Systemchip

Systemchip

Våra krav på hög prestanda ökar i takt med att våra mobiler och surfplattor blir alltmer funktionsrika. De grafiska gränssnitten måste flyta utan att hacka, det ska gå snabbt att starta appar och det ska gå att spela avancerade spel. I mångt och mycket har mobil­erna och surfplattorna blivit den breda massans portabla spelkonsoler. Appbutikerna kryllar av spel som sträcker sig från enkla Pong- och Pacman-liknande spel till racing-, krigs- och strategispel med grafik i klass med moderna datorspel. Det krävs en hel del av mobilen respektive surfplattan för att kunna driva så tunga spel, och komponenten som har störst inverkan är det så kallade systemchippet (SOC:n).

Systemchip

I vanliga bärbara och stationära datorer sitter processorn som en självständig ­komponent på moderkortet. Den sammanlänkas via moderkortet med RAM-minnet och grafik­kortet eller grafikkretsen (vilken i enklare system kan vara inbyggd i processorn). Läs mer om processorns, RAM-minnets och grafikkortets respektive funktioner i bokens datorsektion.

I konstruerandet av mobiler och surfplattor eftersträvas alltid att komponenterna ska ta minsta möjliga plats. För att åstadkomma det vill tillverkarna bygga in så mycket funktionalitet som möjligt i ett och samma chip. På mobilernas moderkort brukar det därför sitta ett systemchip som bakar samman processorkärnor, grafik­kärnor, kommunikationsanslutningar och ibland även mobilradiofunktioner. RAM-minnet brukar också vara tätt kopplat till systemchippet och de två komponenterna är ofta sammanpaketerade till en och samma kapsel för att spara plats (lösningen kallas Pop, Package on Package).

Systemchip (SOC)
Processor Grafikkrets RAM-minnesanslutningar Kommunikations-anslutningar

ARM-baserade systemchip

Som det beskrevs i Dator 3.1 är det vanligast med ARM-baserade systemchip i mobiler och i merparten av alla surfplattor. IOS och Windows Phone är operativsystem som är gjorda för att köras på ARM-hårdvara. Android och Windows 10 Mobile är lite speciella, då de kan köras på både ARM- och X86-hårdvara (X86 är samma hårdvara som Windows och Mac OS X körs på). Det är dock mycket vanligare med ARM-baserade Android- och Windows-mobiler än X86-baserade sådana.

De flesta av de ARM-baserade systemchippen i våra mobiler och surfplattor tillverkas av fyra företag. Det finns betydligt fler företag som tillverkar ARM-baserade systemchip, men vi ser sällan deras systemchip i våra mobiler och surfplattor. Där­emot ser vi ofta systemchip från Qualcomm (Snapdragon), Samsung (Exynos), Apple (A-serien) och Nvidia (Tegra) i dessa.

Här följer exempel på familjer av systemchip och ett urval av flaggskeppsmobiler och -surfplattor som de används i.

TillverkareSystemchipfamiljAnvänds i
Qualcomm Snapdragon HTC 10
LG G5
Lumia 930
Samsung Galaxy S7
Sony Xperia Z5 Compact
Sony Xperia Z5 Premium
Samsung Exynos Samsung Galaxy S7
Samsung Galaxy Note 7
Apple A-familjen (A8) Iphone 6
Iphone 6 Plus
Nvidia Tegra HTC/Google Nexus 9

I varje familj av systemchip finns flera prestandanivåer och många olika systemchipmodeller. Det är samma upplägg som finns i processorbranscher för datorer. Där har Intel sin Core-familj med flera olika prestandanivåer (Core i3, Core i5 och Core i7). I systemchipbranschen har Qualcomm sin Snapdragon-familj med liknande prestandanivåupplägg (Snapdragon 200, Snapdragon 400, Snapdragon 600 och Snapdragon 800). Snapdragonfamiljen behandlas närmare längre fram i detta kapitel.

I ett systemchip

Systemchiptillverkarnas uppgift är att kombinera den, enligt dem, perfekta sammansättningen av processorkärnor, grafikkärnor och kommunikationslösningar (t.ex. Bluetooth, trådlöst nätverk och LTE). De bakar samman allt detta till ett chip som de ­sedan antingen säljer till mobil- och surfplattetillverkare eller använder i sina egna mobiler och surfplattor.

