Systembrikke

Systembrikke

Våre krav til høy ytelse øker etter hvert som våre mobiltelefoner og nettbrett blir mer og mer funksjonsrike. De grafiske grensesnittene må kjøre flytende uten hakking, det skal gå raskt å starte apper, og det skal være mulig å spille avanserte spill. På mange måter har mobiltelefonene og nettbrettene blitt til bærbare spillkonsoller. Appbutikkene er fulle av spill, fra enkle Pong- og Pacman-lignende spill til bilspill, krigsspill og strategispill med grafikk i samme klasse som moderne dataspill. Det kreves mye av mobiltelefoner og nettbrett for å kunne kjøre så tunge spill, og komponenten som har den største innvirkningen på dette, er den såkalte systembrikken (SOC-en).

Systembrikke

I vanlige bærbare og stasjonære datamaskiner er prosessoren en selvstendig komponent på hovedkortet. Den kobles sammen via hovedkortet med RAM-minnet og grafikkortet eller grafikkretsen (som i enklere systemer kan være innebygd i prosessoren). Les mer om funksjonene til henholdsvis prosessoren, RAM-minnet og grafikkortet i bokens del om datamaskiner.

Under konstruksjonen av mobiler og nettbrett er det alltid et mål at komponentene skal oppta minst mulig plass. For å imøtekomme dette ønsker produsentene å bygge inn så mye funksjonalitet som mulig på en enkelt brikke. På mobiltelefonenes hovedkort ­pleier det derfor å være en systembrikke som kombinerer prosessorkjerner, grafikkjerner, kommunikasjonstilkoblinger og noen ganger også mobilradiofunksjoner. RAM-minnet pleier også å være tett knyttet til systembrikken, og de to komponentene er ofte pakket sammen i en og samme kapsel for å spare plass (løsningen kalles for Pop, "Package on Package").

Den plassbesparende designen av systembrikken sammenfatter funksjonalitet fra flere brikker i én.

ARM-basert systembrikke

Som det beskrives i Datamaskin 3.1 er det vanligst med ARM-baserte systembrikker i mobiler og i de fleste nettbrett. IOS og Windows Phone er operativsystemer som er utformet for å kjøre på ARM-maskinvare. Android og Windows 10 Mobile er litt spesielle, siden de kan kjøres både på ARM- og X86-maskinvare (X86 er den samme maskin­varen som Windows og Mac OS X kjører på). Det er imidlertid mye mer vanlig med ARM-baserte Android- og Windows-mobiltelefoner enn X86-baserte.

De fleste av de ARM-baserte systembrikkene i våre mobiltelefoner og nettbrett produseres av fire selskaper. Det finnes mange flere selskaper som produserer ARM-baserte systembrikker, men vi ser sjelden deres systembrikker i våre mobiltelefoner og nettbrett. Derimot ser vi ofte systembrikker fra Qualcomm (Snapdragon), Samsung (Exynos), Apple (A-serien) og Nvidia (Tegra) i disse.

Her vises eksempler på familier av systembrikker og et utvalg av toppmodeller innen mobiltelefoner og nettbrett som de brukes i

Produsenter Systembrikkefamilie Brukes i
Qualcomm Snapdragon HTC One (M9)
LG G4
Lumia 930
Samsung Galaxy S5
Samsung Galaxy Note 4
Sony Xperia Z3 Compact
Sony Xperia Z3+
Samsung Exynos Samsung Galaxy S6
Samsung Galaxy S6 Edge
Apple A-familien (A8) Iphone 6
Iphone 6 Plus
Nvidia Tegra HTC/Google Nexus 9

I hver familie av systembrikker finnes det flere ytelsesnivåer og mange forskjellige systembrikkemodeller. Dette er den samme tilnærmingen som finnes i prosessorbransjen for datamaskiner. Der har Intel sin Core-familie med flere forskjellige ytelsesnivåer (Core i3, Core i5 og Core i7). I systembrikkebransjen har Qualcomm sin Snapdragon-familie med et lignende opplegg for ytelsesnivåer (Snapdragon 200, Snapdragon 400, Snapdragon 600 og Snapdragon 800). Snapdragon-familien vil bli behandlet nærmere senere i dette kapitlet.

