:redface:ممنون از سر زدن به این تاپیک دوستان عزیز.
دنیای پردازنده ها به دلیل فناوری ساخت پیچیده و نقش انکار ناپذیر آن در بهبود کارآیی کامپیوتر، لپ تاپ، تبلت و گوشی های هوشمند، سبب افزایش توجه کاربران به اخبار این قطعه دوست داشتنی شده است. در سال 2013 شاهد افزایش سهم پردازنده های 64 بیتی در بازار بودیم و حتی پای آنها به دنیای تجهیزات همراه نیز کشیده شده است. این در حالی است که در سال 2014، اولین گوشی هوشمند مجهز به سیستم عامل اندروید، همراه با چیپ ست و پردازنده 64 بیتی روانه بازار می شود. سامسونگ با استفاده از چیپ ست اختصاصی خود از سری Exynos و همچنین کمپانی خوشنام Qualcomm با پردازنده های جدید سری ARM قصد دارند وارد جنگ 64 بیتی ها شوند. در پردازنده های جدید و به خصوص در تجهیزات همراه، به دلیل یکپارچه سازی واحد های مختلفی مانند کنترلر حافظه و پردازنده گرافیکی، با هر بار به روز رسانی خط تولید و ارائه محصولات جدید، شاهد حضور فناوری و امکانات جدیدی هستیم که در کنار خود سبب همگام شدن سایر قطعات و پیشرفت آنها به صورت موازی می شوند. در پردازنده های مخصوص سیستم-های دسکتاپ و نوت بوک، شاهد افزایش تعداد پورت های SATA و USB و همچنین پشتیبانی از آخرین نسخه از فناوری های بی سیم (مانند بلوتوث نسخه 4 و رابط بی سیم 802.11ac ) هستیم. یکی از مهم ترین پیشرفت های صورت گرفته در پردازنده های جدید اینتل و AMD در سال 2013، افزایش قدرت و کارآیی پردازنده مجتمع گرافیکی بوده که به عنوان مثال می توان به Intel HD 4600 اشاره کرد که از لحاظ کارآیی نسبت به نسل گذشته، بهبود قابل تحسینی را تجربه کردیم. در سال 2014 نیز پردازنده های AMD FX از خط تولید خارج و تمام تمرکز این کمپانی روی تولید APU-ها قرار خواهد گرفت. در کمپانی اینتل نیز قرار است اولین پردازنده هشت هسته ای دسکتاپ معرفی شود که به نظر می رسد باید در انتظار بهبود کارآیی بسیار خوبی نسبت به نسل گذشته باشیم.
برسی (cortex A57(Apple A7 CPU
A7 از لیتوگرافی 28 نانومتری HK+MG سامسونگ بهره میآ*برد. این بدین معناست که طراحی کلی تراشه توسط اپل و براساس معماری ARMv7 انجام شده، سپس طرحآ*ها در اختیار سامسونگ قرار گرفته تا نسبت به تولید A7 اقدام کند. پس در این بین سامسونگ تراشه A7 اپل را بدون هیچ دخالتی، تولید کرده است. پیش از این شایعه شده بود که A7 از فرایند ساخت 20 نانومتری بهره خواهد برد اما براساس اطلاعات بدست آمده، شرکت TSMC که شریک تجاری جدید اپل است و قرار است به مرور جایگزین سامسونگ شود، هنوز برای ساخت SoC با لیتوگرافی 20 نانومتری آماده نیست و به همین دلیل اپل از لیتوگرافی 28 نانومتری برای A7 بهره برده است و تولید آن را به سامسونگ واگذار کرده است.
لیتوگرافی 28 نانومتری برای A7 از نظر تئوری نسبت به لیتوگرافی 32 نانومتری، گرمای کمتری تولید میآ*کند و از نظر ابعاد نیز یک تراشه یکسان با لیتوگرافی 28 نانومتری، نزدیک به 76.5 درصد ابعاد همان تراشه با لیتوگرافی 32 نانومتری را دارد. البته این تخمین به صورت تئوری زده شده و در عمل نمیآ*توان همه چیز را به این خوبی کوچک کرد، بنابراین نتیجهآ*ی 80 تا 85 درصدی معقولآ*تر است.
اپل در کنفرانس معرفی iPhone 5s اعلام کرد که ابعاد تراشه A7 این شرکت 102 میلیآ*متر مربع بوده و در آن بیش از 1 میلیارد ترانزیستور جا شده است. اما آنها اطلاعات بیشتری در معماری داخلی A7 بیان نکردند و باید چند روز دیگری برای کسب اطلاعات بیشتر صبر کرد.
به هر حال براساس صحبتآ*های اپل در رابطه با تعداد 1 میلیارد ترانزیستور میآ*توان متوجه شد که A7 نزدیک به 2 برابر ترانزیستورهای A6 را در خود جای داده است. این بدین معناست که لیتوگرافی 28 نانومتری و احتمالاً معماری متفاوت باعث شده تا علاوه بر کوچک شدن تراشه A7، ترانزیستورهای بیشتری نیز روی آن جا بگیرند و نهایتاً قدرت و بازده به مراتب بالاتری را ارائه کند.
apple-a7-review-2
هستهآ*های بیشتر و فرکانس بالاتر به معنی قدرت و بازده بیشتر نیست!
نکته جالب توجه دیگر در سیستم-روی-یک-چیپ A7 مربوط به فرکانس کاری 2 هستهآ*ی آن است؛ این پردازنده با فرکانس 1.29 گیگاهرتز کار میآ*کند که خود شگفت انگیز است. چون این پردازنده 1.29 گیگاهرتزی بهتر از پردازنده پرقدرت S800 با 4 هسته 2.3 گیگاهرتز عمل میآ*کند.
همانطور که پیشآ*تر نیز اشاره کردیم، بخش CPU در A7 دارای هستهآ*آ*آ*های سفارشی خود اپل است. این هستهآ*ها احتمالاً شباهتآ*هایی با معماری Cortex A57 شرکت آرم دارند اما هنوز برای صحبت کردن در این باره کمی زود است. به هر حال اپل باز هم معماری Swift را بهینهآ*تر کرده و برای طراحی هستهآ*های سفارشی A7 از آن استفاده نموده است.