Ett exempel på systemchip är Snapdragon 810. Det används i bland annat HTC One (M9) och Sony Xperia Z3+. Här följer en lista över allt som finns inbyggt i systemchippet Snapdragon 810:

  • Åtta CPU-kärnor (fyra Cortex A54 och fyra Cortex A53)
  • Grafikkretsen Adreno 430
  • LTE kategori 9-modem
  • Wireless AC-nätverkskort med två dataströmmar och Mu-mimo.
  • Bluetooth 4-radio
  • GPS-mottagare

Det är kort och gott väldigt mycket teknik som Qualcomm har bakat in i ett och ­samma chip. Kraften och tekniken i Snapdragon 810 gör att mobiltillverkare kan bygga mobiler som kan spela in video i Ultra HD 4k-upplösning, ta bilder i upp till 55 ­megapixels upplösning, driva skärmar med upp till Ultra HD 4k-upplösning och anslutas kabelmässigt med USB 3.0! Det förutsätter givetvis att de utrustar sina mobiler med motsvarande hårdvara (t.ex. 55-megapixels­kamera och USB 3.0-port)2. Poängen är att systemchippet klarar av att hantera det.

Systemchippens processorkärnor

Den för prestandan viktigaste delen av ett systemchip är processorkärnorna. ARM ­Holdings (bolaget som ligger bakom ARM) designar ARM-baserade processorkärnor som de låter systemchiptillverkarna använda som CPU:er i sina systemchip. Dessa processorkärnor går under familjenamnet Cortex och används av bland annat Samsung i deras Exynos-systemchip och av Nvidia i deras Tegra-systemchip.

ARM Cortex-logotypen

Vissa andra systemchiptillverkare designar egna processorkärnor som är kompatibla med ARM-arkitekturen, vilket innebär att de kan instrueras på samma sätt som Cortex-kärnorna. De är därmed också kompatibla med samma mjukvaror. Qualcomm ­utvecklar exempelvis själva sina kärnor som kallas Krait (används i bl.a. Snapdragon 801).

Klockfrekvens

Systemchippens processorer kan likt vanliga datorprocessorer ha olika klock­frekvenser (hastigheter), olika antal kärnor, vara olika strömsnåla och olika effektiva. När en system­chiptillverkare ställer in klockfrekvensen på processorkärnorna görs det utifrån en kompromiss mellan prestanda och strömförbrukning. En högre klockfrekvens leder till högre prestanda och kortare batteritid. En lägre klockfrekvens leder till motsatsen.

Med årens gång har vi fått allt högre klockfrekvenser. Det har möjliggjorts genom att samtidigt krympa processorkärnorna och därigenom få dem att dra mindre ström.

Snapdragon 801 sitter i bland annat Sony Xperia Z2 och Samsung Galaxy S5. Snap­dragon 801-systemchippet i Sony Xperia Z2 är dock lite långsammare än det i Samsung Galaxy S5. De fyra Krait-kärnorna i Snapdragon 801 är klockade till 2,3 GHz i Xperia Z2 och 2,5 GHz i Galaxy S5. Om Xperia Z2 och Galaxy S5 hade kört exakt samma mjukvara hade därmed Galaxy S5 varit lite snabbare. Då mjukvaran skiljer sig mellan dessa telefoner kan inte någon sådan slutsats dras.

Samsung Galaxy S5 Sony Xperia Z2
Systemchip Snapdragon 801 Snapdragon 801
Antal kärnor 4 Krait-kärnor 4 Krait-kärnor
Klockfrekvens 2,5 GHz 2,3 GHz

En jämförelse av systemchipkärnornas klockfrekvenser är sällan relevant att göra. System­chippen måste vara av samma generation, ha lika många kärnor och driva samma mjukvara för att en sådan jämförelse ska säga något om användarupplevelsen. Klockfrekvensjämförelser likt dessa är inte bara irrelevanta, utan direkt missvisande vid jämförelser av systemchip i mobiler som driver olika operativsystem. Windows 10 Mobile är generellt sett ett mer lättdrivet system än Android. Det gör att en Windows-mobil med långsammare systemchipkärnor kan upplevas rappare än en Android-mobil med snabbare systemchipkärnor.

Antal kärnor

Precis som i datorsammanhang är inte fler kärnor ekvivalent med högre prestanda. Mjukvaran måste kunna dra nytta av alla kärnor för att prestandan ska öka. I skrivande stund (augusti 2015) har det blivit standard att utrusta flaggskeppsmobiler och -surfplattor med fyr- eller åttakärniga processorer.

I vanliga fyrkärniga processorer ställs klockfrekvensen in som en kompromiss mellan prestanda och strömförbrukning. Stor-och-liten-principen i åttakärniga processorer medför att ingen sådan kompromisslösning behöver vidtas. Istället utrustas system­chippet med fyra långsamma och strömsnåla kärnor samt fyra strömhungriga och snabba kärnor.