I en systembrikke

Systembrikkeprodusentenes oppgave er å kombinere den, ifølge dem, perfekte sammensetningen av prosessorkjerner, grafikkjerner og kommunikasjonsløsninger (for eksempel, Bluetooth, trådløst nettverk og LTE). De sammenfatter alt dette i én brikke som de deretter selger til mobiltelefon- og nettbrettprodusenter eller bruker i sine egne mobiltelefoner og nettbrett.

Et eksempel på en systembrikke er Snapdragon 810. Den brukes blant annet i HTC One (M9) og Sony Xperia Z3+. Nedenfor vises en liste over alt som er innebygd i systembrikken Snapdragon 810:

  • Åtte CPU-kjerner (fire Cortex A54 og fire Cortex A53)
  • Grafikkretsen Adreno 430
  • LTE kategori 9-modem
  • Wireless AC-nettverkskort med to datastrømmer og Mu-mimo.
  • Bluetooth 4-radio
  • GPS-mottakere

Det er kort og godt bare svært mye teknologi som Qualcomm har sammenfattet i én og samme brikke. Kraften og teknologien i Snapdragon 810 gjør at mobilprodusenter kan bygge mobiltelefoner som kan spille inn video i Ultra HD 4k-oppløsning, ta bilder i opptil 55 megapikslers oppløsning, drive skjermer med opptil Ultra HD 4k-oppløsning og kobles til med kabel via USB 3.0! Dette forutsetter selvsagt at de utstyrer sine mobiler med tilsvarende maskinvare (f.eks. kamera med 55 megapiksler og USB 3.0-port)1. Poenget er at systembrikken kan håndtere dette.

Systembrikkens prosessorkjerner

Den viktigste delen av en systembrikke med hensyn til ytelse er prosessorkjernene. ARM Holdings (selskapet bak ARM) designer ARM-baserte prosessorkjerner som de lar systembrikkeprodusentene bruke som CPU-er på systembrikkene. Disse prosessorkjernene går under familienavnet Cortex og brukes blant annet av Samsung i deres Exynos-systembrikke og av Nvidia i deres Tegra-systembrikke.

ARM Cortex-logoen

Enkelte andre systembrikkeprodusenter designer egne prosessorkjerner som er kompatible med ARM-arkitekturen, noe som innebærer at de kan stilles inn på samme måte som Cortex-kjernene. De er dermed også kompatible med samme programvare. Qualcomm utvikler for eksempel sine kjerner selv, som kalles for Krait (brukes blant annet i Snapdragon 801).

Klokkefrekvens

Systembrikkens prosessorer kan, på samme måte som vanlige datamaskinprosessorer, ha forskjellige klokkefrekvenser (hastigheter), ha forskjellig antall kjerner og ha for skjellig strømforbruk og effektivitet. Når en systembrikkeprodusent stiller inn klokkefrekvensen på prosessorkjernene gjøres dette basert på et kompromiss mellom ytelse og strømforbruk. En høyere klokkehastigheten fører til høyere ytelse og kortere batteritid. En lavere klokkefrekvens fører til det motsatte.

I årenes løp har vi fått stadig høyere klokkefrekvenser. Dette har blitt gjort mulig ved samtidig å krympe prosessorkjernene og dermed få dem til å trekke mindre strøm.

Snapdragon 801 sitter i blant annet Sony Xperia Z2 og Samsung Galaxy S5. Snap­dragon 801-systembrikken i Sony Xperia Z2 er litt tregere enn brikken i Samsung ­Galaxy S5. De fire Krait-kjernene i Snapdragon 801 er klokket til 2,3 GHz i Xperia Z2 og til 2,5 GHz i Galaxy S5. Hvis Xperia Z2 og Galaxy S5 hadde kjørt nøyaktig samme programvare, ville dermed Galaxy S5 vært litt raskere. Siden programvaren er forskjellig mellom disse telefonene, kan ikke noen slik konklusjon fastslås.

