Как устроен смартфон?

Предлагаемые нам смартфоны, планшеты, коммуникаторы и медиа плееры являются тщательно продуманными, самодостаточными приборами. И все же очень интересно залезть внутрь и посмотреть, как они устроены. Попробуем разобраться…

За несколько десятилетий вычислительные машины стремительно эволюционировали. Многокомнатные релейные, ламповые и транзисторные монстры уступили дорогу куда более совершенным устройствам, собранным из полупроводниковых микросхем. Благодаря миниатюрности, надежности, малому энергопотреблению и невысокой стоимости компьютеры проникли во все сферы быта – от телефонов до стиральных машин.

Но развитие на этом не остановилось. И если средневековые схоласты спорили о том, сколько ангелов может поместиться на острие иглы, инженеры будущего наверняка смогут разместить там полнофункциональный мобильный компьютер. Впрочем, и современные достижения микроэлектроники весьма впечатляют.

Высокоинтегрированные системы

Традиционные мобильные платформы, состоящие из микросхем системной логики (чипсета) и процессора, размещенных на системной плате, годятся для ограниченного круга устройств, прежде всего ноутбуков и нетбуков.

Однако есть целый класс сверхмобильных аппаратов, которым в качестве платформы требуется нечто более компактное и менее энергопотребляющее. Среди них – планшетные компьютеры, смартфоны, ультракомпактные нетбуки и всевозможные специализированные гаджеты (навигаторы, MP3- и MP4-плееры и т.д.).

В основе – сверхмобильная платформа, которая чаще всего представляет собой так называемую систему на кристалле (System-on-a-Chip, SoC). Это в буквальном смысле самодостаточная система, объединяющая разнообразные устройства (процессоры, память, контроллеры интерфейсов и многое другое) и выполненная в виде единой микросхемы (кристалла).

Краеугольным камнем SoC является особый центральный процессор со сверхнизким энергопотреблением. В отличие от процессоров для ПК, в которых применяется разработанная Intel архитектура х86, процессоры мобильных платформ в подавляющем большинстве случаев используют архитектуру ARM, позволяющую создавать пусть менее производительные, зато более экономичные и компактные устройства.

Самыми известными производителями процессоров данной архитектуры являются фирмы Qualcomm, Marvell, Apple и Samsung. Их разработки используются не только в мобильных устройствах собственного производства, например Apple iPhone, но и в изделиях сторонних производителей, таких как HTC или Nokia.

НАКОПИТЕЛЬ

В качестве жесткого диска в сверхмобильных системах применяется энергонезависимая NAND или flash-память. Ее преимуществами, в сравнении с типичным накопителем на магнитных дисках, являются сверхкомпактные размеры, низкое энергопотребление и устойчивость к внешним физическим воздействиям (удары, вибрация), что особенно важно для мобильных устройств, учитывая обычные условия их эксплуатации.

Объем установленной flash-памяти, как правило, зависит от позиционирования продукта в линейке: 8-16 Гб для бюджетных моделей и десятки гигабайт — для более дорогих имиджевых модификаций.

Во многих мобильных устройствах присутствует дополнительный разъем для установки стандартных карт SD или microSD, что позволяет значительно увеличить доступное пользователю «дисковое» пространство.

Несмотря на жесткие технические ограничения, задаваемые «ультракомпактными» условиями эксплуатации, частоты современных одночиповых систем уже смогли превысить знаковый рубеж 1 ГГц. Такая производительность вовсе не является избыточной – она нужна прежде всего для плавного воспроизведения насыщенного технологией flash-контента – в частности, многих интернет-сайтов.

Расширение платформы

Графические решения, применявшиеся в более ранних и бюджетных моделях медиаплееров и смартфонов, имели недостаточную производительность; поэтому подобные устройства зачастую оснащаются дополнительным медиапроцессором, берущим на себя функции воспроизведения видео.

В ближайшее время ведущими разработчиками ARM-процессоров запланирован массовый переход на двухъядерную архитектуру с дальнейшей перспективой внедрения полноценной многоядерности.

В связке с процессором работает графическое ядро, также разработанное с учетом максимальной экономичности. Впрочем, современные мобильные графические ядра способны не только выводить элементы интерфейса на экран, но и воспроизводить видео стандартов высокой четкости (HD-видео), а также брать на себя расчеты сложной трехмерной графики, использующейся в разнообразных популярных 3D-играх.