Samsung Exynos 5 Octa är ett exempel på ett systemchip som använder stor-och-­liten-principen. I wifi-versionen av Samsungs flaggskeppssurfplatta Galaxy Tab S ­sitter ett sådant systemchip med fyra kraftfulla 1,9 GHz-kärnor (Cortex-A15) och fyra strömsnåla 1,3 GHz-kärnor (Cortex-A7). Genom att använda de fyra strömsnåla kärnorna för ­enkla processer och de fyra kraftfulla kärnorna för prestandasammanhang, ger Exynos 5 Octa både bra kraft och bra batteritid. Samsung själva uppger att stor-och-liten-principen gör att Exynos 5 Octa kan spara 70 % energi jämfört med en renodlad Cortex-A15-motsvarighet (vid varierande uppgifter)3.

Processorbelastning vid utförande av prestandauppgifter (t.ex. gaming).
Processorbelastning vid utförande av enkla uppgifter (t.ex. skrolla på en webbsida).

32 eller 64 bitar

Vid millennieskiftet påbörjades övergången från 32-bitarssystem till 64-bitarssystem i datorbranschen (läs mer i Dator 3.6). 2013 påbörjades samma övergång i mobil- och surfplattebranschen. I samband med lanseringen av Iphone 5s och Ipad Air ­började ­Nordens befolkning gå runt med 64-bitarsmobiler i fickorna och väskorna. Inuti ­nämnda enheter satt nämligen Apples 64-bitarbaserade systemchip A7.

Att mobilernas och surfplattornas systemchip förr eller senare skulle bli 64-bitars­baserade var redan bestämt. ARM Holdings hade lagt grunden för det genom att färdigställa den första 64-bitarsversionen av ARM-arkitekturen (ARM v8). Att Apple valde den till sitt A7-systemchip kom dock som en överraskning. Förväntningarna var att den 32-bitarsbaserade ARM v7-arkitekturen skulle fortsätta att användas ett bra tag till.

ARM v8 är en helt ny arkitektur. Den innehåller exekveringsstöd för både 32- och 64-bitarsmjukvara, så att inte all mjukvara måste skrivas om för att fungera. Mjuk­varorna måste dock skrivas om för att de ska kunna dra nytta av fördelarna som ARM v8 möjliggör.

ARM Holdings har i skrivande stund redan designat två ARM v8-processorkärnor i form av kraftfulla Cortex-A57 och strömsnåla Cortex-A53. Uppsättningar av dessa två processorkärnor kan arbeta tillsammans enligt stor-och-liten-principen som behandlades tidigare i detta kapitel. Det är precis en sådan kombination av fyra plus fyra kärnor som Qualcomm har valt till sitt kommande värstingsystemchip Snapdragon 810. Det förväntas användas i 2015 års Androidbaserade flaggskeppsmobiler och -surfplattor.

Apple har som tidigare nämnts redan gått över till ARM v8 för processorkärnorna i sina mobiler och surfplattor. Apples A7-systemchip innehåller två 64-bitars­kärnor som kallas Cyclone.

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

Den främsta anledningen att gå över till 64-bitarssystem är, precis som det var i datorsammanhang, möjligheten att ha mer än 4 GB RAM-minne. Det var inget problem som Apple behövde en lösning på 2013, eftersom deras flaggskepp vid den tidpunkten (­Iphone 5s och Ipad Air) endast hade 1 GB RAM-minne. Samtidigt fanns det heller ingen anledning för Apple att vänta med 64-bitarsövergången. I samband med släppet av IOS 7 introducerade Apple en ny grafisk designprincip som gjorde att apptillverkarna ändå behöver uppdatera sina appar för att de skulle se moderna ut. Eftersom det inte råder någon tvekan om att 64-bitarssystem är framtiden var det ett lämpligt tillfälle för Apple att påbörja övergången.

På Android-fronten börjar 4 GB-gränsproblemet däremot närma sig. Där har 3 GB ­redan börjat bli en vanlig mängd RAM-minne i flaggskeppsmodeller. Entusiastmobilen Oneplus Two från 2015 har 4 GB RAM-minne, och det lär inte dröja många år innan någon Android-enhetstillverkare vill bygga en mobil eller surfplatta med mer än 4 GB RAM-minne. Google gav Android stöd för 64-­bitarssystemchip i samband med Android 5.0 (Lollipop) som lanserades hösten 2014.

