Microprocesadores para SMARTPHONES. Evolución multinúcleo. Cassandra Déniz Falcón Microprocesadores para Comunicaciones Curso 2010/2011

ÍNDICE Microprocesadores en SMARTPHONES. ¿Qué es un SMARTPHONE? Microprocesadores en SMARTPHONES. Familias ARM. SAMSUNG HUMMINGBIRD (S5PC110). APPLE A4. SANPDRAGON. OMAP. Multiprocesadores Multinúcleos. NVIDIA Tegra 2. Samsung ORION. OMAP 4. SNAPDRAGON MSM8360 y MSM8660 Conclusiones.

¿Qué es un SMARTPHONE? Smartphone o teléfono inteligente es un término comercial utilizado para denominar a un teléfono móvil que ofrece más funciones que un teléfono móvil común. Permiten realizar diversas tareas similares a las que se pueden llevar a cabo en un PC, además de la tradicional comunicación telefónica. Al poseer características similares a las de un ordenador, hace que estos dispositivos puedan ser vulnerables a virus y ataques al sistema operativo. Algunas de las características que poseen los SMARTPHONES son: Poseen un sistema operativo. Capacidad multitarea. Soportan correo electrónico y GPS Conexión redes inalámbricas. Instalación de programas (ampliar funcionalidad). Lectura de documentos en distintos formatos.

¿Qué es un SMARTPHONE? Primer SMARTPHONE -> IBM Simon Personal Communicator. Creado por IBM y comercializado por BellSouth. Se presentó por primera vez en 1992 en la COMDEX. Se lanzó comercialmente en 1993, tasado originalmente en $899 (a día de hoy unos 680€). Combinaba las características de un teléfono móvil, una PDA, un mensáfono o buscapersonas y una máquina de fax.

Windows Phone OS (Mobile) ¿Qué es un SMARTPHONE? Tras Simon surgieron diferentes SMARTPHONES como el Nokia 9000 en 1996, o el Ericsson R380 y el Nokia 9210 en 2000. Pero el “boom” comercial de estos dispositivos tuvo lugar en el 2000 con la aparición del sistema operativo Windows Mobile, actualmente Windows Phone OS. Posteriormente, salieron al mercado nuevos sistemas operativos para competir con el del gigante Microsoft. A continuación se muestra una comparativa evolutiva de estos sistemas operativos. Sistema Operativo 2009 2010 Symbian OS 44.6 % 36.6 % Android 3.5 % 25.5 % iPhone OS 17.1 % 16.7 % BlackBerry OS 20.7 % 14.8 % Windows Phone OS (Mobile) 7.9 % 2.8 %

Microprocesadores en SMARTPHONES El 98% de los microprocesadores utilizados en telefonía móvil son ARM. Después varias compañías (TI, Qualcomm, Freescale, Samsung, etc.) se encargan de plasmarlos en un chip, y los modifican en algunos aspectos para sacarle el máximo rendimiento, mejorar su consumo de energía, dedicarlo a un propósito específico, … . En las arquitecturas más antiguas se utilizan en los chips más baratos; la generación ARM9 en los de gama baja, la ARM11 en los de gama media-alta, y Cortex A8 para gama alta. También existen fabricantes con diseños de chips de la última generación, Cortex A9.

Familias ARM ARM11 Potencia extremadamente baja. Gama de rendimiento de 350 MHz en diseños de área pequeña y que puede llegar hasta 1 GHz de velocidad en los diseños optimizados de 45 y 65 nm. Introduce SIMD de 32 bits. Se le agregó cachés físicas para mejorar el rendimiento al utilizar de diferentes sistemas operativos y TrustZone que proporciona seguridad mediante hardware dedicado. La disposición de las memorias favorece a las aplicaciones en tiempo real y admite multicore. Es el modelo de ARM preferido por Nokia y está presente también en varios modelos HTC y Samsung, y en el Apple iPhone (EDGE y 3G).

Familias ARM Cortex A8 Está basado en la arquitectura ARMv7 y tiene la capacidad de escalar en velocidad desde 600 MHz a más de 1GHz. Cumple con los requisitos para dispositivos móviles optimizados en energía que necesiten operar con menos de 300 mW de consumo. No admite multicore. Adecuado para aplicaciones de alto rendimiento y que requieran microprocesadores superescalares (smartphones, set-up boxes, impresoras, televisión digital, …). Posee una unidad NEON que consiste en un motor SIMD de 128 bits que permite un alto rendimiento de procesamiento de datos multimedia. Algunos smartphones con este microprocesador son el Apple iPhone 3GS, el Apple iPhone 4 (SoC Apple A4 , fabricado por Samsung e Intrensity), el Samsung Omnia HD, el Samsung Wave S8500, el Samsung i9000 Galaxy S (modelo Hummingbird) y el Nokia N900.

