Kartläggning: Så funkar System on Chip

Appar, spel och funktioner som strömmande video och navigering kräver processorkraft som en hyfsad stationär dator med bara några få år på nacken. Vägen till prestanda i dator­erna har varit strömkrävande processorer med rejäla fläktar och kylflänsar kombinerat med separata grafikkort, ljudkort, minnesmoduler och nätverkskort. Att försöka klämma in en vanlig datorprocessor i mobilen skulle leda till sönderbrända byxfickor och antingen en återgång till 80-talets tegelstenslurar eller till batteritider i storleksordningen 10 minuter, så tillverkarna har valt en annan väg. 

Genom att samla komponenterna som är mest avgörande för prestandan på ett enda stycke kisel blir det möjligt att bygga mobiler som är snabba, kompakta och strömsnåla. Tekniken kallas System on Chip eller SOC och används inte bara i mobiler och surfplattor utan också i prylar som digitalboxar, routrar och teve-apparater. SOC har också börjat ta plats i vanliga datorer som Chromebook och Acer Aspire v5-122p.

Som namnet antyder kan ett SOC innehålla nästan allt som krävs för ett fungerande system, men det är vanligare att tillverkarna fokuserar på de tyngsta delarna – huvudprocessorn och grafikprocessorn – och lägger komponenter som minne, modem och sensorer i andra chip. 

Huvudprocessorn (Central Processing Unit, förkortat CPU) har två egenskaper som mobiltillverkarna ofta lyfter fram – antalet kärnor och klockfrekvensen. 

En mobil kan till exempel ha fyra kärnor på 1,5 ghz. Varje kärna utgör i princip en komplett CPU och tillsammans kan de dela på arbetsuppgifterna och öka mobilens prestanda. 

Men sambandet mellan klockfrekvens, kärnantal och prestanda är inte så starkt som reklamen antyder.

– Antalet kärnor har viss betydelse. Från en till två kan man se en rätt stor förbättring i prestanda, men från två kärnor till fyra är det inte alls lika uppenbart, menar Andreas Anyuru, författare och Senior Member of Technical Staff på ST-Ericsson.

Andreas Anyuru.

Anledningen är att programvaran inte är så lätt att parallellisera – alltså fördela uppgifterna över flera processorkärnor. Andreas Anyuru berättar att Linuxkärnan i Androidmobiler visserligen har stöd för att göra detta på ett mycket bra sätt, men att det fortfarande krävs att resten av programvaran är parallelliserbar. Exempelvis webbläsaren skalar inte alls bra på fler än två kärnor.

Strömsnåla processorer

Idag innehåller i stort sett alla mobiler processorkärnor från brittiska ARM – trots att företaget varken levererar kompletta SOC eller tillverkar egen hårdvara. 

– ARM har varit väldigt duktiga under lång tid på att göra strömsnåla processorer med bra prestanda. Jag tror ARM fortsätter att vara dominerande framöver, men Intel kommer att göra mycket för att ta sig in på den mobila marknaden, säger Andreas Anyuru.

Grafikprocessorn (Graphics Processing Unit, förkortat GPU) är ett måste för att mobilsystem som Android, IOS eller Windows Phone ska fungera. Att uppdatera en högupplöst skärm så många gånger per sekund som krävs för att bilden ska flyta utan hack och fördröjningar kräver mycket beräkningskraft. När det gäller grafik är det ofta samma typ av beräkningar som upprepas i förutsägbara mönster, så genom att bygga en specialanpassad processor går det att få betydligt mer gjort per krona och wattimme jämfört med att öka kapaciteten på mobilens cpu. 

Mobilens GPU klarar en lång rad uppgifter. 3D-funktionerna används inte bara i spel utan också i nästan alla delar av mobilens gränssnitt – till exempel när ett halvgenomskinligt fönster läggs ovanpå en annan vy eller i växlingen mellan olika sidor. Grafikprocessorn är också viktig för webbläsaren – till exempel när alla effekter som går att skapa genom CSS3-stilmallar ska ritas upp. 

För att appar och system ska fungera med olika typer av grafikprocessorer finns standardiserade sätt att anropa funktionerna – så kallade API:er. För 3D-grafik heter standarden OpenGL ES och för 2d-grafik finns OpenVG. 

Flera olika GPU-utvecklare konkurrerar om att få in sina produkter i mobilernas SOC. Imagination PowerVR har en stor marknadsandel genom att den finns i nästan alla Apples IOS-enheter. 

Andra vanligt förekommande GPU-serier är ARM Mali, Vivante SC och DMP Smaph. Qualcomm och Nvidia har satsat på egna GPU-serier – Adreno respektive Geforce – som bara finns i märkets egna soc. Nvidia har dock nyligen presenterat planer på att licensiera ut sin GPU-teknik till andra tillverkare.

Vid sidan av GPU och CPU innehåller de flesta SOC hårdvara för videokodning. Av ungefär samma anledningar som det är smart att låta mobilens CPU slippa grafikberäkningarna lönar det sig att lyfta ut komprimering och uppspelning av video – speciellt när det gäller hög upplösning och avancerade format som h.264 och WEBm. Google är en stor aktör när det gäller videohårdvaran efter köpet av företagen On2 och Hantro år 2010, men även ARM och Imagination är med och delar på kakan. 

Några SOC-serier – till exempel Qualcomm Snapdragon 800 och Nvidia Tegra 4i – innehåller även en basbandsdel eller ett modem som genererar radiosignalerna. I de flesta mobiler finns dock de funktionerna i separata chip. 

När de olika delarna på kretskortet för en mobil räknas in upptäcker man att arbetsminnet sitter i samma svarta fyrkant som mobilens SOC – trots att minneskretsarna inte finns med på samma chip. Kapseln med mobilens SOC har ofta chip i flera lager där minnet ligger överst – en lösning som kallas Package-on-Package. Det både sparar utrymme i mobilen och ger förbättrad prestanda eftersom de elektriska vägarna mellan minnet och processorn kan göras väldigt korta.

För de nya SOC som dyker upp i årets mobiler ligger fokus på att höja prestandan ytterligare utan att strömförbrukningen följer med – en svår ekvation när man börjar använda stora kärnor som Cortex A15. 

ARM kallar sin lösning på problemet för Big Little – en Cortex A15 och en Cortex A7 bildar en virtuell processorkärna som antingen är långsam och strömsnål eller snabb och energikrävande beroende på belastningen. 

Det möjliggör mobiler med bra standbytid samtidigt som det går att plocka fram rejäl beräkningskraft vid behov. Det första SOC med Big Little-tekniken är Samsung Exynos 5 Octa som har fyra kärnor vardera av A7- och A15-modell.

– Värmeutvecklingen kommer att bli en utmaning för mobilerna de kommande åren. Även om både GPU och CPU går att köra med hög klockfrekvens, så skulle mobilen smälta om man använde maximal kapacitet längre tid än bråkdelar av en sekund, berättar Andreas Anyuru.

Nästa steg är mobilprocessorer med 64-bitarsteknik – en milstolpe som kan komma att passeras redan under 2014. För vanliga datorer är 64 bitar standarden sedan flera år tillbaka, men i mobilerna är det fortfarande 32 bitar som gäller. 

32-bitarsteknik sätter ett tak för arbetsminnets storlek på 4 Gbyte – en begränsande faktor när systemen får fler funktioner och många appar lägger beslag på en hel del minne för bakgrundsfunktioner.