Os entusiastas da tecnologia adoram falar sobre poder de processamento e chips, desde PCs e consoles de jogos até os mais recentes smartphones. Fazemos uma boa parte aqui em Autoridade Android, com cobertura detalhada dos processadores mais recentes da Arm, Huawei, Qualcomm, Samsung, MediaTek e outros. Para os não iniciados, esses tópicos são densos com jargões e idéias abstratas que podem parecer uma parede de tijolos para entender até questões básicas como "o que é um SoC?"
Pode levar anos de estudo para compreender adequadamente os detalhes mais finos do design de chips, o que não é bom se você estiver apenas tentando pesquisar uma possível compra. Hoje, vamos fazer algo um pouco mais amigável para iniciantes e explicar os meandros dos chips de smartphones modernos com o mínimo de bruxaria técnica possível.
Apenas o que é um SoC?
Os blocos de construção de um Snapdragon SoC podem ser vistos acima.
SoC significa System-on-a-Chip. Como o nome sugere, um SoC é um sistema de processamento completo contido em um único pacote. Não é um pacote de chip de processador único, com o qual você pode estar familiarizado se já construiu um PC. Em vez disso, um SoC contém várias partes de processamento, memória, modems e outros bits e peças essenciais fabricados juntos em um único chip soldado na placa de circuito.
O System-on-a-Chip é o cérebro do seu smartphone.
A combinação de vários componentes em um único chip economiza espaço, custo e consumo de energia. Os SoCs também se conectam a outros componentes, como câmeras, monitor, RAM, armazenamento em flash e muito mais. Essencialmente, um SoC é o cérebro do seu smartphone que lida com tudo, desde o sistema operacional Android até a detecção quando você pressiona o botão desligar.
A lista abaixo contém os componentes mais comuns que você encontrará dentro de um smartphone System-on-a-Chip. Vamos abordar alguns dos mais importantes mais adiante neste artigo.
- Unidade de processamento central (CPU) – Os "cérebros" do SoC. Executa a maior parte do código para o sistema operacional Android e a maioria dos seus aplicativos.
- Unidade de processamento gráfico (GPU) – Lida com tarefas relacionadas a gráficos, como visualizar a interface do usuário de um aplicativo e jogos 2D / 3D.
- Unidade de processamento de imagem (ISP) – Converte dados da câmera do telefone em arquivos de imagem e vídeo.
- Processador de sinal digital (DSP) – Lida com funções matematicamente mais intensas que uma CPU. Inclui descomprimir arquivos de música e analisar dados do sensor do giroscópio.
- Unidade de processamento neural (NPU) – Usado em smartphones de última geração para acelerar tarefas de aprendizado de máquina (IA). Isso inclui reconhecimento de voz e processamento da câmera.
- Codificador / decodificador de vídeo – Lida com a conversão economicamente eficiente de arquivos e formatos de vídeo.
- Modems – Converte sinais sem fio em dados que seu telefone entende. Os componentes incluem modems 4G LTE, 5G, WiFi e Bluetooth.
Por fim, conversas sobre SoCs costumam mencionar algo chamado processo de fabricação. Está listado como um número em nanômetros (nm). De um modo geral, quanto menor o tamanho nm, menor a fiação interna do SoC. Isso é melhor para eficiência de energia e tamanho da área de silício. Embora existam diferentes métodos de fabricação que podem dificultar as comparações diretas. Atualmente, o 7nm é o menor processo de fabricação disponível usado pelos SoCs de smartphones.
Exemplos de um SoC
Agora que temos uma breve visão geral do que é um SoC, que tal alguns exemplos. No setor de smartphones, Qualcomm, Samsung Semiconductor, HiSilicon da Huawei e MediaTek são os quatro maiores nomes do setor. As chances são de que seu smartphone tenha um chip de uma dessas empresas.
A Qualcomm é a maior fornecedora de SoCs para smartphones, o envio de chips para a maioria dos smartphones flagship, intermediários e até low-end libera cada ouvido. Os SoCs da Qualcomm se enquadram na marca Snapdragon. Os chips premium com a melhor tecnologia da empresa estão sob o banner da série Snapdragon 800, como o mais recente Snapdragon 865. Os produtos de médio e super-médio são marcados com os nomes das séries Snapdragon 600 e 700, respectivamente. Como o Snapdragon 765, que possui conectividade 5G. Os produtos de nível básico são nomeados sob a série 400.
