Jednym z ciekawszych wydarzeń w świecie technologii jest niedawna premiera nowej serii procesorów ARM stworzonych przez firmę Qualcomm. Mowa tutaj oczywiście o chipach Snapdragon X Elite i Snapdragon X Plus, które przeznaczone są do pracy w laptopach z systemem Windows. Nie jest to pierwsza próba łączenia okienek i jednostek centralnych o architekturze ARM, ale pierwsza, która w mojej opinii może się udać. Jednak, abym mógł dostatecznie dobrze wyjaśnić pełen background tej historii, musimy cofnąć się do 2007 roku.
Apple i ich pierwsze układy scalone
Aktualnie prezentowane światu modele iPhona sprzedają się w milionach sztuk, jednak pierwsze kroki firmy z Cupertino w segmencie telefonów komórkowych nie musiały być tak owocne. Przed premierom urządzenia pierwszej generacji wielu ludzi z branży wróżyło Apple olbrzymią porażkę. Do historii przeszła przede wszystkim wypowiedź ówczesnego szefa Microsoftu, który stwierdził, że nikt nie kupi tak drogiego telefonu, który nie ma klawiatury. W podobnym tonie swoją opinię wygłosił przedstawicieli przedsiębiorstwa Research In Motion (dzisiaj BlackBerry), który zarzucił Apple kłamstwo, ponieważ według niego urządzenie z tak dużym ekranem nie miało prawa pracować bez użycia zewnętrznego zasilacza. Jednak mimo krytycznych uwag z branży prezentacja pierwszego iPhona okazała się sukcesem i wielu dziś uważa ją za początek ery współczesnych smartfonów.
Z dzisiejszej perspektywy telefon ten nie wydaje się już tak imponujący, ale w swoim czasie urządzenie robiło spore wrażenie. Wspomnieć trzeba tutaj przede wszystkim o 3,5 calowym ekranie dotykowym, do którego obsługi potrzebny był dość mocny sprzęt. W tamtym czasie Apple nie było firmą projektującą układy scalone, dlatego zdecydowali się oni na współpracę z Samsungiem, który zaprojektował oraz wyprodukował procesor wykorzystywany w iPhonie pierwszej generacji.
Był to SoC o oznaczeniu S5L8900 łączący rdzeń ARM i układ graficzny PowerVR. Jednak korzystanie z gotowych rozwiązań dostarczanych przez zewnętrznych producentów było wizją, którą zarząd Apple już na starcie odrzucił i docelowo chipy w iPhonie maiły być produktem firmy z Cupertino. Aby było to możliwe, firma musiała stworzyć lub kupić „zespół” projektowy. Ostatecznie ziściło się to drugie rozwiązanie i rok po premierze pierwszego iPhona Apple przejęło za 278 milionów dolarów firmę Palo Alto Semicoductor, zyskując tym samym z dnia na dzień kompletny zespół inżynierów, którzy już wkrótce mieli zaprezentować światu pierwszy procesor sygnowany logiem Apple.
Efektem prac nowego zespołu było pojawienie się pierwszego krzemowego rdzenia od Apple, czyli procesora A4, który był mózgiem iPhona 4. Choć zaprojektowany układ był dziełem inżynierów z PA Semiconductor, bo pod taką nazwą spotykana była wcześniej wspomniana firma, to jednak był on dość mocno inspirowany poprzednimi modelami układów zaprojektowanych przez Koreańczyków. Spoglądając na layout obu chipów, dość łatwo można zauważyć podobieństwa.
Choć na obronę Apple trzeba wspomnieć, że układ A4 pozbawiony został dość wielu bloków I/O (wejścia/wyjścia). Konstrukcje Samsunga instalowane w pierwszych iPhonach były na swój sposób uniwersalne, a część z ich funkcjonalności nie była wykorzystywana w docelowym urządzeniu. Inżynierowie Apple postanowili wyciąć wszystko to, co nie będzie im potrzebne, dzięki czemu chip stał się prostszy w budowie i bardziej energooszczędny.
Mimo że układów Samsunga nie można było znaleźć w nowych iPhonach, to współpraca obu firm nadal kwitła. Nowe jednostki Apple produkowane były na tych samych liniach produkcyjnych co wcześniejsze procesory z Koreii. W tym samym czasie Amerykanie nadal inwestowali w dział rozwoju półprzewodników. Jednym z ciekawszych zakupów było przejęcie firmy Intrinsity, przede wszystkim dla ich technologii fast14, która była narzędziem pozwalającym upraszczać projektowane w krzemie struktury.
Tym sposobem Apple poza firmą projektującą elektroniczne urządzenia stała się też producentem półprzewodników bez własnych fabryk, a na horyzoncie majaczył już kolejnych układ scalony, który jest swego rodzaju kamieniem milowym tej historii.