انند از وب سایت AnandTech معتقد است که گذار از 2 هسته به 4 هسته در پردازندهآ*های موبایل سریعآ*تر از آنچه انتظار میآ*رفت، رخ داده است. خوشبختانه نرم افزارهایی وجود دارند که قادر به استفادهآ*ی بهینه از 2 هسته و بیشتر بوده و از تمام توان آنها برای اجرای دستورات مورد نظر کاربر بهره میآ*برند. اما همانآ*طور که مثلاً در تلفن Moto X شاهد بودیم، دو هسته پردازنده این تلفن، به خوبی از پس اجرای سریع امور مختلف بر میآ*آید و به دلیل استفاده از فرکانس پایین و هستهآ*های کمتر مصرف باتری آن بسیار بهینهآ*است. البته پردازندهآ*های 4 هستهآ*ای امروزی نیز به کمک کاهش توان مصرفی هستهآ*های بیآ*کار، به خوبی مصرف انرژی را مدیریت میآ*کنند و مشکل زیادی ندارند.
انویدیا همه را مجبور کرد تا نسبت به ساخت تراشه 4 هستهآ*ای گام بردارند، شاید کوالکام و دیگر تولیدکنندگان برنامهآ*ریزی متفاوتی داشتند و تراشهآ*های 4 هستهآ*ای را برای مدتی بعد در برنامهآ*ی خود داشتند ولیکن رونمایی زودهنگام از تگرا 3 باعث شد تا همه مجبور شوند، هر چه سریعآ*تر نسبت به ساخت SoCهایی با حداقل 4 هسته اقدام نمایند. متأسفانه بسیاری از بازارهای جهانی، بیش از قدرت هستهآ*ها و بازدهی آن به تعداد هستهآ*ها پرداختهآ*اند و مشتریان هم به دنبال اعداد و ارقام بالاتر برای فرکانس کاری پردازنده و تعداد هستهآ*ها هستند. این دقیقاً همان دلیلی است که امروز گجتآ*های چینی به پردازندهآ*های ارزان قیمت 4 هستهآ*ای از نوع Cortex A5 یا Cortex A7 مجهز میآ*شوند. این پردازندهآ*ها شاید در عمل از یک SoC تک هستهآ*ای از نوع Cortex A15 ضعیفآ*تر باشند، اما کاربران تمایل بیشتری نسبت به خرید ابزارهای مبتنی بر آنها نشان میآ*دهند. به هر حال اپل بار دیگر با معرفی A7 نشان داد که فرکانس بالاتر و تعداد هسته بیشتر لزوماً به معنی قدرت و بازده بالاتر نیست.
اپل باز هم 2 هستهآ*ی قدرتمند با فرکانس بهینه را انتخاب کرده است
بهتر است به گفتهآ*های کمپانی آرم استناد کنیم: «فرکانس بهینه برای هستهآ*های Cortex A15 در یک گوشی هوشمند، 1.2 گیگاهرتز است». در حال حاضر سامسونگ در تراشهآ*ی اکسینوس 5410 خود از هستهآ*های 1.6 گیگاهرتز استفاده میآ*کند و در 5420 که قلب تپندهآ*ی گلکسی نوت 3 است، فرکانس بیشینهآ*ی 1.7 گیگاهرتز را انتخاب کرده است. رابطهآ*ی بین فرکانس کاری و توان در یک تراشهآ* حدوداً یک رابطهآ*ی مجذوری است به این معنی که که برای فرکانس بیشتر به ولتاژ بالاتر نیاز داریم و ولتاژ 2 برابر، توان مصرفی 4 برابر را به دنبال دارد.
اپل در A7 هم مثل A6 از فرکانس ماکسیمم 1.29 گیگاهرتز استفاده کرده است، یعنی سرعتی مشابه فرکانس حالت پایه در سیستم-روی-یک-چیپآ*های جدید اینتل با نام Bay Trail. با اجرای نرمآ*افزارهای مختلف و قرائت فرکانس 2 هستهآ*ی اصلی، همیشه فرکانس ماکسیسمم 1.3گیگاهرتز است. در مورد تعداد هستهآ*ها هم اطمینان داریم که تنها 2 هستهآ*ی اصلی در A7 وجود دارد و 2 ترد پردازشی را اجرا میآ*کنند. در بنچآ*مارک Geekbench 3، تراشهآ*ی A7 هم در محاسبات تکآ*هستهآ*ای و هم در محاسبات چند هستهآ*ای رکوردها را شکسته است. با توجه به نتایج مشخص است که در حالت Multi Thread قدرت پردازشی حدود 2 برابر بوده و با یک تراشهآ*ی 2 هستهآ*ای سر وکار داریم.
apple-a7-review-3
همانآ*طور که گفته شد عملکرد هستهآ*های جدید نسبت به آنچه در A6 یا A6X تجربه کرده بودیم، بالاتر است. اما نام هستهآ*های جدید چیست؟ آیا اپل باز هم از عنوان Swift استفاده میآ*کند؟ پاسخ منفی است. Cyclone به معنای گردباد نام هستهآ*های جدید است. در کنار هستهآ*های پردازندهآ*ی اصلی یک پردازندهآ*ی دیگر هم وجود دارد که برای محاسبات مربوط به حرکات در نظر گرفته شده است. اگر یادتان باشد اپل هنگام رونمایی از آیفون جدید علاوه بر A7 به M7 اشاره کرده بود که نام همین پردازنده است. M7 نیز هستهآ*ای به نام Oscar دارد.