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O esquema de nomeação Exynos da Samsung agora se parece muito com o da Huawei. O Kirin 990 é o mais recente chip da Huawei, disponível nas variantes 4G e 5G. A s
érie Kirin 600 é muito parecida com a linha Snapdragon 600, oferecendo especificações de nível intermediário para smartphones mais acessíveis. Por fim, a linha Helio da MediaTek abrange produtos da série P acessíveis até a série G focada em jogos e a mais recente emblemática Dimensity 1000 com 5G.
Tudo começa com a CPU
Você pode estar familiarizado com o termo processador, pois ele é frequentemente usado de forma intercambiável com a CPU neste círculo de conversa. Uma CPU é o tipo de processador mais usado. Ele foi projetado para ser altamente flexível e adequado para uma ampla gama de tarefas. Como tal, a CPU executa o sistema operacional Android e seus aplicativos. Também é parcialmente responsável pela sincronização de dados entre outros processadores dentro do SoC.
Como uma visão geral rápida, as CPUs operam usando unidades de previsão, registradores e unidades de execução. Isso é conhecido como arquitetura da CPU. Os registros mantêm bits de dados ou ponteiros na memória, geralmente em formatos de dados de 64 bits. As unidades de execução fazem algo com um ou mais registros, como ler e escrever na memória ou executar matemática. Múltiplas unidades de execução podem ser usadas ao mesmo tempo com a CPU, cada uma tomando um ciclo de clock ou dois para concluir sua função.
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As CPUs são flexíveis o suficiente para atender a uma ampla variedade de tarefas. O desempenho pode ser ampliado para cima e para baixo alterando a velocidade do clock (em GHz), o número de núcleos ou a arquitetura subjacente para fazer mais com cada ciclo do clock. Esse último ponto geralmente é chamado de construção de uma CPU "maior" ou "maior", que é como os chips de telefone da Apple são tão poderosos. No entanto, também existem vantagens e desvantagens para esses projetos mais amplos.
As CPUs dentro dos SoCs de smartphones têm uma variedade de sabores, todos baseados na arquitetura de CPU Arm. Os mais recentes núcleos de CPU da Arm são o grande Cortex-A77 e o pequeno Cortex-A55. As CPUs dos smartphones geralmente aparecem em configurações de oito núcleos, com grandes núcleos poderosos para aplicativos mais exigentes e núcleos menores com baixo consumo de energia, para garantir longa duração da bateria.
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Gráficos integrados
Além da CPU, a unidade de processamento gráfico (GPU) é outra parte do hardware tradicional de processamento de números compactado no SoC do telefone. As GPUs são muito menos genéricas que as CPUs e são projetadas de maneira muito diferente como resultado. Eles são criados para percorrer repetidamente funções matemáticas em paralelo, o que podem ser muito mais rápidas que uma CPU normal. Lembre-se de que existem milhões de pixels para preencher em sua tela de 1080p, cada um dos quais deve ser calculado quando você estiver executando um aplicativo ou seu jogo favorito.
A maioria das operações gráficas são repetidas várias vezes para preencher todos os pixels da tela. Assim, as GPUs são projetadas para executar muita matemática de uma só vez em grandes lotes de dados.
Diferentemente das CPUs que executam uma ou duas operações a cada ciclo, as GPUs executam dezenas, centenas e até milhares de operações paralelas a cada ciclo. Isso depende do tamanho e desempenho do design da GPU.
As duas principais GPUs no espaço SoC móvel são Mali de Arm e Adreno da Qualcomm. Ambos oferecem versões maiores e menores da tecnologia GPU, com os principais chips que compõem seu hardware mais poderoso para jogos em 3D. A Qualcomm não fala muito sobre o funcionamento interno da Adreno, mas sabemos tudo sobre o Mali. Você pode ler sobre o última arquitetura do Mali aqui.
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Ótimas câmeras precisam de bons processadores
Os smartphones são cada vez mais julgados por suas capacidades fotográficas. Embora o sensor de ponta e o hardware da lente sejam essenciais, recursos poderosos de processamento de imagem são uma parte igualmente importante da história. Veja os resultados impressionantes da configuração simples de hardware da câmera do Google Pixel 4.
Embora a edição e o ajuste de imagens sejam geralmente realizados na CPU e na GPU, há uma tonelada de processamento realizado nos dados do sensor da câmera antes que uma imagem seja salva no seu telefone. Um ISP é um DSP especializado que lida com tarefas comuns de criação de imagens, como transformações da Bayer, foco, remoção de degelo, nitidez e redução de ruído. Em outras palavras, transforma informações digitais de um sensor de câmera em uma imagem bonita.