När det gäller X86-baserade Windows-surfplattor (d.v.s. de som kör Windows 8 och Windows 10) är det standard med 64-bitarsprocessorer. Vissa surfplattetillverkare ­väljer trots det att utrusta sina enheter med 32-bitarsversioner av Windows (troligtvis för att operativsystemet i sig tar mindre lagringsyta i anspråk). Den mobilanpassade versionen av Windows 10 är i skrivande stund (augusti 2015) ett rent 32-bitarsoperativsystem, men det har stöd för att köras på flera 64-bitarsprocessorer.

Systemchippens grafikkretsar

Grafikkretsen är en annan viktig del av systemchippet. Med en kraftfull sådan går det idag att driva samma spel på mobiler och surfplattor som det krävdes ­datorer med riktiga grafikkort till för bara några år sedan. ARM Holdings designar själva grafik­kretsar under varumärket Mali och de används av bland annat Samsung i flera av Exynos-system­chippen. Apple förlitar sig däremot på grafikkretsar som är designade av Imagination Technologies och kallas PowerVR. Qualcomm föredrar sina egendesignade grafikretsar Adreno, och Nvidia trycker hårt på att de använder riktiga Geforce-grafikkretsar i sina Tegras-systemchip.

Med fyra stora konkurrenter drivs utvecklingen av mobila gaminggrafikkretsar framåt i rasande fart. Flera gånger per år släpps pressreleaser som beskriver hur en konkurrents grafikkrets utklassar en annan konkurrents grafikkrets.

Att jämföra grafikkretsar i systemchip utifrån deras specifikationer är om möjligt ännu svårare än att jämföra systemchippens processorer. Som tur är brukar systemchip ­byggas upp med balans mellan processorkraft och grafikkraft.

Qualcomm Snapdragon

Qualcomms Snapdragon-familj är en av de mest populära systemchipfamiljerna idag. För att hjälpa slutkunderna att förstå hur mycket kraft som finns i något av deras system­chip har Qualcomm delat upp systemchippen i fyra serier: Snapdragon 200, Snapdragon 400, Snapdragon 600 och Snapdragon 800.

Ju högre den första siffran i systemchippets namn är, desto högre prestandaserie tillhör det. Snapdragon 805 (8 som första siffra) tillhör alltså den högsta prestandaserien. Motsatsen är Snapdragon 200 som tillhör Qualcomms instegsserie av systemchip för budgetmobiler.

SerieExempel på systemchip
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

Systemchippen går att jämföra med varandra inom sina respektive serier. I och med att Snapdragon 805 har en högre siffra i 800-serien än exempelvis Snapdragon 801, går det att dra slutsatsen att 805 är snäppet kraftfullare.

Jämförelser mellan serier kan däremot inte göras. Snapdragon 800 är inte nödvändigtvis bättre än Snapdragon 615, även om Snapdragon 800 har en högre siffra! Det beror på att Snapdragon 800 är en generation äldre än Snapdragon 615. Snapdragon 800 var populärt i mobiler som lanserades hösten 2013. Snapdragon 615 kommer att bli populärt i mobiler som lanseras i början av 2015. Snapdragon 615 har nyare teknik i sig och kan arbeta effektivare än Snapdragon 800. Dessutom är Snapdragon 615 ett 64-bitarssystemchip medan Snapdragon 800 är ett 32-bitarssystemchip.

Snapdragons logotyp

Vid jämförelse av Snapdragon-systemchip bör alltså först serien vägas in (vilket prestanda­segment det tillhör); sedan gäller att ju högre siffran i serien är, desto bättre är systemchippet.

Apple A-familjen

Jämförelser mellan systemchip i Apples A-familj är synnerligen enkel. Apple har en tradition av att lansera nya systemchip en gång per år och då helt enkelt öka siffran som efterföljer bokstaven A i namnet (t.ex. från A7 till A8). Ju högre siffran är, desto kraftfullare är systemchippet.

Apple släpper även prestandaversioner av sina systemchip. Dessa systemchip har namn som slutar på bokstaven X. Apple A8 innehöll exempelvis två Typhoon-kärnor klockade till mellan 1,1 GHz och 1,4 GHz. X-versionen av samma systemchip (Apple A8X) hade två Typhoon-kärnor klockade till 1,5 GHz och en betydligt bättre grafikkrets.

Referenser

2. Qualcomm (2014). Snapdragon 801 processors. Specifikationssida hämtad 2014-08-01. www.qualcomm.com/snapdragon/processors/801

3. Samsung Electronics (2014). Exynos 5 Octa. Webbsida hämtad 2014-08-01. www.samsung.com/global/business/semiconductor/minisite/Exynos/w/solution.html#?v=octa_5410

Senast ändrad: 2016-08-08