آیا 2 هستهآ*ی سایکلون واقعاً گردباد ایجاد میآ*کنند؟
سایکلون یک هستهآ*ی کاملاً جدید نیست بلکه بر اساس سویفت شکل گرفته و طراحی شده است. احتمالاً تبادل داده و به عبارت دیگر پهنای مرز ارتباطی 3 برابر شده و تعداد درگاهآ*های اجرایی بین 5 تا 7 برابر بیشتر است. با توجه به عملکرد بسیار خوب تراشهآ*ی جدید اپل، احتمالاً اجرای خارج از نوبت دستورات نیز پشتیبانی میآ*شود.
سایکلون از لحاظ معماری بر اساس هستهآ*های 64 بیتی ARMv8 طراحی شده و لذا معماری مجموعه دستورات یا ISA حاصل کار اپل نیست. اما به هر حال A7 از تمام رقبای خود در گوشیآ*های هوشمند سریعآ*تر است و حتی مدلآ*های مخصوص سرور آرم نیز توان رقابت با آن را ندارند.
استفاده از ARMv8 مزایای خاصی دارد. رجیسترهای بیشتر، معماری مجموعه دستورات بهتر، اکستنشنآ*های بهینهآ*تر برای دستورات چند دادهآ*ای (یا SIMD) و عملکرد بالاتر در این نوع دستورات و در نهایت شتابآ*دهیآ*های مختلف، همگی در فهرست مزایا قرار دارند.
احتمالاً طول پایپآ*لاین یا کانال اطلاعات تغییری نکرده و حتی کمی افزایش یافته چرا که فرکانس کاری تغییری نکرده است. A7 از هیچ افزایش سرعتی که دمای بالاتری به دنبال دارد، پشتیبانی نمیآ*کند.
بزرگآ*ترین تغییری که در اولین تراشهآ*ی مبتنی بر ARMv8 اپل شاهد هستیم، 2 برابر شدن حافظهآ*ی کش سطح 1 است، کش L1 برای دستور و دادهآ*ها به ترتیب 64 و 64 کیلوبایت فضا دارد در حالی که قبلاً از 32 و 32 کیلوبایت استفاده میآ*شد. تغییر دیگر زمان دسترسی به کش است که از 2 سیکل کلاک به 3 سیکل کلاک افزایش یافته است و احتمالاً یکی از دلایل آن افزایش دفعات استفاده از کش و دسترسی به آن است. چنین کش بزرگی بیشتر در معماریآ*های کمپانی AMD دیده میآ*شود و در گوشیآ*های هوشمند رده اول کمآ*سابقه است. کش سطح 1 بزرگآ*تر در آماده نگه داشتن دستورات و دادهآ*ها برای انجام محاسبات، مفید واقع میآ*شود و نشان از وجود هستهآ*های پردازشی قویآ*تر دارد.
کنترلر حافظهآ*ی تراشهآ*ی A7 نیز بسیار بهینه شده به طوری که زمان تأخیر در دستری به حافظه، نسبت به A6 اپل حدود 20 درصد کاهش پیدا کرده است. پیشآ*گویی کنندهآ*ی شاخهآ*ها و پیشآ*فراخوانآ*های حافظه در A7 به مراتب بهتر عمل میآ*کنند.
در نهایت بیشینهآ*ی پهنای باند حافظه است که در A7 نسبت به A6 افزایش یافته است که توسط بنچآ*مارکآ*های مختلف و از جمله Geekbench 3 میآ*توان به آن پی برد. افزایش پهنای باند در تستآ*های مختلف بین 6 تا 58 درصد است.
apple-a7-review-4
البته ممکن است این بنچمارک تنها پهنای باند حافظه را اندازه نگیرند و محاسبات اضافی دیگری نیز در نتایج دخیل شوند. در اجرای برخی کدهای خاص، پهنای باند حافظه رکورد 2 برابری هم ثبت کرده است که با توجه به بهینهآ*سازیآ*های انجام شده در مورد کش و واسط حافظه چندان غیر طبیعی به نظر نمیآ*رسد.
علاوه بر عملکرد بالاتر حافظه و واسط آن، هستهآ*ها نیز توانمندتر از A6 هستند، به نتایج Geekbench نگاهی داشته باشیم:
apple-a7-review-5
در محاسبات اعداد صحیح یا Integer چه به صورت تکآ*آ*نخی یا ST و چه به صورت چندنخی یا MT تا 42 درصد افزایش سرعت دیده میآ*شود. در محاسبات اعداد ممیز شناور یا FP نیز در حالت تکآ*نخی و چندنخی افزایش سرعت 67 درصد است. البته هنوز از توانمندیآ*های خاصی که در یک پردازندهآ*ی 64 بیتی انتظار میآ*رود، صحبت نکردیم و در واقع نتایج مربوط به حالت 32 بیتی است. واسط حافظه پهنای 64 بیت دارد و احتمالاً از حافظهآ*ی LPDDR3 با فرکانس بالاتر استفاده شده است.
در حقیقت مجموعهآ*ی نتایج گواه این مطلب است که قدرت پردازشی A7 در زمرهآ*ی پردازندهآ*های دستاپ قرار میآ*گیرد.
چرایی مهاجرت اپل به سمت معماری 64 بیتی
قبل از عرضهآ*ی آیفون 5S شایعاتی در مورد تراشهآ*ی A7 و حرکت اپل به سمت معماری 64 بیتی شنیده میآ*شد. در ابتدا با توجه به اینکه هیچ یک از رقبا چنین کاری نکرده بود و دردسرهای زیادی داشت، به نظر میآ*رسید که همهآ*ی شایعات دروغی بیش نیست اما با رونمایی رسمی از آیفون، شایعات رنگ حقیقت گرفتند.
در دنیای پیآ*سی معماری 64 بیتی چندان بیگانه نیست چرا که ایآ*امآ*دی از اواسط سال 2000 پردازندهآ*هایی با معماری 64 بیت عرضه کرده بود. در آن زمان علت اصلی مهاجرت به معماری 64 بیتی، پشتیبانی از آدرسآ*دهی گستردهآ*تر حافظه بود. در معماری 32 بیتی میآ*توان 2 به توان 32 خانهآ*ی حافظه را آدرسآ*دهی کرد که همان 4 گیگابایت معروف است ولیکن در معماری 64 بیتی میآ*توان 2 به توان 64 بیت یا به عبارتی 16 اگزابایت را آدرسآ*دهی کرد که رقمی فوقآ*العاده است. بنابراین برای استفاده از رمآ*های بیش از 4 گیگابایت، ویندوز 64 بیتی کاملاً متداول شده است.