Samsung Galaxy S5 Sony Xperia Z2
Systembrikke Snapdragon 801 Snapdragon 801
Antall kjerner 4 Krait-kjerner 4 Krait-kjerner
Klokkefrekvens 2,5 GHz 2,3 GHz

En sammenligning av systembrikkekjernenes klokkefrekvenser er sjelden relevant å gjøre. Systembrikkene må være av samme generasjon, ha samme antall kjerner og kjøre den samme programvaren for at en slik sammenligning skal kunne si noe om brukeropplevelsen. Sammenligninger av klokkefrekvenser som disse er ikke bare irrelevante, men direkte villedende ved sammenligninger av systembrikker i mobiltelefoner som kjører ulike operativsystemer. Windows 10 Mobile er generelt et mer lettdrevet system enn Android. Dermed kan en Windows-mobil med tregere systembrikkekjerner oppleves å være raskere enn en Android-mobil med raskere systembrikkekjerner.

Antall kjerner

Akkurat som for datamaskiner tilsvarer ikke flere kjerner nødvendigvis høyere ytelse. Programvaren må kunne dra nytte av alle kjernene for at ytelsen skal øke. I skrivende stund (august 2015) har det blitt standard å utstyre flaggskipsmobiler og -nettbrett med prosessorer med fire eller åtte kjerner.

I standard firekjernede prosessorer stilles klokkefrekvensen inn som et kompromiss mellom ytelse og strømforbruk. Stor-og-liten-prinsippet i åttekjernede prosessorer medfører at en slik kompromissløsning ikke er nødvendig. I stedet utstyres systembrikken med fire langsomme og strømsparende kjerner og fire strømforbrukende og raske kjerner.

Samsung Exynos 5 Octa er et eksempel på en systembrikke som bruker stor-og-liten-prinsippet. I wifi-versjonen av Samsungs toppmodell innen nettbrett, Galaxy Tab S, ­sitter det en slik systembrikke med fire kraftige kjerner på 1,9 GHz (Cortex-A15) og fire energieffektive kjerner på 1,3 GHz (Cortex-A7). Ved å bruke de fire energieffektive kjernene til enkle prosesser og de fire kraftige kjernene til å oppnå topp ytelse leverer Exynos 5 Octa både mye kraft og god batteritid. Samsung selv oppgir at stor-og-liten-prinsippet gjør at Exynos 5 Octa kan spare 70 % energi sammenlignet med en renskåret Cortex-A15-ekvivalent (ved varierende oppgaver)2.

Prosessorbelastning ved utføring av oppgaver som krever høy ytelse (f.eks. spill).
Prosessorbelastning ved utføring av enkle oppgaver (f.eks. bla på en nettside). 

32-biters eller 64-biters

Ved begynnelsen av årtusenet begynte overgangen fra 32-biters systemer til 64-biters systemer i dataindustrien (les mer i Datamaskin 3.6). I 2013 begynte den samme overgangen i mobil- og nettbrettbransjen. I forbindelse med lanseringen av Iphone 5s og Ipad Air begynte Nordens befolkning å gå rundt med 64-biters mobiltelefoner i lommer og vesker. I disse enhetene satt nemlig Apples 64-biters baserte systembrikke A7.

Det at systembrikkene i mobiltelefoner og nettbrett før eller senere ville være 64-biters basert, var allerede forutbestemt. ARM Holdings hadde lagt grunnlaget for dette ved å fullføre den første 64-biters versjonen av ARM-arkitekturen (ARM v8). At Apple valgte den til sin A7-systembrikke, kom likevel som en overraskelse. Forventningene var at den 32-biters baserte ARM v7-arkitekturen fortsatt ville bli brukt en god stund til.

ARM v8 er en helt ny arkitektur. Den inkluderer kjørestøtte både for 32-biters og 64-­biters programvare, slik at ikke all programvare må skrives om for å fungere. Programvaren må likevel skrives om for å kunne dra nytte av fordelene som ARM v8 muliggjør.