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Os dois últimos são particularmente importantes em smartphones, onde aparelhos mais baratos tendem a se tornar mais nítidos e a produzir detalhes com aparência piegas. Enquanto isso, no topo de gama, o Kirin 990 da Huawei é o primeiro SoC com redução de ruído de correspondência de bloco e filtragem 3D (BM3D) de nível DSLR. Isso produz grandes resultados no Huawei Mate 30 Pro.
A conclusão é que as imagens com boa aparência requerem um poderoso processador de imagem.
Processamento de IA de próxima geração
Termos como unidades de processamento neural, processadores de IA ou núcleos de aprendizado de máquina são frequentemente usados de forma intercambiável, mas todos tendem a significar a mesma coisa nos SoCs de smartphones modernos: um processador especificamente otimizado para a matemática e os algoritmos comumente usados pelas redes neurais.
Assim como as GPUs são processadores otimizados para matemática gráfica e os ISPs são otimizados para tarefas de imagem, as NPUs são processadores projetados especificamente para executar redes neurais e tarefas de aprendizado de máquina com mais rapidez e eficiência do que as CPUs. As NPUs também possuem seus próprios caches de memória local, para acelerar a execução sem precisar usar RAM mais lenta.
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As redes neurais geralmente exigem operações que usam várias partes de dados de entrada para gerar apenas uma única saída. A operação de acumulação múltipla é particularmente popular, geralmente operando em uma variedade de tamanhos de dados, de 16 bits a 8 e até 4 bits de dados. Isso é muito diferente dos tipos matemáticos e de dados usados pelas CPUs, embora algumas operações possam ser aceleradas em GPUs flexíveis.
As NPUs são o mais recente processador especializado a encontrar o caminho para os SoCs de telefone. Embora seja reservada principalmente para chips de alto nível, essa tecnologia chegará a aparelhos mais acessíveis no futuro próximo.
Modems 4G e 5G para dados mais rápidos
A peça final de um SoC de smartphone moderno é o modem de dados, que permite acessar redes de dados da sua operadora. Modems diferentes também determinam a velocidade e a qualidade da sua conexão de dados. Os modems mais poderosos atingem velocidades acima de 1Gbps. Também existem modems para dados Wi-Fi e Bluetooth, mas hoje estamos focados nos modems 4G e 5G.
Consulte Mais informação: Por que não há modem 5G integrado no Snapdragon 865
Todos os SoCs de smartphones atuais possuem modems 4G integrados. Isso significa que o modem 4G está localizado dentro do SoC. Os primeiros modems 5G para smartphones são externos, o que significa que precisam ser conectados ao SoC principal. Isso economiza menos energia, mas facilita a implementação de recursos avançados e fornece flexibilidade ao fabricante, enquanto as redes 5G são lançadas para mais consumidores.
Os primeiros SoCs com modems e recursos 5G integrados já estão aqui. A Huawei possui uma versão 5G do Kirin 990 e o Snapdragon 765 da Qualcomm oferece 5G integrado. No entanto, os modems 5G mais poderosos ainda são externos. Os modems Snapdragon X55 da Qualcomm e Exynos 5123 da Samsung oferecem velocidades mais rápidas do que as contrapartes integradas, além do suporte ao mmWave. Os principais telefones 5G de 2020 permanecerão com modems externos por mais algum tempo.
Mais sobre SoCs para smartphones
Os entusiastas do telefone gostam de comparar as especificações de CPU e GPU, mas isso está se tornando menos relevante à medida que o desempenho amadurece e novos recursos são necessários. Os SoCs para smartphones são cada vez menos sobre um único recurso e mais sobre uma abordagem de computação heterogênea para solucionar problemas de processamento.
Os aparelhos de hoje lidam com uma variedade maior de cargas de trabalho do que nunca. Como resultado, o número de processadores dedicados dentro de cada chip continua aumentando. Desde componentes básicos de CPU e GPU há alguns anos, até DSPs, ISPs avançados e NPUs atualmente. Essas partes menos comentadas estão se tornando mais importantes com os avanços em segurança, aprendizado de máquina e 5G.
Para obter mais informações sobre chipsets específicos para smartphones, consulte nossa seleção de guias abaixo: