Что такое процессор в смартфоне? «Ну, это чип, отвечающий за производительность выполнения операций» — приходит на ум самый простой и очевидный ответ. Он правильный, но процентов на десять. Рассказываем, почему.

Высокая конкуренция в мобильном сегменте привела к поразительным темпам развития процессоров, и от поколения к поколению они не только увеличивают производительность и снижают потребность в энергии, но также поразительно быстро расширяют функциональность наших устройств. Графика лучших мобильных игр, просмотр 4K HDR видео на смартфоне, качество съемки фото и записи видео, бескомпромиссная защита данных, функции, связанные с машинным обучением и искусственным интеллектом, стоящие уже на пороге скорости передачи данных в сетях 5G — все это о процессорах.

Ядра: производительные, экономичные, графические, интеллектуальные

Мы привыкли к слову «процессор», подразумевая системы на кристалле, такие как Exynos 990 в флагманских смартфонах Samsung. На самом деле мобильные процессоры устроены куда сложнее и не ограничиваются ядрами центрального процессора для вычислений. Архитектура мобильных чипов предусматривает наличие эффективных ядер с высокой частотой и значительным энергопотреблением для ресурсоемких операций, а также более медленных и экономичных ядер для нетребовательных задач и фоновых процессов. С ними соседствуют графические ядра GPU, которые дают возможность запускать на смартфонах такие зрелищные игры как Call of Duty Mobile или Vainglory и даже играть в компьютерные хиты прошлых лет типа GTA или Max Payne. Но связка вычислительных и графических ядер — это еще не все.

В чипе есть сигнальный процессор DSP для обработки изображения с камеры. При нажатии кнопки спуска затвора за доли секунды в нем происходят десятки тысяч операций — а в итоге мы получаем снимок настолько высокого качества, что это идет вразрез законам оптики. С недавних пор добавились ядра NPU для работы систем машинного обучения и искусственного интеллекта. Даже если не вникать в их практическое применение, это уже звучит как небольшое технологическое чудо. Наконец, частью мобильного процессора в нашем нынешнем его понимании являются изолированные сверхзащищенные модули для самых чувствительных данных. Те самые, которые хранят биометрию, связки логинов и паролей, обеспечивают сохранность платежной информации и даже могут превратить смартфон в неприступный бастион, полностью зашифровав его память, и сделают это без потери производительности.

Зачем искусственный интеллект появился в смартфонах, как он используется и почему это важно

C недавних пор с ядрами центрального процессора и графической подсистемы в мобильных чипах начали соседствовать нейронные со-процессоры, используемые для аппаратного ускорения алгоритмов искусственных нейронных сетей, компьютерного зрения, распознавания голоса, машинного обучения и других методов искусственного интеллекта. Лучше всего AI технологии сейчас представлены в мобильной фотографии.

Сочетание двух ядер NPU с цифровым сигнальным процессором дает возможность совершать до пятнадцати миллиардов операций в секунду, как следствие, процесс работы алгоритмов незаметен для пользователя, но результат видно очень хорошо. А вообще, эти технологии и их работе на аппаратном уровне находятся в самом начале своего пути развития, так что хоть и нельзя преуменьшать важность мобильной фотографии, но в будущем мы наверняка увидим еще больше захватывающих сценариев использования NPU.

Нам давно хватает мощности процессоров, зачем им постоянно превосходить себя

Далеко в прошлом остались КПК, коммуникаторы и смартфоны, в обзорах которых непременно фигурировал абзац текста с ответом на вопрос, будет ли устройство подтормаживать при выполнении базовых задач типа анимаций интерфейса и запуска приложений. Вопрос производительности мобильных процессоров не встает уже больше десяти лет, но это вовсе не означает, что пришло время остановиться в развитии. Во-первых, гонка за повышение мощности чипов идет одновременно с работой над снижением их энергопотребления. И два эти показателя тесно между собой связаны. Кроме того, смартфоны сейчас стали настолько дружелюбными к пользователям, что не всегда мы осознаем потребность в производительности у процессов, происходящих в фоне и без прямого участия со стороны человека.

Кому-то покажется: ой, да зачем этот ежегодный прирост мощности, когда мне всего-то и нужно полистать ленты соцсетей, снять видео и скинуть его друзьям в мессенджере, ну и в дороге убить время за играми. Но именно для этих «простых» задач и привычной нам скорости их выполнения нужна та самая гонка производительности и способность NPU выполнять до 15 000 000 000 операций в секунду. Довольно иронично, что прирост мощности процессоров в итоге приводит к тому, что мы перестаём думать о том, какая мощность нужна смартфону, чтобы записывать и моментально сохранять видео в высоком качестве (а в актуальных флагманах Galaxy это формат до 8K UHD при 30 кадрах в секунду) с одновременным перекодированием для уменьшения размера файла и улучшением качества картинки посредством алгоритмов. А потом, например, в VSCO, одним нажатием «перекрасить» получившийся ролик с помощью пленочных фильтров или как-то иначе его отредактировать, причем все действия и их последствия происходят в реальном времени, без продолжительного рендеринга и ожидания результата.

