راهنمای قدم به قدم پردازنده های موبایل

 در این راهنما، تلاش خواهیم کرد اصطلاح‌ها و عبارت‌های تخصصی و فنی را در قالب زبانی قابل فهم گنجانده و هرآنچه لازم است در خصوص پردازش موبایل و پردازنده‌های مطرح این حوزه بدانید به شما منتقل کنیم.

زمانی که قصد صحبت در خصوص پردازنده‌های موبایل را داشته باشیم، ابتدا باید منظور خودمان از «پردازنده» را کاملا روشن کنیم. در مشخصات فنی لپ‌تاپ‌ها و سیستم‌های دسکتاپ، عبارت پردازنده بصورت مستقیم به واحد پردازش مرکزی یا همان CPU اشاره دارد؛ یعنی همان واحدی که مغز متفکر سیستم را تشکیل می‌دهد. اما در دنیای موبایل، واژه‌ی پردازنده عموما به سیستم روی یک چیپ (SoC) اطلاق می‌شود.

SoC در حقیقت یک چیپ واحد است که اندازه‌ای در حد و حدود همان CPU در دسکتاپ داشته و در برگیرنده‌ی اغلب قطعاتی است که برای عملکرد یک دستگاه موبایل مورد نیاز است. این چیپ، به تنهایی شامل CPU و البته GPU (واحد پردازش گرافیکی که معمولا بصورت جداگانه با عنوان کارت گرافیک در کامپیوترها یافت می‌شود)، مجموعه‌ای از رادیوها و سنسورهایی برای برقراری ارتباط مخابراتی، وای‌فای، بلوتوث، جی‌پی‌اس و مواردی از این دست می‌شود.

سیستم روی یک چیپ همچنین تعیین می‌کند که آیا دستگاه از قابلیت‌های ویژه‌ای پشتیبانی می‌کند یا خیر. رزولوشن تصویری که دوربین قادر به ثبت آن خواهد بود، یا توانایی ثبت/پخش ویدیو با رزولوشن 4K از مواردی هستند که توسط اجزا و قدرت سیستم روی یک چیپ تعیین خواهند شد.

مزیت اصلی یک SoC، اندازه‌ی آن، مصرف کمتر نیرو و ایجاد حرارت کمتر است. چیپ‌های A8 اپل، اسنپدراگون کوالکام و اکسینوس سامسونگ که در ادامه نگاه دقیق‌تری به آن‌ها خواهیم داشت همگی از نمونه‌های سیستم روی یک چیپ هستند اما همگی معمولا بعنوان پردازنده‌ی دستگاه میزبان شناخته می‌شوند.

شما مشخصات فنی پردازنده‌ها را چگونه مرور می‌کنید؟ مشخصات پردازشی آیفون 6 از این قرار است:

• پردازنده A8 اپل
• دوهسته‌ای 1.4 گیگاهرتز Cyclone، معماری 64 بیتی بر مبنای ARM v8
• PowerVR GX6450

این مشخصات به ما می‌گویند که با سیستم روی یک چیپ A8 سر و کار داریم که خود این شرکت آن را طراحی کرده است. CPU یا واحد پردازش مرکزی، دوهسته‌ای بوده (که به معنای وجود دو واحد یا هسته‌ی پردازشی است) و بر روی فرکانس کاری 1.4 گیگاهرتز کلاک شده. Cyclone نامی است که اپل به CPU خود داده است.

همچنین مشخص است که CPU بصورت 64 بیتی و بر مبنای معماری  ARM v8 ساخته شده است. GPU یا واحد پردازش گرافیکی نیز بر پایه‌ی PowerVR GX6450 است که توسط کمپانی ایمجینیشن تولید می‌شود.

مشخصات فنی HTC One M8 به این شکل است:

• کوالکام اسنپدراگون 801
• چهارهسته 2.3 گیگاهرتز 32 بیت
• کریت 400
• آدرنو 330

اچ‌تی‌سی در این دستگاه از سیستم روی یک چیپ سری اسنپدراگون ساخت کوالکام بهره برده است. 801 شماره مدل این چیپ است و در سال 2015 توسط مدل 810 بعنوان چیپ پرچمدار جایگزین شد (که اکنون در وان ام 9 شاهدش هستیم).