Familias ARM Cortex A9 Al igual que los Cortex-A8 se basan en la arquitectura ARMv7. Diseñado en busca de alta eficiencia, longitud dinámica, superescalaridad multi-flujo, fuera de orden, especulando con pipeline de 8 etapas. La micro-arquitectura Cortex-A9 se facilita dentro de un procesador multi-núcleo escalable, el Cortex-A9 procesador multinúcleo MPCore, o en un procesador más tradicional, el procesador Cortex-A9 El procesador Cortex-A9 MPCore ofrece la posibilidad de ampliar el máximo rendimiento, mientras que también apoya la flexibilidad de diseño y nuevas características para reducir aún más y controlar el consumo de energía a nivel de procesador y sistema ideal para dispositivos móviles. De hecho ARM incluso propone un diseño de ARM MPCore propio para smartphones con dos núcleos Cortex A-9.

Familias ARM

Familias ARM A continuación, se realiza una pequeña comparativa entre estos microprocesadores de ARM midiendo el rendimiento teórico de los mismos según los DMIPS, tenemos: ARM11: 1,2 DMIPS por MHz ARM Cortex A8: 2 DMIPS por MHz ARM Cortex A9: 2,5 DMIPS por MHz Como se observa, este rendimiento depende de la frecuencia del microprocesador y, además, se multiplicaría por el número de núcleos que tuviese el chip.

SAMSUNG HUMMINGBIRD (S5PC110) Basado en la arquitectura ARM Cortex A8 de 45 nm y desarrollado conjuntamente con Intrinsity. El Hummingbird viene con 32 KB de datos y caché de instrucciones, una memoria caché L2 de tamaño variable y la extensión multimedia NEON. Con NEON, Hummingbird permite la codificación y decodificación de hardware de vídeo, gráficos 2D/3D, audio, voz, procesamiento del habla y síntesis de sonido. Ofrece 2000 DMIPS a 1GHz.

SAMSUNG HUMMINGBIRD (S5PC110) Para el desempeño de servicios de comunicación 3.xG y 4G adopta la arquitectura interna de bus de 64 bits, el bus primario de datos (RAM) es de 64 bits, mientras que el secundario (ROM) es de 32 bits. Integra Multi Format Codec (MFC), acelerador hardware que permite la codificación y decodificación de diversos formatos y que es compatible con videoconferencia en tiempo real. Este procesador se puede encontrar en el Smartphone Samsung Galaxy S que incorpora una unidad de procesamiento gráfica PowerVR SGX540. Otro Smartphone que en el futuro incorporará este microprocesador es el Nexus S de Google.

SAMSUNG HUMMINGBIRD (S5PC110)

APPLE A4 Es un sistema en chip que integra un microprocesador basado en la arquitectura ARM Cortex A8 y una GPU PowerVR 535 en un mismo encapsulado. Aunque Apple aseguraba que había sido diseñado por su empresa en realidad fue] desarrollado conjuntamente por Intrinsity y Samsung. Intrinsity fue adquirida en 2008 por Apple Inc, heredando naturalmente el diseño del chip. Se trata de una evolución del Samsung Hummingbird S5PC110.

APPLE A4 El Apple A4 ha demostrado ser realmente eficiente por ciclo de reloj frente a otras opciones equivalentes del mercado.

SNAPDRAGON Snapdragon es una plataforma ARM desarrollada por Qualcomm para dispositivos móviles. Está diseñada para computación ubicua en tiempo real con bajo consumo de energía. El núcleo del procesador Snapdragon se denomina Scorpion y es de diseño propio de Qualcomm. Tiene muchas características similares a las del núcleo ARM Cortex-A8, pero en teoría tiene un rendimiento mucho más alto para las operaciones SIMD multimedia.

SNAPDRAGON Todos los procesadores Snapdragon contienen los circuitos de decodificación de video de alta definición (HD). Las unidades de procesamiento gráfico Adreno, integradas en conjuntos de chips Snapdragon son de diseño propio de Qualcomm, aprovechando los activos de la empresa adquirida de AMD. Un ejemplo de Smartphone que utiliza esta plataforma es el Nexus One que tiene integrado un Snapdragon QSD8250 de 32 bits.