Niby ARM, ale nie do końca…
Istnieją dwa sposoby uzyskania licencji na procesory ARM. Pierwszym jest zakup gotowego rdzenia, na przykład ARM Cortex co robi większość producentów procesorów, takich jak przykładowo ST Microelectronics. Wybrać można też nieco trudniejszą ścieżkę i wybrać licencję na architekturę ARM i na jej podstawie zbudować własną jednostkę centralną i na takie właśnie rozwiązanie zdecydowało się Apple, zyskując w ten sposób pełną kontrolę nad własnym sprzętem.
Efektem zakupu pełnej licencji na „chip designe” układów ARM był procesor A6 z 2012 roku, który zadebiutował w iPhonie piątej generacji. Apple oparło go na autorskiej architekturze Swift, która to bazowała na zestawie instrukcji ARMv7-A. Jednostka ta była przełomowa przede wszystkim przez własną architekturę niepodobną do niczego wcześniej, a nawet jeśli projektanci Apple wzorowali się na jakimś układzie, to pozostanie to tajemnicą. Jednak mimo premiery kolejnej jednostki centralnej korporacja z logiem nadgryzionego jabłka nie przestała inwestować w swój dział projektowania półprzewodników.
Każda kolejna jednostka prezentowana przez Apple w kolejnych latach była lepsza niż jej poprzednik. Charakteryzował je wzrost wydajności, mniejszy rozmiar, większa energooszczędność i wiele innych, ale najważniejszym aspektem był fakt, że układy oparte były na autorskiej architekturze, której natywna wydajność coraz bardziej przewyższała konkurencję. Kolejnym krokiem milowym po A6 możemy uznać premierę procesorów z serii M, które początkowo znalazły się tylko w MacBookach. Dzięki nim nowe komputery Apple znacznie przewyższały wydajnością swoich poprzedników, w których mózgiem były procesory Intela oparte na architekturze x86.
Zespołowi z Cupertino udało się zaprojektować naprawdę niezwykłe chipy. Wydajne i jednocześnie energooszczędne, ale nie wszyscy byli zadowoleni z kursu, jaki obrało Apple.
Poszukiwanie wyzwań
Projektowanie mobilnych procesorów jest ciekawym zajęciem, ale w 2019 roku trójka pracowników Apple uznała, że potrzebne są im nowe wyzwania i woleliby skupić się na projektowaniu chipów do zastosowań serwerowych, co dla projektanta jest relatywnie większym wyzwaniem.
Gerard Williams był dyrektorem ds. architektury nowych platform, Manu Gulati piastował funkcję głównego architekta SoC, natomiast John Bruno zajmował się architekturą systemów. Wszyscy trzej dołączyli do zespołu Apple w okolicach premiery układu A4 i pracowali do czasu premiery procesorów M1. Była to doświadczona trójka, która od podszewki znała dział półprzewodników firmy z Cupertino i choć w Apple znaleźć możemy wielu doskonałych inżynierów, to właśnie oni odpowiedzialni byli za rozwój kolejnych układów z serii A i przeszłych procesorów mobilnych.
Jednak poszukując nowych wyzwań trójka dzisiejszych bohaterów, postanowiła założyć w 2019 roku własną firmę pod nazwą NuVia.
Pozew Apple wobec Gerarda Wiliamsa. (https://www.youtube.com/watch?v=VQKMoT-6XSg)
Odpowiedzią Apple na powstanie NuVi był pozew wobec jej głównemu założycielowi. Firma zarzucała Gerardowi Williamsowi, że gdy jeszcze pracował w Apple, to planował stworzenie własnej firmy i prowadził rekrutację wśród pracowników Apple Park. Zarzut tego typu jest dość poważny, ale bardzo trudny do udowodnienia, zwłaszcza w Kalifornii, gdzie prawo sprzyja uczciwej konkurencji.
Postępowanie sądowe toczyło się przez trzy lata, ale nic z niego ostatecznie nie wynikło i po tym czasie Apple wycofało pozew.
Po powstaniu NuVi zespół Williamsa natychmiastowo zabrał się do pracy, czego efektem była opublikowana już jakiś czas później informacja o procesorze NuVia Orion i autorskiej architekturze Phoenix. Projektanci postawili przed sobą dość prosty cel – zwiększyć wydajność przy braku wzrostu poboru energii. Bazując na pierwszych opublikowanych porównaniach, można stwierdzić, że zadanie udało się zrealizować. Procesory Orion miały zapewnić dwukrotny wzrost wydajności, jednocześnie zachowując swoje wymagania energetyczne. Firma była na drodze, aby pokazać światu coś naprawdę ciekawego, ale przyszedł rok 2021.
