Procesadores en dispositivos móviles

Tras el paso de los años la elección de un celular se a reducido prácticamente a la elección de un procesador, ya que el usuario moderno sabe que mientras mejor sea el procesador, tendrá una mejor experiencia en cuanto al uso del sistema operativo y sus aplicaciones.

Considerando lo anterior, el procesador cobra una doble importancia, ya que el continuo avance en aplicaciones y juegos para los dispositivos móviles  hace necesario cada ves mas un procesador mas potente  que pueda correr este tipo de aplicaciones cada ves mas complejas.

En la actualidad los procesadores mas utilizados y que veremos a continuación, están basados en la tecnologia System-on-a-chip (SoC), esto significa que se integra en un solo chip todos o gran parte de los  componentes de un dispositivo movil que cumplen otras funciones como por ejemplo: GPS, procesamiento de graficos, sonido, etc.
¿Qué es un procesador?

Un procesador en pocas palabras es el "cerebro" del dispositivo móvil en donde se realizan los procesos u operaciones que hace el dispositivo móvil.

En el mercado actual existe una gran variedad de procesadores que se diferencian tanto en el fabricante como en los celulares que los utilizan, en esta publicación veremos los procesadores mas utilizados y sus características.

Arquitectura ARM

La arquitectura ARM domina el mercado de los procesadores para celulares con aproximadamente un 80% del mercado, esto debido a su principal característica; el bajo consumo de energía, característica importante para un dispositivo móvil.

El diseño del ARM comenzó en 1983, a cargo de Roger Wilson y Steve Furber como un proyecto de la empresa Acorn Computer. En 1985 se terminaron los primeros prototipos del procesador al que llamaron ARM1, un año después, en 1986 se lanza al mercado la primera versión comercial de este procesador llamado ARM2, desde entonces han salido una serie de familias como: ARM3, ARM6,ARM7, ARM7TDMI, StrongARM, ARM9TDMI, ARM9E, ARM10E,XScale, ARM11, Cortex, etc.

Actualmente la mayoría de los procesadores fabricados para los dispositivos móviles se basan en una de estas familias para su desarrollo.

Veamos por ejemplo el caso de Iphone de Apple

Como podemos ver cada procesador en cada modelo del iphone se basa en una diferente familia de la arquitectura ARM, siendo el procesador mas actual para el iPhone, el Apple A6 de doble núcleo basado en la familia Cortex.

                                                      ARM Cortex - A15

Procesador Hummingbird y Exynos de Samsung

Samsung también tiene su propia linea de procesadores, el mas conocido es el Samsung Hummingbird.

Este procesador esta implementado en el Samsung Galaxy i9000, tiene una arquitectura ARM cortex-A8, sin embargo Samsung a mejorado el diseño lógico  logrando que un mismo numero de procesos sea completado en menos tiempo, obteniendo una ganancia de un 5 a un 10% en el desempeño sobre el diseño original de ARM.

Posee ademas tecnología de 45 nm (manómetros), esto significa que tiene una mayor cantidad de transistores en un menor espacio físico.

                                               Procesador Samsung Hummingbird

Una de las ultimos procesadores de Samsung sacado al mercado es el Exynos 4 Quad basado en ARM Cortex-A9 de cuadruple nucleo, utilizado en el Galaxy SIII.

Fue el primer procesador de cuatro nucleos que salio al mercado y cuenta con la tecnologia High-k Metal Gate de 32 nm, posee una velocidad de reloj de 1.4 GHz y un 20% menos de consumo energetico respecto a su predecesor el Exynos 4 Dual basado en la tecnologia de 45 nm.

El procesador incorpora un nuevo motor por hardware para la gestión de video de alta definición 1080p, esto tanto para la grabación como la reproducción.

La ultima version sacada al mercado por Samsung es el Exynos 5 Dual basado en  la arquitectura ARM Cortex-A15 y con una frecuencia de 1.7GHz de doble nucleo basada en tecnologia de 32nm, junto a una GPU quad core Mali T-604 capaz de gestionar resoluciones de hasta 2560x1600 píxeles.

Samsung Galaxy S3 con Exynos 4 Quad.

Procesador Snapdragon de Qualcomm

Al igual que el procesador anterior, el Snapdragon también esta desarrollado en base a la tecnologia de 45nm lo que representa un un buen desempeño.

Esta generacion de procesadores basadas en la familia Cortex, version ARMv7-A y nucleo Qualcomm Scorpion es utilizada por dispositivos moviles como el HTC Desire Z, thunderbold y el Disire HD.

Actualmente Qualcomm esta produciendo procesadores basados en tecnologia de 28nm llamados, SnapDragon S4. Esta reduccion de tamaño (28 nm) implica una mejora en el consumo al realizar las mismas tareas que con un procesador de por ejemplo 45 nm. Segun los creadores la reducción en el consumo estaría entre un 25 a 40%.

