SOC – czym tak naprawdę się różnią tablety

Jednym z głównych kryteriów podczas doboru tabletu jest rodzaj zastosowanego w nim chipsetu. Zwracamy najczęściej uwagę na taktowanie oraz ilość rdzeni głównego procesora, nie zdając sobie sprawy, że SoC tkwiący w naszym urządzeniu to skomplikowane połączenie wielu układów charakteryzujących się róznymi parametrami. Spróbujmy zatem przyjrzeć się bliżej temu tematowi aby móc bardziej świadomie poruszać się w świecie mobilnych układów.

SoC

Na początek sprawdźmy czym jest SoC (z ang. System on Chip), czyli serce większości dostępnych na rynku tabletów. Otóż mianem tym określa się kompletny system elektroniczny umieszczony najczęściej na jednym podłożu półprzewodnikowym i zamknięty w jednej obudowie. Najważniejsze komponenty umieszczane w nowoczesnych SoC to: CPU czyli procesor główny, GPU czyli procesor graficzny, kontroler pamięci, moduł WiFi, dekoder wideo, modem 3G/4G, moduł GPS, kontroler USB i wiele, wiele innych.

Diagram układu Exynos 4210 / Samsung

Warto zauważyć, że wszystkie wymienione komponenty SoC, ze względu na ich złożoność, praktycznie nigdy nie pochodzą od jednego producenta. Układy SoC są mniejsze, bardziej energooszczędne, niezawodne oraz prostsze i tańsze w masowej produkcji niż standardowe rozwiązania oparte na wielu układach scalonych. Z tego też powodu przyjęły się znakomicie w urządzeniach mobilnych takich jak tablety, smartfony czy przenośne konsole do gier.

CPU

Procesory stosowane w większości tabletów (praktycznie we wszystkich z iOS i Androidem) są oparte na architekturze RISC, i należą do rodziny zaprojektowanej przez firmę ARM Holdings, która odsprzedaje licencję na ich produkcję innym firmom. Układy te występują w wielu odmianach architektury oraz rodziny rdzeni. Procesory w budżetowych tabletach są jeszcze czasem oparte na starych rodzinach ARM9 i ARM11, podczas gdy zdecydowana większość lepszych urządzeń ma procesor z rdzeniem z rodziny Cortex opartym na architekturze ARMv7.

Budowa procesora ARM Cortex-A15 / ARM

Występują one w kilku odmianach: A5, A8 i A9. Cortex-A8 są używane w starszych procesorach jednordzeniowych, natomiast Cortex-A9 w najpopularniejszych obecnie na rynku dwu- i czterordzeniowych. Premiera pierwszych urządzeń z procesorem opartym na najnowszym rdzeniu Cortex-A15 jeszcze się nie odbyła, ale rynek czeka na nie z napięciem, gdyż powinny one przynieść prawdziwą rewolucję w kwestii wydajności.

GPU

Drugim istotnym komponentem zawartym w SoC jest GPU (z ang. Graphics Processing Unit), czyli układ graficzny. Aktualnie na rynku tabletów liczą się układy 4 producentów: ULP GeForce od NVidii, Mali zaprojektowany przez ARM (ci sami którzy projektują CPU), Adreno od Qualcomma i PowerVR z Imagination Technologies. Podczas gdy GeForce i Adreno stosowane są tylko w SoC od ich producentów, to układy Mali oraz PowerVR są szeroko wykorzystywane na rynku – ten pierwszy głównie w budżetowych tabletach oraz urządzeniach Samsunga, drugi zaś jest sercem m.in. wszystkich wersji iPada. Wszystkie nowoczesne GPU wspierają standard OpenGL ES 2.0, który jest oficjalnym interfejsem grafiki trójwymiarowej w Androidzie, iOS i Symbianie.

Prognozowany wzrost mocy mobilnych GPU wg Nvidii / fot. Anandtech

Układy GPU, podobnie jak CPU mogą mieć budowę wielordzeniową. Słabsze z nich oparte są na 1 rdzeniu, natomiast mocniejsze mają od 4 rdzeni (Mali400MP4 czy PowerVR SGX543MP4) do nawet 12 (ULP GeForce). Dość trudno jest określić który GPU jest najszybszy ponieważ zależy to silnie od współpracującego z nim CPU, taktowania, systemu, sterowników oraz metody pomiaru.

Proces litograficzny

Bardzo istotną cechą układów SoC jest proces w jakim zostały wytworzone. Nie wdając się zbytnio w szczegóły techniczne, można powiedzieć, że litografia jest procesem odwzorowania zaprojektowanych masek układu scalonego na powierzchni płytki krzemowej, zwanej potocznie „waflem”. Tradycyjnie obraz maski uzyskuje się poprzez naświetlanie warstwy światłoczułej nałożonej na pokryty cieniutką warstwą dwutlenku krzemu wafel, a następnie usunięcie nie utwardzonej w procesie naświetlania części tej warstwy. Odsłonięta w ten sposób warstwa dwutlenku jest następnie trawiona, odsłaniając na powierzchni krzemu obraz maski.

Wafel z naświetlonymi układami / fot. Tom's Hardware

Oczywiście najbardziej pożądane jest, aby naświetlone obrazy maski były jak najmniejsze, a rozdzielczości uzyskiwane w tym procesie są już rzędu dziesiątek nanometrów. Im mniejsza jest ta wartość tym mniej układ będzie wymagał energii do pracy i jednocześnie zajmie mniej miejsca we wnętrzu obudowy albo uda się w nim umieścić więcej tranzystorów, poprawiając tym samym wydajność. Obecnie najnowsze układy SoC są produkowane w technologii 28-32 nm, choć układy Tegra 3 czy A5x (serce nowego iPada) są wciąż wytwarzane w procesach 40-45 nm. Walka o zmniejszanie tych wielkości ciągle trwa – ostatnio Samsung podał, że już w przyszłym roku chce uruchomić linię produkcyjną dla technologii 20 nm, a nawet 14 nm.

Najpopularniejsze SoC

W poniższej tabeli podjąłem próbę zestawienia najpopularniejszych obecnie na rynku SoC wraz z ich podstawowymi parametrami oraz przykładowymi tabletami w których je wykorzystano. Lista nie pretenduje do miana notatki encyklopedycznej i na pewno zawiera jakieś nieścisłości, które będę starał się systematycznie poprawiać. Zdaję sobie też sprawę, że nie wymieniłem tu wszystkich układów, a jedynie te najpopularniejsze na dzień publikacji, proszę więc o wyrozumiałość i zgłaszanie w komentarzach propozycji rozszerzenia listy i/lub konieczności naniesienia poprawek.