Хотя новейшие решения класса ARM Mali 400, NVIDIA GeForce ULP (Tegra 2) или Imagination PowerVR SGX540 по своим графическим и иным возможностям уступают настольным аналогам, однако вполне сопоставимы с видеопроцессорами, применяющимися в таких популярных игровых приставках, как Microsoft Xbox 360 и Sony PlayStation 3. Недаром в последнее время появилось множество динамичных трехмерных игр с впечатляющей графикой и сложными спецэффектами.

СРЕДСТВА СВЯЗИ

Фактически обязательным элементом сверхмобильных платформ стали сетевые интерфейсы, проводные и (или) беспроводные – в частности, 100 Мбит/1 Гбит Ethernet, Wi-Fi стандартов 802.11b/g/n и Bluetooth. За них отвечает отдельный сетевой контроллер, как правило, разработки Broadcom или Atheros.

Поддержка беспроводной сети Wi-Fi позволяет, при наличии точки доступа, легко интегрировать мобильный гаджет в домашнюю сеть и обмениваться данными между ним и основными устройствами (настольный ПК, ноутбук, домашний файловый сервер или NAS). А в некоторых заведениях – например, гостиницах, залах ожидания в аэропортах, интернет-кафе и закусочных McDonald’s, – есть бесплатная услуга выхода в Интернет.

В отличие от медиаплееров, смартфоны и некоторые планшеты дополнительно оснащаются модулями GSM/GPRS, позволяющими совершать звонки, используя сотовую связь, или самостоятельно выходить в Сеть.

Системы, предназначенные для использования в GPS-навигаторах, а также смартфоны с аналогичной функцией дооснащаются GPS-приемником, обеспечивающим связь с навигационными спутниками NAVSTAR.

ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

Как в любой компьютерной системе, одним из обязательных элементов SoC является оперативная память. Преимущественное распространение получил тип памяти LPDDR (Low Power Double Data Rate – память с низким энергопотреблением и удвоенной скоростью передачи данных).

Несмотря на сходство с названиями DDR2 и DDR3, новый тип памяти несовместим с этими стандартами напрямую из-за примененных в LPDDR многочисленных микроархитектурных решений, призванных существенно снизить энергопотребление.

Типичный объем оперативной памяти в современных мобильных устройствах за последнее время существенно возрос (с 128 до 512 Мб–1 Гб) и фактически соответствует объему ОЗУ настольных ПК трех-четырехлетней давности, позволяя использовать новейшие мобильные операционные системы и приложения, которые по своей функциональности мало в чем уступают настольным аналогам.

ДИСПЛЕИ

В современных гаджетах применяются сенсорные дисплеи двух типов: емкостные и резистивные. Первые обладают более высокой прозрачностью и, следовательно, требуют менее мощной подсветки для обеспечения высокой яркости и контрастности – это положительно сказывается на энергопотреблении, позволяя увеличить время автономной работы мобильного устройства.

Кроме того, емкостные экраны лучше реагируют на легкое касание пальцем, тогда как для четкого срабатывания резистивного экрана требуется некоторое усилие при нажатии – оптимальным является ввод с помощью стилуса. Впрочем, в 2008 году компания HTC разработала и запатентовала электронное перо для работы с емкостными экранами, специально предназначенное пользователям, привыкшим к управлению с помощью стилуса и не желающим переходить на «пальцевый» метод.

Дополнительным преимуществом емкостных экранов является возможность определения нескольких нажатий сразу (технология Multitouch). Типичный размер экрана для планшета составляет 7–10 дюймов (18–25 см) по диагонали, с разрешающей способностью от 800х480 до 1280x800 точек. У смартфонов и медиаплееров диагональ равна, как правило, 3–4 дюймам (7–10 см), а разрешение экрана варьируется от скромных 320х200 до впечатляющих 960х640 точек (Retina display в новых iPhone и iPod touch).

ОC ДЛЯ СВЕРХМОБИЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ

Несколько слов об операционных системах, используемых в составе высокоинтегрированных мобильных платформ. Одна из старейших мобильных ОС – Symbian – формально является самой авторитетной на рынке, но стремительно теряет популярность под натиском молодых и перспективных конкурентов. По последним статистическим отчетам, быстрее всех распространяется операционная система Android, разработанная и внедряемая компанией Google.

Буквально за два года эта ОС получила широчайшую известность и уверенно отвоевывает позиции в самых разных устройствах: от смартфонов и коммуникаторов до нетбуков и планшетов. И, несмотря на то что новая версия Android с заявленной официальной поддержкой планшетов (Android 3.0 Honeycomb) находится пока в стадии разработки, производители не стесняются использовать в своих устройствах ее смартфонную версию.