اما در عمل ایآ*امآ*دی تنها از 48 بیت برای آدرسآ*دهی استفاده کرد و به عبارتی 2 به توان 48 خانهآ*ی حافظه یکتا که معادل 256 ترابایت است، آدرسآ*دهی میآ*شود که شاید هیچ محدودیت خاصی به حساب نیاید.
مسألهآ*ی دیگر بهبود پردازش است. در معماری 64 بیتی رجیسترهای بیشتری قابل استفاده است و لذا x64 نسبت به x86 یا معماری 32 بیتی، بهینهآ*تر است.
در دنیای پردازندهآ*های گوشی و تبلت که بیشتر مبتنی بر طرحآ*های کمپانی ARM هستند نیز با توجه به دلایل مطرح شده، تمایل به استفاده از معماری 64 بیتی حس میآ*شد. آرم و شرکای بزرگش به فکر بازار سرورها هستند، بازاری که اینتل در آن حاکم شده و سود زیادی به دست میآ*آورد. اما مشکل اصلی اینجاست که برای یک سرور، آدرسآ*دهی مقدار زیادی حافظه و در واقع داشتن معماری 64 بیتی الزامی است. بنابراین چند ماه قبل در مورد رونمایی از اولین معماریآ*های 64 بیتی آرم شنیدیم و دو هستهآ*ی Cortex A53 و A57 برای محصولات مختلف معرفی شدند. معماری مجموعه دستورات با همان عنوان ARMv8 شناخته میآ*شوند که جانشین نسخهآ*ی 32 بیتی فعلی یعنی ARMv7 است.
یکی از مسائلی که رقبای اپل و از جمله کوآلکام به آن اشاره کردهآ*اند، حافظهآ*ی کم آیفون و آیپدهای جدید است. همانآ*طور که گفته شد، در معماری 64 بیتی، آدرسآ*دهی گستردهآ*تری وجود دارد ولیکن اپل حافظهآ*ی بالایی در محصولات خود قرار نداده و لذا هدف اصلی اپل، استفاده از سایر مزایای معماری 64 بیتی بوده است. استفاده از A64 هم مثل استفاده از x86-64 در پیآ*سیآ*ها به افزایش تعداد رجیسترهای همهآ*منظوره منجر میآ*شود. در معماری مجموعه دستورات ARMv7 به ازای هر شمارندهآ*ی برنامه یا Program Counter از 1 رجیستر یا ثبات استفاده میآ*شود ولیکن در ARMv8 یا اصطلاحاً A64 از 31 رجیستر استفاده شده که هر یک پهنایی برابر با 64 بیت دارند. همواره دسترسی به تمام 31 رجیستر وجود دارد.
نمودار زیر حافظهآ*ی به کار رفته در آیفونآ*ها و آیپدهای اپل را نمایش میآ*دهد و مشخص است که در آینده، بالاخره حافظهآ*ی این محصولات به بیش از 4 گیگابایت خواهد رسید.
apple-a7-review-30
افزایش تعداد رجیسترها در یک معماری منجر به کاهش فشار روی رجیسترها و در نتیجه افزایش عملکرد میآ*شود. به عنوان مثال در دنیای پیآ*سی استفاده از معماری 64 بیتی یا به عبارتی x86-64 باعث 2 برابر شدن تعداد رجیسترها شده و عملکرد کلی حدود 10 درصد افزایش یافته است.
استفاده از معماری 64 بیتی در تعداد رجیسترهای ممیز شناور یا NEON نیز موثر است. این دسته از رجیسترها در انجام محاسبات اعداد اعشاری و کدهای NEON کاربرد دارند. کدهای NEON برای انجام پردازشآ*های خاصی مثل مالتیآ*مدیا و کدکآ*های صوتی تصویری و پردازش سیگنال و مانند آن، روی سختآ*افزار مناسب اجرا شده و از رجیسترهای ویژهآ*ای استفاده میآ*کنند و در نهایت عملکرد تراشه در انجام چنین محاسباتی افزایش میآ*یابد. تعداد رجیسترهای ممیز شناوری و NEON در معماری 64 بیتی، 32 عدد است که دو برابر ARMv7 میآ*باشد.
علاوه بر افزایش تعداد رجیسترها، هر رجیستر به جای 64 بیت از 128 بیت خانهآ*ی حافظه برخوردار است. پشتیبانی از رجیسترهای 128 بیتی در افزایش عملکرد SIMD یا دستورات چند دادهآ*ای، بسیار موثر است. علاوه بر این افزایش تعداد رجیسترها نیز عملکرد کلی را افزایش میآ*دهد ولیکن بسته به نوع پردازش، تأثیر دو برابر شدن اندازهآ*ی هر رجیستر، به مراتب بیشتر است. در نهایت یک نوع SIMD پیشرفته نیز در ARMv8 وجود دارد و آن محاسبات ریاضی ممیز شناوری با دقت دو برابر یا به صورت خلاصه Double precision SIMD FP است.
در معماری مجموعه دستورات ARMv8 چندین دستور جدید برای پشتیبانی از شتابآ*دهی سختآ*افزاری الگوریتمآ*های AES، SHA1 و SHA256 وجود دارد. این دستورات سختآ*افزاری AES . SHA پتانسیل بالایی برای افزایش عملکرد دارند. درست مثل دستورات AES-NI در پردازندهآ*های اینتل که چند سال پیش عرضه شدند. در حقیقت دستورات جدید ممیز شناوری با دقت دو برابر و نیز شتابآ*دهی سختآ*افزاری، موج جدیدی از نرمآ*افزارهای سیستم عامل iOS را به دنبال خواهند داشت.