CPU این دستگاه از نوع چهارهسته است. این هسته‌ها بر روی فرکانس کاری 2.3 گیگاهرتز کلاک شده‌اند. با وجود تعداد هسته‌های دو برابر و افزایش 50 درصدی سرعت کلاک احتمالا تصور خواهید کرد که این پردازنده به شکل چشمگیری قدرتمندتر از نمونه به کار رفته در آیفون 6 است. با این وجود، همانطور که خواهیم دید چنین مساله‌ای الزاما صحیح نیست.

در این سیستم روی یک چیپ، نام CPU کریت 400 بوده و همچون نمونه‌ی به کار رفته در آیفون بر مبنای معماری ARM توسعه یافته است. گرافیک این چیپ توسط واحد پردازش گرافیکی Adreno 330 قدرت گرفته که بخشی از سیستم روی یک چیپ اسنپدراگون است.

در هر دو مثال بالا، واحد پردازش مرکزی یا همان CPUها بر اساس معماری آرم توسعه یافته‌اند. این معماری توسط کمپانی آرم هولدینگ ساخته شده و شامل مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها برای کنترل نحوه‌ی عملکرد CPU است. مجوز (لیسانس) این معماری توسط آرم به سازندگان مختلفی که از آن در سیستم روی یک چیپ خود بهره می‌برند اعطا می‌شود که اپل و کوالکام نیز از آن جمله هستند. 

اکنون سال‌هاست که ARM، فضای پردازشی موبایل را به لطف مصرف پایین پردازنده‌هایش که موجب بهبود عمر باتری دستگاه‌ها می‌شود، تحت سیطره‌ی خود در آورده و هنوز هم کمتر معماری را می‌توان یافت که به این سطح از بهینگی و قدرت دست یافته باشد. طی سال‌های اخیر، اینتل تلاش کرده به هر شیوه‌ی ممکن با معماری x86 خود راهی به بازار پردازش موبایل بیابد اما موفقیت‌های بدست آمده توسط این شرکت نیز بسیار محدود بوده‌اند. این معماری اگرچه در سیستم‌های شخصی و لپ‌تاپ‌ها محبوبیت بسیاری دارد، اما قادر به رقابت در صحنه‌ی کم‌مصرف پردازش موبایل نبوده است.

تلاش برای درک عمیق معماری آرم منافع چندانی برای عموم کاربران نخواهد داشت و دانستن همین مساله که نسخه‌ی آخر این معماری، بهتر از نمونه‌های پیشین است کفایت می‌کند. نسخه‌های اخیر ضمن برخورداری از سرعت بالاتر، مصرف انرژی کمتری نیز به همراه دارند که موجب بهینگی چیپ‌های مبتنی بر آن‌ها خواهد شد. برای نمونه، ARM v8 که در پردازنده‌ی A8 اپل به کار رفته از نوع 64 بیتی است در حالی که v7 استفاده شده در HTC One M8 یک پردازشگر 32 بیتی محسوب می‌شود.

 تعداد هسته‌ها و سرعت کلاک در پردازنده چه منفعتی برای مصرف‌کننده به همراه خواهد داشت؟ بسیاری از کاربران بر اساس رقم‌های ارائه شده در این بخش به مباحثه با یکدیگر می‌پردازند و دلیل آن نیز ساده است: عدد بزرگ‌تر، جلوه‌ی بهتری در مقابل رقم‌های کوچک‌تر دارند. اما مساله به همین سادگی نیست.

سرعت کلاک که بر مبنای گیگاهرتز اندازه‌گیری می‌شود، نمایانگر سرعتی است که واحد پردازش مرکزی قادر به پردازش دستورالعمل‌ها بر اساس آن است. در صورت برابر بودن تمامی شرایط، یک پردازشگر 2.5 گیگاهرتزی سریع‌تر از نمونه‌ای 2.0 گیگاهرتزی خواهد بود. این در حالی است که برابر بودن سایر شرایط بسیار نادر است. نمونه‌ی جدیدتر یک پردازنده، حتی با سرعت کلاک پایین‌تر، معمولا سریع‌تر از نمونه‌ی قدیمی خواهد بود. بنابراین یک پردازنده‌ی مبتنی بر معماری جدیدتر، احتمالا سرعت بالاتری خواهد داشت و البته تعداد هسته‌ها نیز در این میان بی تاثیر نیستند.