Уступает позиции и BlackBerry OS, разрабатываемая компанией Research In Motion (RIM). Впрочем, в выпущенной летом 2010 года версии 6.0 появились многочисленные нововведения (возможность одновременного управления с помощью трекбола, аппаратной клавиатуры и сенсорной панели, обновленный браузер, поддержка HTML5 и др.), с помощью которых производитель надеется догнать конкурентов.

На четвертом месте – операционная система от Apple под названием iOS, получившая массовое распространение благодаря огромной популярности таких мобильных устройств, как iPhone, iPod touch и, конечно, iPad. Раньше продукты Apple считались нишевыми и имиджевыми, предназначались узкой аудитории поклонников «яблочной» фирмы; сегодня же Apple стала законодателем мод, а порой выступает первопроходцем.

Пытается идти в ногу со временем и такой столп программной индустрии, как Microsoft. В 2010 году компания выпустила совершенно новую и перспективную операционную систему Windows Phone 7, призванную заменить теряющую популярность Windows Mobile (к сожалению, русифицированная версия пока не выпущена). Сенсацией стало официальное заявление компании Nokia о прекращении поддержки Symbian и переходе на новую операционную систему от Microsoft.

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ

Разработкой систем на кристалле занимаются более десятка крупных фирм, но лишь некоторые из решений получили распространение на быстро растущем рынке мобильных устройств. Как уже упоминалось, в подавляющем большинстве SoC используются процессоры архитектуры ARM.

Следует отметить, что производители, как правило, не разрабатывают процессоры самостоятельно, а лицензируют готовые модификации архитектуры у компании ARM. Каждый SoC-процессор собирается индивидуально, под конкретные задачи и условия применения, из готовых блоков-«кубиков», обеспечивающих необходимую функциональность с учетом требуемых характеристик. По такой схеме работают компании Texas Instruments, ST-Ericsson, Samsung, Freescale, Apple.

Собственной разработкой процессоров, помимо «материнской» компании ARM, занимаются Qualcomm (SnapDragon) и Marvell (XScale). Несмотря на то, что в составе новой платформы Tegra 2 еще используется «стандартный» процессор на ядре Cortex, компания NVIDIA недавно приобрела полную (full-custom) лицензию на архитектуру ARM, чтобы иметь возможность создать процессор следующего поколения на основе собственного дизайна.

Наиболее актуальными сегодня являются мобильные процессоры на базе ядер ARM11 (применяются в составе Apple iPhone 2G, iPod touch первых двух поколений, HTC Dream, Nintendo 3DS и др.) и Cortex-A8 (iPhone 3GS, iPhone 4, iPad, семейство Samsung Galaxy Tab, Google Nexus S, LG Optimus 2X и др.).

APPLE A4/A5

Начнем рассмотрение возможностей платформ в алфавитном порядке – с компании Apple. До недавнего выхода iPad 2 последним продуктом компании являлась платформа Apple A4. В ее основе – разработанный совместно с Samsung одноядерный процессор S5L8930 на архитектуре ARM Cortex-A8.

Частота процессора достигает значения 1000 МГц для iPad и 800 МГц для iPhone 4. Мощности вполне достаточно, чтобы снимать и воспроизводить HD-видео стандарта 720p, обеспечить отзывчивую работу и плавную прорисовку интерфейса.

Платформа поддерживает память типа LPDDR, в одноканальном режиме подключенную по специальной скоростной шине AMBA 3 AXI шириной 64 бит. Типичный устанавливаемый по технологии PoP (в едином корпусе, но не на одном кристалле!) объем памяти 256–512 Мб вполне достаточен для текущих запросов мобильных приложений.

На кристалле также интегрирован видеопроцессор PowerVR SGX 535 от компании Imagination, поддерживающий API OpenGL ES версии 2.0. Данный графический процессор, несмотря на немолодой по современным меркам возраст, способен поддерживать игры с достаточно сложной 3D-графикой и спецэффектами на основе шейдеров второго поколения. Кстати, идентичное идеоядро применялось в одном из первых в мире нетбуков ASUS Eee PC – Intel GMA500 IGP.

В зависимости от модели платформа оснащается сторонними модулями Wi-Fi стандартов 802.11a/b/g/n, Bluetooth 2.1+EDR, GPS и HSDPA/Edge. Для хранения данных и операционной системы в состав платформы входит 8–64 Гб энергонезависимой памяти типа NAND. Традиционно для продукции Apple присутствуют акселерометр, гироскоп, магнитный компас и датчик освещения, управляющий яркостью подсветки. В качестве операционной системы используется только «родная» ОС от Apple – iOS 4 (бывшая iPhone OS).