تا پست بعد. CORTEX A50
دنیای پردازنده ها به دلیل فناوری ساخت پیچیده و نقش انکار ناپذیر آن در بهبود کارآیی کامپیوتر، لپ تاپ، تبلت و گوشی های هوشمند، سبب افزایش توجه کاربران به اخبار این قطعه دوست داشتنی شده است. در سال 2013 شاهد افزایش سهم پردازنده های 64 بیتی در بازار بودیم و حتی پای آنها به دنیای تجهیزات همراه نیز کشیده شده است. این در حالی است که در سال 2014، اولین گوشی هوشمند مجهز به سیستم عامل اندروید، همراه با چیپ ست و پردازنده 64 بیتی روانه بازار می شود. سامسونگ با استفاده از چیپ ست اختصاصی خود از سری Exynos و همچنین کمپانی خوشنام Qualcomm با پردازنده های جدید سری ARM قصد دارند وارد جنگ 64 بیتی ها شوند. در پردازنده های جدید و به خصوص در تجهیزات همراه، به دلیل یکپارچه سازی واحد های مختلفی مانند کنترلر حافظه و پردازنده گرافیکی، با هر بار به روز رسانی خط تولید و ارائه محصولات جدید، شاهد حضور فناوری و امکانات جدیدی هستیم که در کنار خود سبب همگام شدن سایر قطعات و پیشرفت آنها به صورت موازی می شوند. در پردازنده های مخصوص سیستم-های دسکتاپ و نوت بوک، شاهد افزایش تعداد پورت های SATA و USB و همچنین پشتیبانی از آخرین نسخه از فناوری های بی سیم (مانند بلوتوث نسخه 4 و رابط بی سیم 802.11ac ) هستیم. یکی از مهم ترین پیشرفت های صورت گرفته در پردازنده های جدید اینتل و AMD در سال 2013، افزایش قدرت و کارآیی پردازنده مجتمع گرافیکی بوده که به عنوان مثال می توان به Intel HD 4600 اشاره کرد که از لحاظ کارآیی نسبت به نسل گذشته، بهبود قابل تحسینی را تجربه کردیم. در سال 2014 نیز پردازنده های AMD FX از خط تولید خارج و تمام تمرکز این کمپانی روی تولید APU-ها قرار خواهد گرفت. در کمپانی اینتل نیز قرار است اولین پردازنده هشت هسته ای دسکتاپ معرفی شود که به نظر می رسد باید در انتظار بهبود کارآیی بسیار خوبی نسبت به نسل گذشته باشیم.
برسی (cortex A57(Apple A7 CPU
A7 از لیتوگرافی 28 نانومتری HK+MG سامسونگ بهره میآ*برد. این بدین معناست که طراحی کلی تراشه توسط اپل و براساس معماری ARMv7 انجام شده، سپس طرحآ*ها در اختیار سامسونگ قرار گرفته تا نسبت به تولید A7 اقدام کند. پس در این بین سامسونگ تراشه A7 اپل را بدون هیچ دخالتی، تولید کرده است. پیش از این شایعه شده بود که A7 از فرایند ساخت 20 نانومتری بهره خواهد برد اما براساس اطلاعات بدست آمده، شرکت TSMC که شریک تجاری جدید اپل است و قرار است به مرور جایگزین سامسونگ شود، هنوز برای ساخت SoC با لیتوگرافی 20 نانومتری آماده نیست و به همین دلیل اپل از لیتوگرافی 28 نانومتری برای A7 بهره برده است و تولید آن را به سامسونگ واگذار کرده است.
لیتوگرافی 28 نانومتری برای A7 از نظر تئوری نسبت به لیتوگرافی 32 نانومتری، گرمای کمتری تولید میآ*کند و از نظر ابعاد نیز یک تراشه یکسان با لیتوگرافی 28 نانومتری، نزدیک به 76.5 درصد ابعاد همان تراشه با لیتوگرافی 32 نانومتری را دارد. البته این تخمین به صورت تئوری زده شده و در عمل نمیآ*توان همه چیز را به این خوبی کوچک کرد، بنابراین نتیجهآ*ی 80 تا 85 درصدی معقولآ*تر است.
اپل در کنفرانس معرفی iPhone 5s اعلام کرد که ابعاد تراشه A7 این شرکت 102 میلیآ*متر مربع بوده و در آن بیش از 1 میلیارد ترانزیستور جا شده است. اما آنها اطلاعات بیشتری در معماری داخلی A7 بیان نکردند و باید چند روز دیگری برای کسب اطلاعات بیشتر صبر کرد.
به هر حال براساس صحبتآ*های اپل در رابطه با تعداد 1 میلیارد ترانزیستور میآ*توان متوجه شد که A7 نزدیک به 2 برابر ترانزیستورهای A6 را در خود جای داده است. این بدین معناست که لیتوگرافی 28 نانومتری و احتمالاً معماری متفاوت باعث شده تا علاوه بر کوچک شدن تراشه A7، ترانزیستورهای بیشتری نیز روی آن جا بگیرند و نهایتاً قدرت و بازده به مراتب بالاتری را ارائه کند.
apple-a7-review-2
هستهآ*های بیشتر و فرکانس بالاتر به معنی قدرت و بازده بیشتر نیست!
نکته جالب توجه دیگر در سیستم-روی-یک-چیپ A7 مربوط به فرکانس کاری 2 هستهآ*ی آن است؛ این پردازنده با فرکانس 1.29 گیگاهرتز کار میآ*کند که خود شگفت انگیز است. چون این پردازنده 1.29 گیگاهرتزی بهتر از پردازنده پرقدرت S800 با 4 هسته 2.3 گیگاهرتز عمل میآ*کند.
همانطور که پیشآ*تر نیز اشاره کردیم، بخش CPU در A7 دارای هستهآ*آ*آ*های سفارشی خود اپل است. این هستهآ*ها احتمالاً شباهتآ*هایی با معماری Cortex A57 شرکت آرم دارند اما هنوز برای صحبت کردن در این باره کمی زود است. به هر حال اپل باز هم معماری Swift را بهینهآ*تر کرده و برای طراحی هستهآ*های سفارشی A7 از آن استفاده نموده است.