یک هسته، بعنوان یک واحد پردازشی در دل CPU محسوب می‌شود. هر یک از این واحدها یا هسته‌ها قادر به اجرای وظیفه‌ای بصورت مستقل خواهد بود یا می‌تواند با دیگر واحدها ترکیب شده و برای اجرای یک وظیفه‌ی سنگین، نیروی پردازشی بیشتری فراهم کند.

در استفاده‌ی عادی، یک پردازنده‌ی چند هسته‌ای باعث تقسیم فشار پردازشی سیستم‌عامل و تمامی اپلیکیشن‌های اجرا شده میان هسته‌ها خواهد شد و هیچ یک از هسته‌ها به حداکثر فرکانس کاری خود نخواهند رسید. نتیجه‌ی این ساختار، دستگاهی سریع‌تر و پاسخگوتر خواهد بود که پشتیبانی قوی‌تری از چندوظیفگی ارائه خواهد کرد. ایجاد حرارت کمتر و در نتیجه مصرف پایین‌تر انرژی نیز از دیگر مزایای چنین ساختاری به شمار می‌رود.

با این حال باز هم چنین مساله‌ای به معنای برتری پردازنده‌ی 8 هسته‌ای اکسینوس سامسونگ به میزان دو برابر در مقابل 4 هسته‌ی اسنپدراگون یا چهار برابر در مقابل A8 اپل نخواهد بود. مجموعه‌ی بزرگی از فاکتورهای فنی وجود دارند که بر سرعت و بازدهی یک پردازنده تاثیر می‌گذارند؛ فاکتورهایی که بسیار فراتر از تعداد هسته یا فرکانس کاری هستند.

علاوه بر این، خود نرم‌افزار هم باید به گونه‌ای طراحی و ساخته شده باشد که از چند هسته به شکل بهینه‌ای بهره ببرد؛ مساله‌ای که در حال حاضر در بسیاری اکوسیستم‌ها به گونه‌ی صحیحی صورت نمی‌گیرد و مسلما بهره‌گیری بهینه از 8 هسته‌ی پردازشی در آن‌ها تعبیه نشده است.

به این مجموعه، بهینه‌سازی‌های صورت گرفته بر روی خود دستگاه را نیز اضافه کنید. بخاطر اینکه اپل هر دو قسمت اصلی یعنی پردازنده و سیستم‌عامل را خود تولید کرده و در دل آیفون جای می‌دهد، یک پردازنده‌ی 2 هسته‌ای توانسته اغلب پردازشگرهایی که حداقل روی کاغذ قدرتمندتر هستند را پشت سر بگذارد. اکنون سامسونگ نیز با تولید چیپ‌های اختصاصی خود تلاش دارد در این مسیر حرکت کند اما نبود کنترل کامل بر روی سیستم‌عامل اندروید توسط این کمپانی می‌تواند مشکلاتی در این زمینه به همراه داشته باشد.

در نهایت نیز باید به این حقیقت توجه داشت که حتی بدون در نظر گرفتن تمام فاکتورهای بالا، به سختی اپلیکیشنی خواهید یافت که نیازمند فعالیت همزمان 8 هسته‌ی پردازشی باشد. حتی لپ‌تاپ‌ها و سیستم‌های شخصی نیز هنوز اندر خم بهره‌گیری تمام و کمال از 4 هسته‌ی پردازشی باقی مانده‌اند.

خلاصه اینکه، گاهی عدد و رقم‌های بزرگ‌تر بر روی کاغذ به معنای عملکرد بهتر خواهند بود ولی الزامی در این زمینه وجود نداشته و در بسیاری موارد نیز چنین مفهومی در عمل صادق نخواهد بود.

مبحث دیگری که حول محور اعداد در گرفته، انتخاب میان دو معماری پردازشی 32 و 64 بیتی خواهد بود. اولین گوشی هوشمند 64 بیتی توسط اپل با عنوان آیفون 5s در سال 2013 معرفی شد. اکوسیستم اندروید عموما بخاطر نبود پردازنده‌ی مناسب با توان پردازش 64 بیتی و نیز پشتیبانی نکردن سیستم‌عامل اندروید از این شیوه‌ی پردازش تا زمان معرفی نسخه‌ی 5 آبنبات چوبی که در انتهای 2014 معرفی شد، اندکی عقب ماند.