Powrót do korporacji
W 2021 roku za 1,4 miliarda dolarów NuVia zostaje wykupiona przez Qualcomm, celem wdrożenia architektury Phoenix w przyszłych SoC tej firmy. Teraz już wiecie, dlaczego historia procesorów Snapdragon X zaczyna się tak naprawdę w Apple.
Do Qualcomma trafiła ciekawa technologia, której możliwości nie mieliśmy nawet szans poznać, ale firma ta postanawiała nieco zainwestować i kupić przysłowiowego kota w worku. Choć w rzeczywistości mogło chodzić przede wszystkim o trzech byłych pracowników Apple, który budowali zespół półprzewodników w firmie z Cupertino. Choć pewną ironią jest, że zespół Williamsa odszedł z Apple, aby nie projektować już jednostek mobilnych, a po czasie zostali wykupieni przez innego producenta tego typu procesorów.
Jak możemy dowiedzieć się z dostępnych informacji, układy Qualcomm Snapdragon X są efektem wdrożenia architektury Phoenix, choć nie wiemy, w jakim stopniu jest ona zgodna z oryginałem NuVi. Mógłbym tutaj przytoczyć kilka suchych faktów technicznych o tych procesorach, ale chciałbym tak naprawdę zwrócić waszą uwagę tylko na jedną kwestię. Układy Qualcomm produkowane będą w 4nm, a powierzchnia samego rdzenie będzie wynosić około 170-180mm2. Liczba ta jest niezwykle zbliżona do konkurencyjnych układów innych producentów: AMD Ryzen z serii 7000 – 178mm2, Intel Meteor Lake 174mm2, Apple M3 146mm2. Dzięki temu wiemy, że Snapdragon X będzie procesorem laptopowi pełną gębom i to właśnie w ten segment układów celować będzie Qualcomm. Ciekawą informacją jest też, że układy te nie będą składać się z wydajnych i energooszczędnych rdzeni, co stało się już pewnym standardem w konstrukcjach innych producentów. Z tego, co wiem, architektura Phoenix nie przewidywała takiego rozwiązania.
Całość wygląda naprawdę ciekawie, tak jak wspomniałem na początku, może to być pierwszy podejście do systemu Windows na ARM, które się uda. Jednak mimo to nadal jest wiele znaków zapytania. O architekturze procesora nadal nie wiemy zbyt wiele, jego wyniki wydajnościowe pochodzą od samego producenta lub związanego z nim środowiska. Poza tym ma ostatniej konferencji Qualcomm zaprezentowano dane różne względem wcześniejszych prezentacji. Zmniejszyły się wyniki wydajności, obniżone zostały taktowania obsługiwanych pamięci, a także zmniejszyła się ilość pamięci podręcznej. Oczywiście może to być efekt wieku dziecięcego tej konstrukcji, bo jednak jest to coś nowego w portfolio Qualcomm.
Osobną kwestią jest też oczywiście oprogramowanie, z jakim pracować będzie nowy Snapdragon. W przypadku procesorów mobilnych Apple kwestie softowe zostały zoptymalizowane pod nową architekturę i konkretne układy scalone. Obawiam się, że w przypadku Microsoftu i Windowsa nie mamy co liczyć na podobny efekt, niestety wpadamy tutaj w pułapkę uniwersalności. Może być to powodem, dla którego z procesorów Qualcomma nigdy nie zostanie wyciągnięta ich maksymalna wydajność. Co przyniesie przyszłość, zobaczymy, może to być pierwszy krok Windowsa w stronę ARM, ale czy za moment Microsoft nie postanowi zawrócić do dobrze znanego x86, to pytanie pozostaje otwarte.
Na mojej stronie nie znajdziesz zwyczajnych, jak i automatycznie generowanych przez Google Ads reklam, innymi słowy nie mam żadnych profitów z prowadzenia tego serwisu. Ale jeśli chcesz wesprzeć moją pracę, to możesz postawić mi kawę. Dzięki😊
Źródła:
- https://hothardware.com/news/analysts-confirm-apples-a4-similar-to-samsung-cpuhttps://www.ifixit.com/Guide/iPhone+1st+Generation+Logic+Board+Replacement/447
- https://www.youtube.com/watch?v=VQKMoT-6XSg
- https://community.arm.com/arm-community-blogs/b/architectures-and-processors-blog/posts/a-brief-history-of-arm-part-1
- https://www.zdnet.com/article/inside-apples-a6-processor/
- https://docs.qualcomm.com/bundle/publicresource/87-71417-1_REV_F_Snapdragon_X_Elite_Product_Brief.pdf
- https://www.qualcomm.com/products/mobile/snapdragon/pcs-and-tablets/snapdragon-x-elite#Documentation
- https://appleinsider.com/articles/20/02/14/former-iphone-chip-designer-hits-back-at-apple-for-anticompetitive-practices