انند از وب سایت AnandTech معتقد است که گذار از 2 هسته به 4 هسته در پردازندهآ*های موبایل سریعآ*تر از آنچه انتظار میآ*رفت، رخ داده است. خوشبختانه نرم افزارهایی وجود دارند که قادر به استفادهآ*ی بهینه از 2 هسته و بیشتر بوده و از تمام توان آنها برای اجرای دستورات مورد نظر کاربر بهره میآ*برند. اما همانآ*طور که مثلاً در تلفن Moto X شاهد بودیم، دو هسته پردازنده این تلفن، به خوبی از پس اجرای سریع امور مختلف بر میآ*آید و به دلیل استفاده از فرکانس پایین و هستهآ*های کمتر مصرف باتری آن بسیار بهینهآ*است. البته پردازندهآ*های 4 هستهآ*ای امروزی نیز به کمک کاهش توان مصرفی هستهآ*های بیآ*کار، به خوبی مصرف انرژی را مدیریت میآ*کنند و مشکل زیادی ندارند.
انویدیا همه را مجبور کرد تا نسبت به ساخت تراشه 4 هستهآ*ای گام بردارند، شاید کوالکام و دیگر تولیدکنندگان برنامهآ*ریزی متفاوتی داشتند و تراشهآ*های 4 هستهآ*ای را برای مدتی بعد در برنامهآ*ی خود داشتند ولیکن رونمایی زودهنگام از تگرا 3 باعث شد تا همه مجبور شوند، هر چه سریعآ*تر نسبت به ساخت SoCهایی با حداقل 4 هسته اقدام نمایند. متأسفانه بسیاری از بازارهای جهانی، بیش از قدرت هستهآ*ها و بازدهی آن به تعداد هستهآ*ها پرداختهآ*اند و مشتریان هم به دنبال اعداد و ارقام بالاتر برای فرکانس کاری پردازنده و تعداد هستهآ*ها هستند. این دقیقاً همان دلیلی است که امروز گجتآ*های چینی به پردازندهآ*های ارزان قیمت 4 هستهآ*ای از نوع Cortex A5 یا Cortex A7 مجهز میآ*شوند. این پردازندهآ*ها شاید در عمل از یک SoC تک هستهآ*ای از نوع Cortex A15 ضعیفآ*تر باشند، اما کاربران تمایل بیشتری نسبت به خرید ابزارهای مبتنی بر آنها نشان میآ*دهند. به هر حال اپل بار دیگر با معرفی A7 نشان داد که فرکانس بالاتر و تعداد هسته بیشتر لزوماً به معنی قدرت و بازده بالاتر نیست.
اپل باز هم 2 هستهآ*ی قدرتمند با فرکانس بهینه را انتخاب کرده است
بهتر است به گفتهآ*های کمپانی آرم استناد کنیم: «فرکانس بهینه برای هستهآ*های Cortex A15 در یک گوشی هوشمند، 1.2 گیگاهرتز است». در حال حاضر سامسونگ در تراشهآ*ی اکسینوس 5410 خود از هستهآ*های 1.6 گیگاهرتز استفاده میآ*کند و در 5420 که قلب تپندهآ*ی گلکسی نوت 3 است، فرکانس بیشینهآ*ی 1.7 گیگاهرتز را انتخاب کرده است. رابطهآ*ی بین فرکانس کاری و توان در یک تراشهآ* حدوداً یک رابطهآ*ی مجذوری است به این معنی که که برای فرکانس بیشتر به ولتاژ بالاتر نیاز داریم و ولتاژ 2 برابر، توان مصرفی 4 برابر را به دنبال دارد.
اپل در A7 هم مثل A6 از فرکانس ماکسیمم 1.29 گیگاهرتز استفاده کرده است، یعنی سرعتی مشابه فرکانس حالت پایه در سیستم-روی-یک-چیپآ*های جدید اینتل با نام Bay Trail. با اجرای نرمآ*افزارهای مختلف و قرائت فرکانس 2 هستهآ*ی اصلی، همیشه فرکانس ماکسیسمم 1.3گیگاهرتز است. در مورد تعداد هستهآ*ها هم اطمینان داریم که تنها 2 هستهآ*ی اصلی در A7 وجود دارد و 2 ترد پردازشی را اجرا میآ*کنند. در بنچآ*مارک Geekbench 3، تراشهآ*ی A7 هم در محاسبات تکآ*هستهآ*ای و هم در محاسبات چند هستهآ*ای رکوردها را شکسته است. با توجه به نتایج مشخص است که در حالت Multi Thread قدرت پردازشی حدود 2 برابر بوده و با یک تراشهآ*ی 2 هستهآ*ای سر وکار داریم.
apple-a7-review-3
همانآ*طور که گفته شد عملکرد هستهآ*های جدید نسبت به آنچه در A6 یا A6X تجربه کرده بودیم، بالاتر است. اما نام هستهآ*های جدید چیست؟ آیا اپل باز هم از عنوان Swift استفاده میآ*کند؟ پاسخ منفی است. Cyclone به معنای گردباد نام هستهآ*های جدید است. در کنار هستهآ*های پردازندهآ*ی اصلی یک پردازندهآ*ی دیگر هم وجود دارد که برای محاسبات مربوط به حرکات در نظر گرفته شده است. اگر یادتان باشد اپل هنگام رونمایی از آیفون جدید علاوه بر A7 به M7 اشاره کرده بود که نام همین پردازنده است. M7 نیز هستهآ*ای به نام Oscar دارد.
آیا 2 هستهآ*ی سایکلون واقعاً گردباد ایجاد میآ*کنند؟
سایکلون یک هستهآ*ی کاملاً جدید نیست بلکه بر اساس سویفت شکل گرفته و طراحی شده است. احتمالاً تبادل داده و به عبارت دیگر پهنای مرز ارتباطی 3 برابر شده و تعداد درگاهآ*های اجرایی بین 5 تا 7 برابر بیشتر است. با توجه به عملکرد بسیار خوب تراشهآ*ی جدید اپل، احتمالاً اجرای خارج از نوبت دستورات نیز پشتیبانی میآ*شود.