پردازش 64 بیتی عموما نه بخاطر سرعت بالاتر، بلکه به علت فراهم آوردن توان مورد نیاز برای اجرای کارهای بیشتر توسط دستگاه حائز اهمیت است. اغلب افراد زمانی که صحبت از پردازش 64 بیتی در میان باشد، به فراهم آمدن امکان دسترسی به بیش از 4 گیگابایت حافظه‌ی رم توسط برنامه‌ها اشاره می‌کنند. اگرچه این مساله صحت دارد، اما حداقل چندین نسل با دستگاه‌هایی فاصله داریم که در آن‌ها، چنین مساله‌ای به یک مشکل بدل شود.

پردازش 64 بیتی به کرات تحت عنوان «کلاس دسکتاپ» تعریف شده و کلید ماجرا نیز در همین است. دوران 64 بیتی شاهد محو شدن هر چه بیشتر مرزهای میان پردازش موبایل، تبلت و دسکتاپ خواهد بود. شتاب اصلی حاصل از دستیابی به پردازش 64 بیتی، به لطف معماری نوین ARM v8 بدست آمده که در عین 64 بیتی بودن، به شکل قابل توجهی سریع‌تر از نسل قبلی 32 بیتی خود یعنی ARM v7 است. بنابراین یک پرچمدار 64 بیتی، به احتمال قوی سریع‌تر خواهد بود حتی اگر این سرعت بیشتر بصورت مستقیم بخاطر 64 بیتی بودن آن نباشد.

البته با توجه به شرایط کنونی، به هیچ عنوان 64 بیتی بودن گوشی یک الزام نیست و قدرت و سرعت دستگاه‌های 32 بیتی موجود نیز در بسیاری موارد فراتر از حد نیاز است.

لیتوگرافی یا تکنولوژی فرآیند ساخت یک چیپ تاثیر بسیار بسزایی بر عملکرد آن چیپ خواهد داشت. هرچه لیتوگرافی پردازنده پایین‌تر باشد، می‌توان منتظر تعداد ترانزیستورهای بیشتر، اندازه‌ی کوچک‌تر و حرارت تولیدی کمتر بود که در نهایت منجر به مصرف انرژی کمتر، عمر بهتر باتری و البته قدرت و سرعت بالاتر چیپ خواهد شد. این موارد الزام محسوب نمی‌شوند اما با دستیابی به لیتوگرافی‌های پایین‌تر، این پتانسیل‌ها به خوبی امکان‌پذیر خواهند شد.

در حال حاضر، فرآیند تولید غالب بر بازار سیستم‌های روی یک چیپ، لیتوگرافی 20 نانومتری است و حرکت به سوی فرآیند تولید 14 نانومتری آغاز شده است. سامسونگ موفق شده با چیپ اکسینوس 7420 خود که در گلکسی اس 6 به کار رفته، گوی سبقت را از رقبا ربوده و لیتوگرافی 14 نانومتری را در محصول خود تجاری‌سازی کند. حال این کمپانی در حال صحبت در خصوص لیتوگرافی‌های 12 و حتی 10 نانومتری است که پیشرفت بزرگی برای این پردازنده‌ها به شمار خواهد رفت.

GPU بخاطر اینکه به سیستم روی یک چیپ گره خورده، معمولااهمیت کمتری در لیست مشخصات فنی خواهد داشت. بنابراین اگر یک سازنده از سیستم روی یک چیپ اسنپدراگون 805 بهره ببرد، خود به خود واحد پردازش گرافیکی Adreno 420 را نیز بعنوان بخشی از مجوعه ارائه خواهد داد.

از آنجا که واحد پردازش گرافیکی تاثیر مستقیم بر تجربه‌ی بصری مصرف‌کننده خواهد داشت، اثر آن بر سرعت درک شده توسط کاربر از دستگاه چشمگیر خواهد بود. انیمیشن‌ها و دیگر پویانمایی‌های به کار رفته در رابط کاربری در صورتی که به شکل مناسبی پردازش نشوند، سریع‌ترین پردازشگر نیز در نظر کاربر کند جلوه خواهد کرد.

