалось на прежнем уровне, а желательно — и снижалось.

Главный путь к оптимизации — уменьшение размера транзисторов в чипе и расстояния между ними. Например, если это расстояние равно 12 нанометрам, говорят, что чип произведен по 12-нанометровому технологическому процессу. В Exynos 990 техпроцесс — 7-нанометровый. При этом Samsung может полностью проконтролировать все этапы "рождения" процессора — компания и его архитектуру модифицирует самостоятельно, и производит его на собственных фабриках, и смартфоны проектирует с учетом всех особенностей собственного "железа".

А еще систему-на-чипе можно заставить быть экономичнее, не теряя производительности, при помощи "умных" алгоритмов управления энергопотреблением. Они анализируют особенности использования смартфона владельцем и управляют системой так, чтобы она не расходовала энергию впустую. В современных смартфонах, в том числе флагманских устройствах Samsung, без этого никуда — и тут тоже помогает Exynos 990.

Нельзя не упомянуть и про безопасность — тут, как и в случае с энергоэффективностью, пользователю важно получить от своего устройства максимум. Многие заблуждаются, думая, что установка антивируса полностью защищает их смартфон. Она, конечно, не будет лишней, но защищать данные сегодня нужно как можно тщательней и на самом базовом уровне – на уровне смартфонного "железа".

В Exynos 990 реализованы сразу несколько усовершенствований в области безопасности. Это, во-первых, новый механизм шифрования содержимого памяти, включающий модуль защиты памяти второго уровня (S2MPU). Во-вторых — новый интегрированный элемент безопасности (iSE), который хранит и обрабатывает личные данные отдельно от среды ОС. Наконец, укрепить безопасность и ускорить процесс авторизации помогает физически неклонируемая функция (PUF) — на чипе, с учетом физических особенностей каждого конкретного кристалла, генерируется своего рода уникальный "цифровой отпечаток" устройства. Затем этот ключ, клонирование которого исключено физически, используется для защиты данных.

Больше, чем вы думали

Современный смартфон — уникальное устройство. Оно объединяет в себе функции полноценного компьютера (например, флагманы Samsung в режиме DeX могут заменять ПК при подключении монитора и клавиатуры), профессиональной фото- и видеокамеры, персонального ассистента и мобильной игровой приставки. И всеми этими умениями смартфон обязан главному компоненту — системе-на-чипе.

В случае с новейшими флагманами Samsung процессор Exynos 990 обеспечивает производительность с большим запасом на будущее, иммерсивный пользовательский опыт в играх и AR-приложениях, а также возможность пользователям самим создавать профессиональный контент — фото и видео максимального качества. При этом смартфон способен продержаться на одном заряде батареи до позднего вечера, а данные на нем надежно защищены самыми современными разработками в области "железной" безопасности.