سایکلون از لحاظ معماری بر اساس هستهآ*های 64 بیتی ARMv8 طراحی شده و لذا معماری مجموعه دستورات یا ISA حاصل کار اپل نیست. اما به هر حال A7 از تمام رقبای خود در گوشیآ*های هوشمند سریعآ*تر است و حتی مدلآ*های مخصوص سرور آرم نیز توان رقابت با آن را ندارند.
استفاده از ARMv8 مزایای خاصی دارد. رجیسترهای بیشتر، معماری مجموعه دستورات بهتر، اکستنشنآ*های بهینهآ*تر برای دستورات چند دادهآ*ای (یا SIMD) و عملکرد بالاتر در این نوع دستورات و در نهایت شتابآ*دهیآ*های مختلف، همگی در فهرست مزایا قرار دارند.
احتمالاً طول پایپآ*لاین یا کانال اطلاعات تغییری نکرده و حتی کمی افزایش یافته چرا که فرکانس کاری تغییری نکرده است. A7 از هیچ افزایش سرعتی که دمای بالاتری به دنبال دارد، پشتیبانی نمیآ*کند.
بزرگآ*ترین تغییری که در اولین تراشهآ*ی مبتنی بر ARMv8 اپل شاهد هستیم، 2 برابر شدن حافظهآ*ی کش سطح 1 است، کش L1 برای دستور و دادهآ*ها به ترتیب 64 و 64 کیلوبایت فضا دارد در حالی که قبلاً از 32 و 32 کیلوبایت استفاده میآ*شد. تغییر دیگر زمان دسترسی به کش است که از 2 سیکل کلاک به 3 سیکل کلاک افزایش یافته است و احتمالاً یکی از دلایل آن افزایش دفعات استفاده از کش و دسترسی به آن است. چنین کش بزرگی بیشتر در معماریآ*های کمپانی AMD دیده میآ*شود و در گوشیآ*های هوشمند رده اول کمآ*سابقه است. کش سطح 1 بزرگآ*تر در آماده نگه داشتن دستورات و دادهآ*ها برای انجام محاسبات، مفید واقع میآ*شود و نشان از وجود هستهآ*های پردازشی قویآ*تر دارد.
کنترلر حافظهآ*ی تراشهآ*ی A7 نیز بسیار بهینه شده به طوری که زمان تأخیر در دستری به حافظه، نسبت به A6 اپل حدود 20 درصد کاهش پیدا کرده است. پیشآ*گویی کنندهآ*ی شاخهآ*ها و پیشآ*فراخوانآ*های حافظه در A7 به مراتب بهتر عمل میآ*کنند.
در نهایت بیشینهآ*ی پهنای باند حافظه است که در A7 نسبت به A6 افزایش یافته است که توسط بنچآ*مارکآ*های مختلف و از جمله Geekbench 3 میآ*توان به آن پی برد. افزایش پهنای باند در تستآ*های مختلف بین 6 تا 58 درصد است.
apple-a7-review-4
البته ممکن است این بنچمارک تنها پهنای باند حافظه را اندازه نگیرند و محاسبات اضافی دیگری نیز در نتایج دخیل شوند. در اجرای برخی کدهای خاص، پهنای باند حافظه رکورد 2 برابری هم ثبت کرده است که با توجه به بهینهآ*سازیآ*های انجام شده در مورد کش و واسط حافظه چندان غیر طبیعی به نظر نمیآ*رسد.
علاوه بر عملکرد بالاتر حافظه و واسط آن، هستهآ*ها نیز توانمندتر از A6 هستند، به نتایج Geekbench نگاهی داشته باشیم:
apple-a7-review-5
در محاسبات اعداد صحیح یا Integer چه به صورت تکآ*آ*نخی یا ST و چه به صورت چندنخی یا MT تا 42 درصد افزایش سرعت دیده میآ*شود. در محاسبات اعداد ممیز شناور یا FP نیز در حالت تکآ*نخی و چندنخی افزایش سرعت 67 درصد است. البته هنوز از توانمندیآ*های خاصی که در یک پردازندهآ*ی 64 بیتی انتظار میآ*رود، صحبت نکردیم و در واقع نتایج مربوط به حالت 32 بیتی است. واسط حافظه پهنای 64 بیت دارد و احتمالاً از حافظهآ*ی LPDDR3 با فرکانس بالاتر استفاده شده است.
در حقیقت مجموعهآ*ی نتایج گواه این مطلب است که قدرت پردازشی A7 در زمرهآ*ی پردازندهآ*های دستاپ قرار میآ*گیرد.
چرایی مهاجرت اپل به سمت معماری 64 بیتی
قبل از عرضهآ*ی آیفون 5S شایعاتی در مورد تراشهآ*ی A7 و حرکت اپل به سمت معماری 64 بیتی شنیده میآ*شد. در ابتدا با توجه به اینکه هیچ یک از رقبا چنین کاری نکرده بود و دردسرهای زیادی داشت، به نظر میآ*رسید که همهآ*ی شایعات دروغی بیش نیست اما با رونمایی رسمی از آیفون، شایعات رنگ حقیقت گرفتند.
در دنیای پیآ*سی معماری 64 بیتی چندان بیگانه نیست چرا که ایآ*امآ*دی از اواسط سال 2000 پردازندهآ*هایی با معماری 64 بیت عرضه کرده بود. در آن زمان علت اصلی مهاجرت به معماری 64 بیتی، پشتیبانی از آدرسآ*دهی گستردهآ*تر حافظه بود. در معماری 32 بیتی میآ*توان 2 به توان 32 خانهآ*ی حافظه را آدرسآ*دهی کرد که همان 4 گیگابایت معروف است ولیکن در معماری 64 بیتی میآ*توان 2 به توان 64 بیت یا به عبارتی 16 اگزابایت را آدرسآ*دهی کرد که رقمی فوقآ*العاده است. بنابراین برای استفاده از رمآ*های بیش از 4 گیگابایت، ویندوز 64 بیتی کاملاً متداول شده است.