ARM Holdings har i skrivende stund allerede designet to ARM v8-prosessorkjerner i form av den kraftige Cortex-A57 og den strømsparende Cortex-A53. Oppsett med disse to prosessorkjernene kan arbeide sammen i henhold til stor-og-liten-prinsippet omtalt tidligere i dette kapitlet. Det er akkurat en slik kombinasjon av fire pluss fire kjerner som Qualcomm har valgt til sin kommende toppmodell innen systembrikker, Snapdragon 810. Den forventes å bli brukt i Android-baserte toppmodeller innen mobiltelefoner og nettbrett i 2015.

Apple har, som tidligere nevnt, allerede gått over til ARM v8 for prosessorkjerner i sine mobiltelefoner og nettbrett. Apples A7-systembrikke inneholder to 64-biters kjerner kalt for Cyclone.

Prosessorkjerne ARM-arkitektur Brukes i
ARM Cortex-A7 ARM v7 (32-biters) Exynos, Tegra m.fl.
ARM Cortex-A8 ARM v7 (32-biters) Apple A4, Exynos m.fl.
ARM Cortex-A9 ARM v7 (32-biters) Apple A5, Exynos, Tegra m.fl.
ARM Cortex-A15 ARM v7 (32-biters) Exynos, Tegra m.fl.
Qualcomm Scorpion ARM v7 (32-biters) Snapdragon
Qualcomm Krait ARM v7 (32-biters) Snapdragon
Apple Swift ARM v7 (32-biters) Apple A6
ARM Cortex-A53 ARM v8 (64-biters) Exynos, Snapdragon m.fl.
ARM Cortex-A57 ARM v8 (64-biters) Exynos, Snapdragon m.fl.
Apple Cyclone ARM v8 (64-biters) Apple A7
Nvidia Denver ARM v8 (64-biters) Tegra

Hovedgrunnen til å bytte til 64-biters systemer er, akkurat som det var i datamaskinsammenheng, muligheten til å ha mer enn 4 GB RAM. Dette var ikke et problem som Apple trengte en løsning på i 2013, fordi deres toppmodeller på den tiden (Iphone 5s og Ipad Air) bare hadde 1 GB RAM. Samtidig var det heller ingen grunn for Apple å vente med overgangen til 64 biter. I forbindelse med utgivelsen av IOS 7 lanserte Apple et nytt grafisk designprinsipp som gjorde at produsentene av apper også måtte oppdatere sine apper, for at de skulle se moderne ut. Siden det ikke finnes tvil om at 64-biters systemer er fremtiden, var dette et godt tidspunkt for Apple å starte overgangen på.

På Android-fronten begynner problemet med grensen på 4 GB derimot å nærme seg ­aktuelt. Der har allerede 3 GB begynt å bli en vanlig mengde RAM-minne i toppmodeller. Entusiastmobilen Oneplus Two fra 2015 har 4 GB RAM, og det vil ikke være mange år før enkelte Android-enhetsprodusenter ønsker å bygge en mobiltelefon eller et nettbrett med mer enn 4 GB RAM. Google gav Android støtte for en 64-biters systembrikke i forbindelse med Android 5.0 (Lollipop), som ble lansert høsten 2014.

Når det gjelder X86-baserte Windows-nettbrett (dvs. de som kjører Windows 8 og Windows 10), er det standard med 64-biters prosessorer. Enkelte nettbrettprodusenter velger likevel å utstyre enhetene med 32-biters versjoner av Windows (mest sannsynlig fordi selve operativsystemet krever mindre lagringsplass). Den mobiltilpassede versjonen av Windows 10 er i skrivende stund (august 2015) en rent 32-biters operativsystem, men det har støtte for å kjøres på flere 64-biters prosessorer.

Systembrikkens grafikkretser

Grafikkretsen er en annen viktig del av systembrikken. Med en kraftig krets er det i dag mulig å kjøre de samme spillene på mobiltelefoner og nettbrett som for bare noen få år siden krevde datamaskiner med ekte grafikkort. ARM Holdings designer selv grafikkretser under merkenavnet Mali, og de brukes blant annet av Samsung i flere av Exynos-systembrikkene. Apple bruker derimot grafikkretser som er designet av Imagination Technologies, og som kalles for PowerVR. Qualcomm foretrekker sine egenutviklede grafikkretser Adreno, og Nvidia legger stor vekt på at de bruker ekte Geforce-grafikkretser i sine Tegras-systembrikker.