Но существуют и более требовательные задачи, что лучше всего видно на примере ориентированной на продуктивность линейке Galaxy Note. Использование стилуса и рукописный ввод, многозадачность с одновременной работой даже требовательных программ, режим Dex с десктопным пользовательским опытом и работой с приложениями на большом экране.

В графических ядрах тоже идет постоянный поиск баланса между производительностью и энергоэффективностью. Exynos 990 оснащен графическим процессором ARM Mali G77 MP11 и благодаря новой архитектуре Valhall он стал до 20% быстрее, но в то же время экономичней. А в сочетании с приростом мощности CPU и поддержке быстрой оперативной памяти LPDDR5 качество графики очень заметно улучшается, повышается плавность картинки даже в самые динамичные моменты геймплея, сокращается время ожидания при загрузках.

Кроме того, на уровне процессора реализована поддержка экранов с высокой частотой обновления — до 120 Гц. На практике это обеспечивает значительно более плавную отрисовку всех движений на экране, а главное, поддерживается некоторыми разработчиками в играх. Например, частота обновления 120 Гц  доступна в Dead Trigger 2, BADLAND, Temple Run 2, C.A.T.S., Subway Surf, UNKILLED, Rayman Adventures и других играх, где можно увидеть все возможности связки топового дисплея и флагманского процессора.

Вычислительная фотография — новая реальность

Опираясь только лишь на законы оптики, качество мобильной фотографии и возможности съемки видео в какой-то момент должны были упереться в физические размеры устройств. И при этом остаться на неудовлетворительном уровне. В смартфонах небольшие объективы, сквозь которые проходит мало света, и крошечные матрицы, на которые этот свет попадает. А мы, тем временем, как само собой разумеющееся ждем от флагманского смартфона возможность делать качественные фото с зумом, записывать видео с рук и не думать о тряске, фотографировать ночью при минимальном количестве источников света. При этом результат не просто нам нравится, зачастую он превосходит компактные камеры, лучше оснащенные с точки зрения оптики, но лишенные возможностей обработки изображения, которые дает мобильный процессор.

Связка нейропроцессора (NPU) и процессора обработки изображений (ISP) в Exynos 990 проводит колоссальное количество операций, часть из которых происходит еще до нажатия кнопки съемки, а часть — в момент и сразу после. Это дает возможность автоматически подбирать параметры съемки, адаптированные к конкретному объекту. Например, определяя лицо в кадре, искусственный интеллект автоматически корректирует сцену в соответствии с условиями освещения и тоном кожи человека. Процессор обработки изображений также предлагает алгоритмы для уменьшения шума, улучшения текстур и устранения артефактов по краям изображения. Кроме того, алгоритмы собирают информацию из соседних пикселей в один для улучшения качества, склеивают несколько изображений с разной экспозицией, чтобы получить больше информации о цвете в самых темных и светлых частях картинки, нивелируют дрожание рук при съемке, повышают контурную резкость, делают цвета более яркими. Все эти операции и те удивительные результаты, которые мы получаем на смартфоне, получили название «вычислительная фотография» и они не были бы возможны без постоянного развития процессоров.

Процессор как цифровой бастион

С тем количеством информации, которую хранят наши смартфоны, непозволительно игнорировать вопрос безопасности. А когда речь идет о самых чувствительных данных, в дело вступают не только программные, но также и аппаратные инструменты защиты на уровне архитектуры процессора. Они позволяют надежно защитить определённую часть данных, всю память устройства, предотвратить возможность программного взлома и аппаратного при физическом доступе злоумышленника к смартфону.

Например, в Exynos 990 используется механизм шифрования DRAM с улучшенной защитой и повышенной скоростью доступа к данным. Реализована защита от клонирования памяти, генерирующая ключ на основе уникальных параметров каждого чипа. Есть отдельное хранилище iSE, функционирующее отдельно от среды операционной системы. Последнее, например, используется для биометрии и платежной информации — того, к чему ни при каких условиях не должно быть доступа у злоумышленника.

Мобильные чипы завтрашнего дня

Чего ждать от новых поколений Exynos и развития рынка мобильных процессоров в целом? Из самого очевидного, это будет продолжение роста производительности и повышение энергоэффективности. Как следствие, мы увидим дальнейшее улучшение качества съемки, новые возможности мобильных приложений, лучшую графику в играх. Едва ли снизится внимание к вопросам безопасности и защиты данных.

Но больше всего усилий наверняка будет связано с ростом производительности, а может, даже количества ядер NPU для развития машинного обучения и искусственного интеллекта, а также все связанное с сетями 5G. А уж какое этому будет практическое применение — узнаем в ближайшем будущем. Наверняка, мобильные процессоры еще не раз смогут нас удивить

Смотрите и выбирайте смартфоны Samsung с флагманским чипом Exynos