اما در عمل ایآ*امآ*دی تنها از 48 بیت برای آدرسآ*دهی استفاده کرد و به عبارتی 2 به توان 48 خانهآ*ی حافظه یکتا که معادل 256 ترابایت است، آدرسآ*دهی میآ*شود که شاید هیچ محدودیت خاصی به حساب نیاید.
مسألهآ*ی دیگر بهبود پردازش است. در معماری 64 بیتی رجیسترهای بیشتری قابل استفاده است و لذا x64 نسبت به x86 یا معماری 32 بیتی، بهینهآ*تر است.
در دنیای پردازندهآ*های گوشی و تبلت که بیشتر مبتنی بر طرحآ*های کمپانی ARM هستند نیز با توجه به دلایل مطرح شده، تمایل به استفاده از معماری 64 بیتی حس میآ*شد. آرم و شرکای بزرگش به فکر بازار سرورها هستند، بازاری که اینتل در آن حاکم شده و سود زیادی به دست میآ*آورد. اما مشکل اصلی اینجاست که برای یک سرور، آدرسآ*دهی مقدار زیادی حافظه و در واقع داشتن معماری 64 بیتی الزامی است. بنابراین چند ماه قبل در مورد رونمایی از اولین معماریآ*های 64 بیتی آرم شنیدیم و دو هستهآ*ی Cortex A53 و A57 برای محصولات مختلف معرفی شدند. معماری مجموعه دستورات با همان عنوان ARMv8 شناخته میآ*شوند که جانشین نسخهآ*ی 32 بیتی فعلی یعنی ARMv7 است.
یکی از مسائلی که رقبای اپل و از جمله کوآلکام به آن اشاره کردهآ*اند، حافظهآ*ی کم آیفون و آیپدهای جدید است. همانآ*طور که گفته شد، در معماری 64 بیتی، آدرسآ*دهی گستردهآ*تری وجود دارد ولیکن اپل حافظهآ*ی بالایی در محصولات خود قرار نداده و لذا هدف اصلی اپل، استفاده از سایر مزایای معماری 64 بیتی بوده است. استفاده از A64 هم مثل استفاده از x86-64 در پیآ*سیآ*ها به افزایش تعداد رجیسترهای همهآ*منظوره منجر میآ*شود. در معماری مجموعه دستورات ARMv7 به ازای هر شمارندهآ*ی برنامه یا Program Counter از 1 رجیستر یا ثبات استفاده میآ*شود ولیکن در ARMv8 یا اصطلاحاً A64 از 31 رجیستر استفاده شده که هر یک پهنایی برابر با 64 بیت دارند. همواره دسترسی به تمام 31 رجیستر وجود دارد.
نمودار زیر حافظهآ*ی به کار رفته در آیفونآ*ها و آیپدهای اپل را نمایش میآ*دهد و مشخص است که در آینده، بالاخره حافظهآ*ی این محصولات به بیش از 4 گیگابایت خواهد رسید.
apple-a7-review-30
افزایش تعداد رجیسترها در یک معماری منجر به کاهش فشار روی رجیسترها و در نتیجه افزایش عملکرد میآ*شود. به عنوان مثال در دنیای پیآ*سی استفاده از معماری 64 بیتی یا به عبارتی x86-64 باعث 2 برابر شدن تعداد رجیسترها شده و عملکرد کلی حدود 10 درصد افزایش یافته است.
استفاده از معماری 64 بیتی در تعداد رجیسترهای ممیز شناور یا NEON نیز موثر است. این دسته از رجیسترها در انجام محاسبات اعداد اعشاری و کدهای NEON کاربرد دارند. کدهای NEON برای انجام پردازشآ*های خاصی مثل مالتیآ*مدیا و کدکآ*های صوتی تصویری و پردازش سیگنال و مانند آن، روی سختآ*افزار مناسب اجرا شده و از رجیسترهای ویژهآ*ای استفاده میآ*کنند و در نهایت عملکرد تراشه در انجام چنین محاسباتی افزایش میآ*یابد. تعداد رجیسترهای ممیز شناوری و NEON در معماری 64 بیتی، 32 عدد است که دو برابر ARMv7 میآ*باشد.
علاوه بر افزایش تعداد رجیسترها، هر رجیستر به جای 64 بیت از 128 بیت خانهآ*ی حافظه برخوردار است. پشتیبانی از رجیسترهای 128 بیتی در افزایش عملکرد SIMD یا دستورات چند دادهآ*ای، بسیار موثر است. علاوه بر این افزایش تعداد رجیسترها نیز عملکرد کلی را افزایش میآ*دهد ولیکن بسته به نوع پردازش، تأثیر دو برابر شدن اندازهآ*ی هر رجیستر، به مراتب بیشتر است. در نهایت یک نوع SIMD پیشرفته نیز در ARMv8 وجود دارد و آن محاسبات ریاضی ممیز شناوری با دقت دو برابر یا به صورت خلاصه Double precision SIMD FP است.
در معماری مجموعه دستورات ARMv8 چندین دستور جدید برای پشتیبانی از شتابآ*دهی سختآ*افزاری الگوریتمآ*های AES، SHA1 و SHA256 وجود دارد. این دستورات سختآ*افزاری AES . SHA پتانسیل بالایی برای افزایش عملکرد دارند. درست مثل دستورات AES-NI در پردازندهآ*های اینتل که چند سال پیش عرضه شدند. در حقیقت دستورات جدید ممیز شناوری با دقت دو برابر و نیز شتابآ*دهی سختآ*افزاری، موج جدیدی از نرمآ*افزارهای سیستم عامل iOS را به دنبال خواهند داشت.
تا پست بعد. CORTEX A50
دیدگاه