     Gráfico de consumo energético, comparación tecnologías 28nm vs 45nm


CPU

Para esta nueva tecnologia las CPUs pasan de ser Qualcomm Scorpion a Krait con una frecuencia de reloj comprendida entre los 1.5 GHz y los 2.5 GHz, logrando con esto un 60% mas de rendimiento su predecesor Snapdragon de 45nm.

GPU

Snapdragon S4, cuenta con una GPU adreno 225, que es aproximadamente un 50% mas rapida que la adreno 220.

La arquitectura del nuevo procesador Snapdragon S4 es un desarrollo propio de Qualcomm basado en ARM.

Procesador OMAP de Texas Instruments

OMAP 3

El OMAP36x comparte con el resto, la característica de diseño sobre los 45nm en el cual Texas Instruments añadió un acelerador de imágenes llamado IVA 2 que soporta la codificación y decodificación de imágenes por hardware, además incluye un componente que llaman Procesador de señales integrado que se encarga de manejar la información de imágenes y captura de video, el resultado, una mejora en el desempeño de la batería y en la captura de imágenes. Al igual que el Hummingbird el OMAP de última generación también cuenta con NEON ARM para potenciar  el desempeño de aplicaciones multimedia.

OMAP 4

Analizando el OMAP 4470, una de las ultimas primicias desarrollada por Texas Instruments, antes de la salida del OMAP 5, podemos describir una serie de aspectos interesantes que la hacen una gran competidora con el resto de los procesadores existentes en el mercado.

CPU

Para comenzar, esta version posee un aumento de potencia de aproximadamente un 20% respecto a su predecesor el OMAP 4460, de esta manera el OMAP 4470 aumenta su frecuencia hasta los 1.8GHz y consta de dos nucleos Cortex-A9 construidos bajo la tecnologia de fabricacion de 45nm, junto con otros dos CortexM3 para tarease bajo consumo.

GPU

 El OMAP 4470 incorpora una GPU SgGX544 PowerVR, con soporte para DirectX, OpenGL ES 2.0, Open VG 1.1 y OpenCL 1.1.

Diagrama de la circuitería de TI OMAP4:


                                            Arquitectura de OMAP4

OMAP 5

Ultima versión de la linea de procesadores desarrollada por Texas Instruments en base a la tecnología de 28nm. Cuenta ademas con un acelerador multimedia de nombre, IVA 3D HD que nos permite entre otras cosas tener Full HD 1080p60 multi estándar de video ( codificación y decodificación).

Según se dice, este procesador "destroza" al Tegra 3 de Nvidia en cuanto a rendimiento. Veamos algunas de sus especificaciones. 

CPU:

Posee dos ARM Cortex-A15 MPCore, capaces de alcanzar velocidades de hasta 2GHz cada uno. Ademas posee un ARM Cortex-M4 para tareas de bajo consumo y para capacidad de respuesta en tiempo real.

GPU:

Cuenta con una GPU llamada Multi-Core PowerVR SGX 544-MPx, el cual cuenta con aceleradores graficos para manejar juegos e interfaces graficas en 3D.



                                                Arquitectura de OMAP 5


Procesador Tegra de Nvidia 

Es el procesador con mas éxito de esta generación  basado en la arquitectura Cortex- A9 con una frecuencia maxima de 1,2 GHz y un diseño de 40nm, posee dos núcleos y cada núcleo posee 64 Kb de memoria cache.

Equipado con un procesador de señales capaz de soportar sensores de cámaras de hasta 12 Megapíxeles. En lo referente al procesamiento de gráficos  se cuenta con un chip Geforce de ultra bajo consumo y adicionalmente soporta la salida de video HDMI. 

En conclusión tenemos un procesador increíblemente rápido, con una gran desempeño en procesamiento de gráficos y con un bajo consumo de batería

A pesar de ser un procesador diseñado para los tablets, Nvidia Tegra 2 ha sido integrado en dispositivos muy interesantes como el Zune HD. La pagina oficial de Nvidia señala que el Tegra 2 posee una potencia 4 veces mayor a la primera generacion de Tegra.

Algunas especificaciones del Tegra 2:

Procesador
  CPU: ARM Cortex A-9 doble nucleo
  Frecuencia: Hasta 1.2 GHz 
Memoria
  Frecuencia: Hasta DDR2-760
  Tamaño de la memoria: hasta 1Gb
GPU
  Arquitectura: ULP GeForce
  Nucleos: 8
Sonido
  Decodificacion:   AAC - LC, AAC+, eAAC, MP3,MP3 VBR, WAV/PCM,etc. 
  Codificacion:   AAC LC, AAC+, eAAC+, etc

Actualmente Nvidia cuenta con la ultima version de Tegra llamado, Tegra 3 el cual cuenta con innovaciones como:

4-PLUS-1, con cuatro nucleos y un quinto nucleo que conserva la energia de la bateria, este ultimo solo para dispositivos con sistema operativo android.