در هر حال پر واضح است که دستگاه‌های پایین‌رده، میان‌رده و بالا رده همگی با واحدهای پردازشی گرافیکی همراه خواهند بود که با مشخصات فنی و سطح عملکرد اصلی آن‌ها سازگاری داشته باشد.

زمانی که به مطالعه‌ی مجموعه مشخصات فنی یک دستگاه می‌پردازید، با برندهای مختلفی روبرو خواهید شد که هر یک از مشخصه‌های خاص خود بهره می‌برند. بنابراین در ادامه نگاهی خواهیم داشت به تعدادی از مطرح‌ترین برندهای موجود در این عرصه.

اپل پردازنده‌ی مورد نیاز برای آیفون و آیپدها را خود طراحی می‌کند. بخاطر اینکه توسعه‌ی سیستم‌عامل این دستگاه‌ها نیز بر عهده‌ی خود اپل است، این کمپانی می‌تواند هر دو بخش را به گونه‌ای که نمایانگر حداکثر بهینگی و بازدهی باشد مورد اصلاح قرار دهد.

• چیپ Apple A8 در دل آیفون 6 جای گرفته است. این پردازنده از نوع 64 بیتی بوده و بر پایه‌ی معماری ARM v8 توسعه یافته است.
• این چیپ بر اساس لیتوگرافی 20 نانومتری تولید شده است.
• اپل ادعا می‌کند این سیستم روی یک چیپ از 25 درصد عملکرد بهتر در قسمت CPU و 50 درصد عملکرد بهتر در بخش گرافیک در مقایسه با چیپ A7 به کار رفته در آیفون 5s برخوردار است.
• مدل به کار رفته در آیفون 6، دوال کور بوده و بر روی فرکانس کاری 1.4 گیگاهرتز تنظیم شده است.
• سیستم روی یک چیپ A8X به کار رفته در آیپد ایر 2 از فرکانس کاری 1.5 گیگاهرتز بهره می‌برد و 3 هسته‌ی پردازشی دارد.

سری محصولات اسنپدراگون که توسط کمپانی کوالکام طراحی و تولید می‌شوند دارای 4 رده‌ی متفاوت هستند. سری 200 برای دستگاه‌های ارزان قیمت و پایین‌رده در نظر گرفته شده، سری  400 بازار مدل‌های مقرون به‌صرفه نظیر موتو جی را هدف قرار داده و سری 600 برای گوشی‌های میان‌رده در نظر گرفته شده است. بازار پرچمدارها توسط سری 800 پردازنده‌های اسنپدراگون کوالکام معرفی می‌شود که هم‌اکنون مدل 810 در راس آن جای گرفته است.

• چیپ پرچمدار اسنپرداگون 810 توسط 8 هسته‌ی 64 بیتی تشکیل شده است.
• همچون چیپ اپل، اسنپدراگون 810 نیز بر اساس لیتوگرافی 20 نانومتری تولید شده است.
• این چیپ به همراه گرافیک Adreno به بازار عرضه می‌شود.
• چیپ 810 به اپلیکیشن داخلی Shazam برای تشخیص موسیقی مجهز شده است.
• چیپ‌های سری اسنپدراگون در دستگاه‌هایی نظیر سری محصولات HTC One، گلکسی نوت 4 و Moto X به کار گرفته شده‌‌اند.

• SoC سری اکسینوس بصورت اختصاصی توسط سامسونگ تولید شده و در دستگاه‌های خود این شرکت به کار می‌روند.
• اکسینوس 7420 به کار رفته در گلکسی اس 6 بر اساس لیتوگرافی 14 نانومتری توسعه یافته است.
• این چیپ بر اساس معماری آرم توسعه یافته و بعنوان اولین چیپ 4 هسته‌ای موبایل در گلکسی اس 3 به کار گرفته شد.
• نسخه‌ی پرچمدار فعلی (اکسینوس 7420) از نوع 64 بیتی بوده و 8 هسته‌ی پردازشی دارد.
• بنچ‌مارک‌های بدست آمده نشان می‌دهند رهبر این سری بعنوان یکی از قدرتمندترین چیپ‌های پردازشی ایفای نقش می‌کند.
• سامسونگ تا پیش از معرفی گلکسی اس 6، چیپ‌های سری اکسینوس را به بازارهای خاصی محدود کرده بود و در بازارهای دیگر از اسنپدراگون بهره می‌برد.