OMAP Texas Instruments OMAP (Open Multimedia Application Platform) es una categoría de microprocesadores que tienen capacidad para aplicaciones multimedia portátiles y móviles y que es desarrollado por Texas Instruments. Muchos teléfonos móviles utilizan microprocesadores de OMAP, incluyendo la mayor parte de la gama de Nokia N-series. Algunos de los procesadores de la familia OMAP contienen una arquitectura de doble núcleo que consiste en un procesador ARM de uso general de acogida y uno o más DSP. El procesador digital de señal que aparece comúnmente es una variante de la DSP de Texas Instruments serie TMS320.

OMAP 3430 El primer dispositivo de TI OMAP 3 es el procesador de aplicaciones multimedia OMAP3430 que ofrece hasta 3 veces la ganancia en el rendimiento de los procesadores ARM11. Es el primer procesador de la industria que se diseñó en una tecnología de 65 nanómetros con proceso CMOS y de las primeras aplicaciones en la industria que integran el núcleo ARM Cortex-A8. Combinado con la tecnología de TI en el OMAP3430, el ARM Cortex-A8 permite interfaces de usuario más rápido, acceso a datos más rápido y aplicaciones de productividad y entretenimiento en el teléfono móvil , manteniendo al mismo tiempo la eficiencia de energía se esperan de un teléfono o dispositivo móvil. Este procesador se utiliza en el Smartphone Nokia N900.

Multiprocesadores Multinúcleos Actualmente la computación multi-núcleo, es toda una realidad, los procesadores (CPU) de escritorio ya migraron hace algunos años a este diseño que busca mejor eficiencia y rendimiento de computo. Los procesadores ARM apuntan a esta misma tendencia. Al hablar de incremento de frecuencia e incremento de núcleos en un procesador preocupa el consumo energético, que en los SMARTPHONES está limitado a 300 mW. Cortex A9 utiliza un proceso de manufactura de 45nm, lo que le permite mantener el consumo en cuotas aceptables

Multiprocesadores Multinúcleos La siguiente interrogante es si el software actual está diseñado para aprovechar arquitecturas ARM multi-núcleos. Además, del Cortex-A9 se debe contar con el nuevo modelo de ARM, el Cortex-A15, que serán multiprocesadores de dual core o quad core, y tendrán frecuencias de hasta 2.5 Ghz.

NVIDIA Tegra 2 NVIDIA Tegra 2 es uno de los procesador de móviles más avanzado del mundo. Incluye la primera CPU de doble núcleo del mercado de móviles para duplicar la velocidad de navegación en la web. Sus características fundamentales son: CPU ARM Cortex-A9 de doble núcleo. GPU GeForce de muy bajo consumo (ULP). Procesador de reproducción de vídeo 1080p.

Samsung ORION Utiliza procesadores de doble núcleo, basados en ARM Cortex A9. Estos procesadores están acompañados por GPU Mali 400. Son el relevo generacional de los Hummingbird de Samsung, basados en Cortex A8, con PowerVR en la parte gráfica. En cuestiones gráficas llega a niveles más parecidos a los de una Xbox 360 o a una Playstation 3, que de un teléfono móvil actual. Debido a sus cualidades gráficas se cree que será elegido para integrarlo en el futuro Playstation Phone con sistema operativo Android.

OMAP 4 La plataforma OMAP 4 de Texas Instruments tiene dos cores basados en la arquitectura Cortex-A9 de ARM, la misma que ha utilizado Samsung para crear Orion. La diferencia más notable es la GPU incluida por OMAP 4, la PowerVR SGX540. Se distribuirá en dos versiones: OMAP4430 -> 1 GHz cada core OMAP4440 -> 1.5 GHz cada core Texas Instruments asegura que OMAP 4 será capaz de ofrecer soporte para casi cualquier aplicación de tecnología 3D que pueda aparecer.

OMAP 4

SNAPDRAGON MSM8360 y MSM8660 La gama de procesadores Snapdragon de Qualcomm deja atrás al procesador de 1GHz, para lanzar el nuevo procesador Snapdragon de 1.2GHz y de doble núcleo. MSM8360 MSM8660 Capaz de dar soporte de gráficos 2D/3D. Con aceleración OpenGL ES 2.0 y OpenVG 1.1. También Qualcomm está trabajando en el chip Snapdragon 8X72, será un dispositivo de doble núcleo que funcionará a 1,5 GHz.

Conclusiones Como se ha tratado en el siguiente documento el futuro de los smartphones está en la utilización de los microprocesadores multinúcleo para así poder mejorar sus prestaciones y para poder ofrecer nuevas aplicaciones a los usuarios.