Кстати, нередко отмечаемые недостатки устройств на данной платформе, отсутствие поддержки технологии Adobe Flash, кард-ридера или USB-порта являются следствием идеологии компании, а отнюдь не техническими недоработками.

В начале марта нынешнего года компания Apple смогла порадовать поклонников выпуском новейшей платформы Apple A5. В данный момент она используется в планшете iPad 2, и, вероятнее всего, на ее основе будут представлены новые iPhone и iPod пятого поколения. Процессор, как и для платформы А4, разрабатывался совместно с компанией Samsung.

Он основан на модифицированной архитектуре ARM Cortex A9, имеет частоту 1ГГц и теперь уже два ядра. Память типа LP DDR2 стала работать на более высокой частоте 1066 МГц. В качестве видеопроцессора применяется новый PowerVR SGX543, в несколько раз превосходящий по мощности прежнее решение. Несмотря на значительно возросшую мощность процессора и видеоядра, разработчикам Apple удалось сохранить экономичность платформы на прежнем уровне.

MARVELL ARMADA

Следующей по списку идет SoC-платформа от Marvell. Выкупив в свое время у Intel подразделение XScale, эта компания сегодня одна из немногих самостоятельно занимается проектированием и разработкой процессоров данной архитектуры.

Модельный ряд серий PXA и Armada 100 был весьма популярен у производителей смартфонов и электронных книг, выделяясь среди конкурентов высокой энергоэффективностью, наличием модуля Wireless MMX (аналог NEON) и быстрой 2D-графики, позволяющей осуществлять плавную прокрутку и масштабирование.

На сегодня наиболее актуальной является платформа Armada 500, предназначенная для нетбуков и смартбуков. Она базируется на процессорном ядре Dove (88AP510) архитектуры ARMv7 (аналог процессоров Cortex) собственной разработки. Частотный диапазон – в пределах 1000–1250 МГц.

Процессор оснащен дополнительным блоком для быстрого расчета векторных операций (VFP), модулем декодирования HD-видео стандарта 1080р и производительным 3D-видеоядром, поддерживающим ускорение технологии Adobe Flash.

Судя по последним анонсам, компания ARM всерьез планирует вскоре выйти на серверный рынок с новыми четырехъядерными процессорами Armada XP. Обновленный контроллер памяти будет в состоянии работать с обоими современными типами мобильной ОЗУ: LPDDR2/DDR3.

Заявлена поддержка всех востребованных на сегодняшний день внешних интерфейсов: USB 2.0, SATA 2, PCI Express, Gigabit Ethernet и др. Из беспроводных адаптеров названы Wi-Fi 802.11a/b/g/n, WiMAX, 3G modem и Bluetooth. Наконец, данная платформа рассчитана на работу с множеством операционных систем: Android 3.0, Chrome OS, Ubuntu Linux, Windows Phone 7.

NVIDIA TEGRA/TEGRA 2

Поговорим теперь о разработках сравнительно нового, но весьма амбициозного игрока – NVIDIA. Первый блин «видеокарточной» компании традиционно вышел комом. Платформа Tegra не получила сколько-нибудь широкого распространения, несмотря на вполне приличные характеристики, в частности мощное видеоядро (в этой сфере позиции NVIDIA весьма сильны). Большинство анонсированных устройств на первой Tegra так и не попало в широкую розницу или было попросту отменено.

Иная судьба, похоже, ожидает новую платформу Tegra 2. В ее составе мощный современный двуядерный процессор ARM Cortex-A9 с частотой до 1 ГГц на ядро. Платформа поддерживает 1 Гб оперативной памяти, причем как мобильной LPDDR2, так и обычных модулей DDR2-667.

Новое производительное 3D-видеоядро GeForce ULP опережает ближайших конкурентов на 30% и по мощности вполне сравнимо с «настольным» аналогом GeForce 9300. Поддерживаются одновременный вывод на два дисплея, стандартные видеовыходы CRT и HDMI 1.3, а также аппаратное кодирование и декодирование всех форматов видео, включая HD.

Помимо этого, выделен отдельный медиапроцессор для обработки звука и сигнала с цифровых камер (масштабирование, поворот, автофокус и т.п.) с разрешением до 12 Мпикс. Поддерживаются все актуальные на сегодняшний день интерфейсы: USB 2.0, SATA, кард-ридеры и др. Сетевые возможности, включая Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth, в платформу не интегрированы и реализуются с помощью дополнительных сторонних контроллеров.