Nvidia DirectTouch: Arquitectura que mejora la respuesta tactil y reduce el consumo de energia descargando una parte del procesamiento tactil en el procesador Tegra 3

Tecnologia de pantalla Nvidia PRISM: Tecnologia que reduce la energia producida por la luz de fondo del dispositivo, mientras mejora el color del pixel, ofreciendo la misma calidad visual, pero aumentando la durabilidad de la bateria.

Algunas especificaciones del Tegra 3:

Tegra 3 en Android

    Procesador
      CPU: Cuadruple nucleo con 5º para ahorro de energia
      Frecuencia: Hasta 1.7 GHz en nucleo unico/ 1.6GHz en nucleo cuadruple
    Memoria
      Frecuencia: Hasta DDR3-L 1500
      Tamaño de la memoria: hasta 2Gb
   GPU
     Arquitectura: ULP GeForce
     Nucleos: 12
  Sonido
     Decodificacion:   AAC - LC, AAC+, eAAC, MP3,MP3 VBR, WAV/PCM,etc. 
     Codificacion:   AAC LC, AAC+, eAAC+, etc


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Tegra 3 en Windows 8

  Procesador
     CPU: cuadruple nucleo
     Frecuencia: Hasta 1.4 GHz en nucleo unico/ 1.3 GHz en núcleo cuadruple
  Memoria
     Frecuencia: Hasta DDR3-L 1500
     Tamaño de la memoria: hasta 2Gb
  GPU
     Arquitectura: ULP Nvidia
     Nucleos: 12
  Sonido
     Decodificacion:   AAC - LC, AAC+, eAAC, MP3,MP3 VBR, WAV/PCM,etc. 
     Codificacion:   AAC LC, AAC+, eAAC+, etc



Celulares en el mercado que integran procesadores Tegra

                       LG Optimus 2X, Procesador doble núcleo Tegra 2

                                  HTC One X, Procesador Nvidia Tegra 3 Quad-Core

Benchmark; Tegra 3 vs Snapdragon S4

Diferentes tipos de pruebas se aplicaron a ambos procesadores entre las cuales tenemos: AnTUTU v2.7.3 Benchmark, SmartBench 2012 y AndEmark.

Explicacion breve de lo que cada uno de estos test hace

AnTUTU v2.7.3: Es capaz de poner a prueba el rendimiento de multiples nucleos. Esta prueba sirve para ver como un procesador de dos nucleos compite frente a uno de cuatro entre otras cosas.

SmartBench 2012: Se inicia mediante el cálculo de pi y luego ejecuta una serie de gráficos basados ​​en pruebas, pruebas de cuerdas y renders 3D. Es una prueba estándar que se utiliza con mucha frecuencia como Benchmark.


AndeEMark: Es tal vez el test mas importante, ya que fue construido por el "Embedded Microprocessor Benchmark Consortium". AMD, Intel, NVIDIA, Qualcomm y otros muchos forman parte del consorcio, por lo que esta es una prueba que ha sido estandarizada y aprobada por un grupo de fabricantes de chips y conocedores de la industria. AndeEMark es capaz de poner a prueba las capacidades multinúcleo y multihilo de un procesador dado y también se puede comprobar la eficacia de Java de la CPU.

Los resultados mostrados por cada una de esta pruebas se ven en la siguiente imagen.

Como podemos ver el ganador de todas estas pruebas fue Nvidia Tegra 3, asi el resultado parcial entre estos dos procesadores es de: 

Nvidia Tegra 3 = 3 

Qualcomm Snapdragon S4 = 0

  

La siguiente prueba se llama AndEmark Java, con esto vemos la eficacia de Java en la CPU. Veamos los resultados

Nuevamente el Tegra 3 de Nvidia se impone frente a Snapdragon S4, dejando un resultado parcial de:

Nvidia Tegra 3 = 4 

Qualcomm Snapdragon S4 = 0

Aun quedan un par de test por hacer, esperemos ver una remontada por parte de Snapdragon. 

Test Quadrant

Quadrant: Es una prueba popular que se usa en diversos foros de Android para comparar dispositivos. Es una prueba precisa para la realización testear el multi-threaded de las CPU, pero no representan con precisión representaciones gráficas en 2D o 3D, ya que no es una opción para cambiar la resolución de pantalla.