پردازنده‌های بسیار دیگری نیز در دل گوشی‌های هوشمند جای گرفته که در سطوح مختلفی از قیمت و عملکرد حضور دارند. برخی از این پردازنده‌ها عبارتند از:

NVIDIA K1: یک چیپ مبتنی بر معماری آرم که در دستگاه‌هایی نظیر تبلت شیلد انویدیا و نیز تبلت نکسوس 9 گوگل و اچ‌تی‌سی به کار رفته است. این سیستم روی یک چیپ از ساختاری 1+4 هسته‌ای بهره می‌برد که نمایانگر 4 هسته برای مصارف عادی و 1 هسته برای وظایف سبک و کوچک است که نیروی اندکی مصرف خواهد کرد و دستگاه را در حالت آماده به کار قرار خواهد داد. بخش پردازش گرافیکی و عملکرد آن هم‌اکنون به لطف تجربه‌ی بالای انویدیا در این بخش، نسبت به بسیاری از چیپ‌های دیگر پیشتاز بوده و سیستم روی یک چیپ X1 که به تازگی معرفی شده وعده‌ی سرعت 2 برابر نسبت به K1 را داده است.

Mediatek: پردازنده‌های ارزان قیمت این کمپانی معمولا توسط سازندگان کوچک و در بازارهای شرقی نظیر چین مورد بهره‌برداری قرار گرفته است. این پردازنده‌ها اگرچه در روی کاغذ از مشخصات فنی چشمگیری برخوردار هستند اما معمولا هیچ‌گاه بهینگی لازم برای ارائه‌ی عملکرد متناسب با مشخصات خود را به همراه ندارند. مدیاتک به تازگی پیشرفت‌های بزرگی داشته و با چیپ‌های اخیر خود و بازار رو به رشد سازندگان گم‌نام چینی در حال بدل شدن به یک تهدید بالقوه برای تولیدکنندگان سرشناس بازار چیپ‌های پردازشی است.

Intel Atom: پردازنده‌های سری اتم کمپانی بزرگ اینتل در تعداد اندکی از گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها به کار رفته‌اند. در این میان می‌توان به محصولاتی نظیر زن‌فون ایسوس و Nokia N1 اشاره کرد. این پردازنده بر پایه‌ی معماری مشهور x86 اینتل توسعه یافته و تفاوت اساسی با سری اتم ساخته شده برای لپ‌تاپ‌ها و نت‌بوک‌ها دارد. متاسفانه این معماری بصورت کامل با سیستم‌عامل و نرم‌افزارهای ساخته شده برای معماری آرم سازگاری ندارد.

فاکتورهای بسیار زیادی هنگام تصمیم‌گیری در خصوص انتخاب قوی‌ترین گوشی هوشمند وجود دارد. درک مجموعه‌ای از اصطلاح‌ها و  مفاهیم تخصصی موجود در مشخصات پردازنده‌ها و سیستم‌های روی یک چیپ، محل مناسبی برای آغاز به شمار می‌رود. اما همانطور که مشاهده کردیم، عدد و رقم بزرگ‌تر همیشه به معنای عملکرد و بازده بهتر در دنیای واقعی نیست.

شما می‌توانید همیشه تست‌های بنچ‌مارک دستگاه‌ها و چیپ‌ها را برای اطلاع ار عملکرد آن‌ها در شرایط آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دهید، اما مهم است که به یاد داشته باشیم پردازنده تنها بخشی از مواردی خواهد بود که سطح عملکرد یک دستگاه را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

کدام بخش از مشخصه‌های فنی گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها بیشترین اهمیت را نزد شما دارند؟ آیا همیشه پیش از خرید، به نتایج بنچ‌مارک‌ها بعنوان یک فاکتور مهم توجه می‌کنید، یا معتقد هستید مواردی نظیر کیفیت ساخت و ظاهر اهمیت بیشتری دارد؟