Med fire store konkurrenter drives utviklingen av mobile spillgrafikkretser fremover i halsbrekkende fart. Flere ganger i året slippes pressemeldinger som beskriver hvordan grafikkretsen til en konkurrent utklasser grafikkretsen til en annen konkurrent.

Å sammenligne grafikkretser i systembrikker basert på spesifikasjonene er om mulig enda vanskeligere enn å sammenligne systembrikkens prosessorer. Heldigvis bygges systembrikker vanligvis opp med balanse mellom prosessorkraft og grafikkraft.

Qualcomm Snapdragon

Qualcomms Snapdragon-familie er en av de mest populære systembrikkefamiliene i dag. For å hjelpe sluttkundene med å forstå hvor mye kraft som finnes i noen av systembrikkene, har Qualcomm delt systembrikkene opp i fire serier: Snapdragon 200, Snapdragon 400, Snapdragon 600 og Snapdragon 800.

Jo høyere det første tallet i systembrikkens navn er, jo høyere ytelsesserie tilhører den. Snapdragon 805 (med 8 som første siffer) tilhører dermed serien med høyest ytelse. I motsatt ende finner vi Snapdragon 200, som tilhører Qualcomms serie med systembrikker på inngangsnivå for budsjettmobiler.

Serie Eksempel på systembrikke
Snapdragon 200 Snapdragon 200
Snapdragon 400 Snapdragon 400, Snapdragon 400
Snapdragon 600 Snapdragon 600, Snapdragon 610, Snapdragon 615
Snapdragon 800

Snapdragon 800, Snapdragon 801, Snapdragon 805,
Snapdragon 808, Snapdragon 810

Systembrikkene kan sammenliknes med hverandre i sine respektive serier. Siden Snapdragon 805 har et høyere tall i 800-serien enn for eksempel Snapdragon 801, er det mulig å konkludere med at 805 er litt kraftigere.

Sammenligninger mellom serier kan derimot ikke gjøres. Snapdragon 800 er ikke nødvendigvis bedre enn Snapdragon 615, selv om Snapdragon 800 har et høyere tall! Dette er fordi Snapdragon 800 er en eldre generasjon enn Snapdragon 615. Snapdragon 800 var populær i mobiltelefoner som ble lansert høsten 2013. Snapdragon 615 vil bli pop­ulær i mobiltelefoner som lanseres i begynnelsen av 2015. Snapdragon 615 har nyere teknologi og kan arbeide mer effektivt enn Snapdragon 800. I tillegg er Snapdragon 615 en 64-biters systembrikke, mens Snapdragon 800 er en 32-biters systembrikke.

Snapdragons logo

Når du sammenligner Snapdragon-systembrikker, bør derfor først serien regnes med (ytelsessegmentet den tilhører). Deretter gjelder det faktum at jo høyere nummeret i serien er, jo bedre er systembrikken.

Apple A-familien

Sammenligninger mellom systembrikker i Apples A-familie er ganske enkel. Apple har en tradisjon for å lansere nye systembrikker en gang i året, og da øker de bare tallet som etterfølger bokstaven A i navnet (for eksempel fra A7 til A8). Jo høyere tall, jo kraftigere er systembrikken.

Apple utgir også ytelsesversjoner av sine egne systembrikker. Disse systembrikkene har navn som slutter med bokstaven X. Apple A8 hadde for eksempel to Typhoon-kjerner klokket til mellom 1,1 GHz og 1,4 GHz. X-versjonen av den samme systembrikken (Apple A8X) hadde to Typhoon-kjerner klokket på 1,5 GHz og en betydelig forbedret grafikkrets.

Referanser

1. Qualcomm (2014). Snapdragon 801-prosessorer. Spesifikasjonsside hentet 1. august 2014. www.qualcomm.com/snapdragon/processors/801

2. Samsung Electronics (2014). Exynos 5 Octa. Nettside hentet 1. august 2014. www.samsung.com/global/business/semiconductor/minisite/Exynos/w/solution.html#?v=octa_5410

Sist endret: 2015-10-20