В настоящее время анонсировано немало перспективных устройств на основе Tegra 2: планшеты LG Optimus Pad, Samsung Galaxy Tab II и ASUS Eee Pad Transformer, выпущенный недавно смартфон LG Optimus 2X и т.д. О намерении использовать данную платформу официально заявили такие крупные компании, как Acer, Dell, Toshiba, ViewSonic.

Отметим, что платформы от NVIDIA поддерживают все популярные мобильные операционные системы: Android, Chrome OS, Windows Mobile, Windows Phone 7, MeeGo.

QUALCOMM SNAPDRAGON

На очереди еще один из самостоятельных Full-custom-разработчиков SoC-платформ – компания Qualcomm. Семейство платформ Snapdragon основано на процессорах Scorpion собственной разработки по спецификациям аналогичных ARM Cortex-A8 и представляет новый этап их развития.

Современные высокоинтегрированные процессоры Scorpion имеют в своем составе два производительных ядра с частотным потолком до 1500 МГц. Центральный процессор усилен блоком VPF, ускоряющим вычисления с векторами и дробными числами. Встроенный контроллер памяти поддерживает LPDDR первого поколения, работающую в двухканальном режиме.

Видеоподсистема Adreno 220, ведущая родословную от графического ядра, применяемого в игровой приставке Microsoft Xbox360 Xenos, обеспечивает производительность в 3D-приложениях на вполне конкурентоспособном уровне.

С помощью специального блока видеопроцессор без проблем справляется с воспроизведением форматов высокой четкости без привлечения вычислительной мощности основного процессора, что положительно сказывается на экономии энергии при просмотре видео.

Особенностью платформы Snapdragon является наличие огромного количества встроенных сетевых контроллеров с поддержкой всех возможных технологий беспроводной связи: GSM, GPRS, EDGE, UMTS/WCDMA, HSDPA, HSUPA, MBMS, CDMA2000 и пр.

На основе платформы от Qualcomm собраны такие популярные модели мобильных устройств, как HTC HD2, HTC Desire HD, HTC Inspire, Sony Ericsson Xperia, LG Revolution, HP TouchPad и др.

TI OMAP 4/OMAP 5

Последней платформой, о которой пойдет речь в нашей статье, будут популярные семейства OMAP 4 и OMAP 5 от компании Texas Instrument. Четвертая серия OMAP базируется на двухъядерных процессорах ARM Cortex-A9 с частотой до 1500 МГц и оснащена спецблоками TrustZone и NEON.

Платформа выгодно отличается от конкурентов наличием двухканального контроллера памяти с поддержкой LPDDR2. В состав также входит мощное видеоядро PowerVR SGX540 от Imagination Technologies, мало в чем уступающее разработкам NVIDIA. Реализованы поддержка OpenGL ES 2.0 и аппаратная обработка Full HD 1080p.

Данная платформа положена в основу весьма продвинутых устройств – RIM BlackBerry Playbook и LG Optimus 3D.

Еще более перспективной выглядит платформа OMAP 5. В ней будут задействованы уже четырехъядерные процессоры Cortex-A15 с частотой не менее 2000 МГц. Видеоподсистема оснащена последним многоядерным решением PowerVR SGX544MP, позволяющим существенно поднять планку производительности в 3D-играх и поддерживающим одновременный вывод сразу на четыре дисплея.

Конкуренцию OMAP 5, судя по всему, сможет составить только будущая Tegra 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нетрудно заметить, что платформа каждого производителя имеет свои сильные стороны. Продукция Apple отличается сбалансированностью и отлично отлаженной операционной cистемой, плюс огромный выбор ПО.

Платформы от Marvell обладают высокой экономичностью. NVIDIA сильна графическими решениями. Фирма Qualcomm разрабатывает высокопроизводительные процессоры и оснащает свои платформы серьезной поддержкой сетевых протоколов.

А компании Texas Instrument чаще других удается воплотить в кремнии самые последние разработки в области архитектуры. В итоге у покупателя всегда есть выбор и возможность приобрести устройство, наиболее полно отвечающее его запросам.

Но не это главное. Как и в живой природе, многообразие видов порождает конкуренцию, конкуренция ведет к естественному отбору – а это одно из ключевых условий эволюции, или, в нашем случае, научно-технического развития.

Именно это позволяет надеяться на то, что в обозримом будущем мы сможем увидеть полнофункциональные компьютеры в наручных часах, мобильные телефоны в серьгах и прочие шедевры миниатюризации.