El ganador de esta prueba resulto ser Snapdragon S4, En general el Snapdragon S4 supero al Tegra 3, sin embargo debemos destacar que los resultados de la CPU estan por detras del Tegra 3. El resultado parcial antes de la penultima prueba es::

Nvidia Tegra 3 = 4 

Qualcomm Snapdragon S4 = 1

Test GLBenchmark 2.1.4

GLBenchmark 2.1.4 es una excelente prueba de comparación, ya que proporciona un "Egypt" punto de referencia que pone a prueba el rendimiento de Open GL ES 2.0, que los juegos más nuevos aprovechan. También es compatible con el "modo fuera de pantalla" para representar a un sitio específico de visualización independiente de la resolución.

En esta prueba el Tegra 3 se impone frente al S4 simplemente porque es capaz de mostrar un mayor numero de fotogramas por segundo. En la practica casi imposible poder distinguir un juego corriendo a 64 fotogramas por segundo frente a un juego a 56 fotogramas por segundo, por esta razon el S4 no tiene nada que perder en esta prueba. De todas formas el resultado parcial antes de la ultima prueba es el siguiente:

Nvidia Tegra 3 = 5

Qualcomm Snapdragon S4 = 1

Test Moonbat for Chrome

Moonbat permite a los usuarios probar el rendimiento de la CPU multihilo dentro del navegador web Chrome usando una serie de pruebas basadas en Java. En este caso, la puntuación más baja es mejor lo que significa que el Benchmark finalizó primero.

En este Test final podemos ver como el S4 se impone frente al Tegra 3 completando las pruebas en aproximadamente un 33% mas rapidas que Tegra 3.

Resultado Final:

Nvidia Tegra 3 = 5

Qualcomm Snapdragon S4 = 2

Como vemos en el resultado final el Tegra 3 se impuso claramente sobre el Snapdragon S4, las pruebas hablan por si solas, pero de todos modos no podemos decir que el S4 sea un mal procesador ya que en lineas generales cumple con las pruebas de buena forma. 



Procesadores Medfield de Intel 

Intel tampoco quiere quedarse fuera de este mercado que cada vez va cobrando mayor importancia, por lo que quiere competir en este mercado con un procesador basado en arquitectura x86 de nombre Medfield.

Por lo que vemos Intel tratará de ganarle mercado a ARM que es la actual referencia en el desarrollo de procesadores declarando así la guerra X86 vs ARM.

El Medfield es un procesador Atom Z2460 que cuenta con un solo nucleo, pero con la posibilidad de procesar dos threads (hilos), por paradojico que suene, el tener un nucleo no le imposibilita competir con los ARM Cortex-A9 e inclusive superar a varios que actualmente se encuentran en el mercado.

Medfield es un SoC que tiene un solo núcleo que trabaja a una frecuencia de hasta 1.6 GHz, fabricado en un  proceso de baja potencia de 32 nm, cuenta ademas con unos 512Kb de Cache y una GPU PowerVR SGX 540 a 400 Mhz, dos modulos para video 1080p, VDX385 y VDE285 para comprimir y descomprimir video en perfiles altos, un ISP Silicon Hive para procesamiento de las fotos de la camara y una memoria LPDDR2 entre otras cosas.

Arquitectura de un Procesador Medfield de Intel

Mike Bell, lider de este proyecto tiene "carta blanca" por parte de Paul Otellini para gastar lo que considere necesario para hacer del Medfield el nuevo coloso del mercado.

Originalmente el plan apuntaba a Meego, pero la "traicion" de Nokia obligó al equipo a replantearse el escenario y apuntar a Android. Aquí se presentó el primer problema, ya que si bien Android hace un buen tiempo funciona en x86, no todas las apps lo hacen.

Aquellas que utilizan acceso directo a funciones específicas de ARM son un problema porque no funcionarían inmediatamente, por ejemplo juegos que hagan uso de 3D directo. El resto, un 75% calcula Intel, funcionarán sin problemas desde el día cero ya que Android utiliza una VM para ejecutar los programas: no necesitan ser recompilados para cambiar de plataforma mientras usen las funciones "normales". Para el restante porcentaje tienen planeado algo medio chino: Traducción binaria esto significa detectar cuando una app quiere usar una función de ARM y devolverle el resultado con una compatible a x86. 

Intel ya puso el primer pie dentro de este mercado y avanza a pasos agigantados para quitarle mercado al siempre tan bien ponderado ARM. La guerra esta declarada y nosotros los usuarios somo los mas beneficiados, ya que mientras mas opciones existan en un mercado, mejor competencia habrá y por lo tanto mejores productos. 

Solo queda esperar el próximo año, para ver que sorpresas nos depara los procesadores de estas compañías, procesadores que cada vez se hacen mas pequeños pero mas potentes.