Немаленький текст внезапно о… iPhone 5S, инженерии и 64-битовых смартфонах

Кажется, уже все, кому не лень, что-нибудь, да сказали о новом iPhone. Пора и мне, наверное. Только настроение какое-то осеннее, не хочется ни восторженно невнятно блеять, ни «развенчивать». Хочется спокойно и вразумительно посмотреть на добротный результат работы грамотных инженеров. Остальное за меня сделала уже Apple fans crowd и противоположная сторона. Благо, что новый iPhone уже «разобрали по косточкам», и там есть на что посмотреть и чему поучиться. Даже тем, кто от инженерии далёк – вообще, заглядывать «на кухню» очень полезно для потребителя продуктов этой самой кухни, именно поэтому в плохих ресторанах посетителей на кухню обычно категорически не пускают :)

Начнём с самого «простого». С корпуса. Смешные «эпплбои» и «эпплфаны» наверняка не имеют представления о том, что их любимица является крупным правообладателем интеллектуальной собственности в области… сплавов и их обработки (в первую очередь – литьём).

Еще в 2010 году Apple скупила «на корню» все патенты очень интересной компании Liquidmetal Technologies. «На корню» означает, что с эксклюзивными, неограниченными территориально и во времени правами.

То есть, всё, что производит Liquidmetal на основе уже не своих разработок (до 2010 года) – это всё как интеллектуальная собственность принадлежит Apple.

А производить Liquidmetal умеет. Советую «погулять» по её сайту – очень даже замечательный производитель, которого, как поставщика, уважают другие солидные производители, например, эксклюзивных наручных часов (и если вы разорились на Omega – вы уплатили немалую денюжку и Apple).

Достоинство основанных на интеллектуальной собственности Liquidmetal сплавов – технологичность производства прецизионных малогабаритных литых изделий произвольной формы со сложными «биоморфными» поверхностями. При этом прочность сплавов Liquidmetal заявляет на уровне титана. И, почему-то мне кажется, никого не обманывает.

Так что и силовая часть корпуса iPhone 5S и даже держатель SIM-карточки – это всё Liquidmetal, циркониево-титаново-медно-никельно-бериллиевый (!) сплав LM001B, аморфностью структуры больше похожий на стекло, чем на металл. Исключительно для иллюстрации - вот этот самый держатель-направляющая nanoSIM карты из этого самого дивного сплава (такое кроме как литьём и кроме как из очень хорошего сплава сделать за разумные деньги просто нереально):

Кто там страдает, что человечество не «ломится» в космос, и от этого застой в технологиях? Обычно застой бывает только в головах. От отсутствия любопытства и знаний. Замечательные и куда «космическее», чем пресловутые «космические» технологии, надо сказать, у Liquidmetal, и эти технологии – обычное дело в хорошей потребительской инженерии. Потому что в Liquidmetal технологией сплавов и литья добились прецизионности от массового производства, сравнимой с уникальной обработкой каждого изделия на станках с ЧПУ (числовым программным управлением). Это не в единичном экземпляре за сумасшедшие деньги «для космоса» что-то «выпилить».

Теперь перейдём к основной части, к электронным «кишкам».

Изнутри iPhone 5S выглядит как любой другой потребительский телефон. Даже немного неаккуратно (скорее всего, это sample, образец, а не конвейерная сборка, хотя всё может быть). Ничего «взрывного» в этом инсайдерском снимке не видно. Ну, оно и понятно – массовая сборка, даже самая красивая, не предусматривает каких-то чудес:

Очень интересно взглянуть на основную печатную плату и сравнить её с аналогом предыдущего поколения.

Вот, например, основное для монтажа электроники iPhone 5S (вид с двух сторон):

А вот что было в основе предыдущего iPhone 5:

Те же очертания печатной платы (конструктив их требует), явно тот же «бутерброд» с двух сторон платы из основной системы на чипе и микросхемы DRAM (если судить по контактным площадкам), так же «загнанный» в нижнюю часть платы, подальше от вычислительных узлов, радиомодуль Qualcomm. В связной части существенных изменений вроде как не произошло, но Apple в стратегической борьбе за громадный китайский рынок (о чём свидетельствует тихая-тихая личная поездка в Китай Тима Кука для встречи с главой «Чайна телекома») явно поддержит Китай в его снижении зависимости национальной сети сотовой связи от «западных поставщиков», стало быть, уникальный для Китая TD-SCDMA наверняка в дешёвой модели (5C) будет, потому что статистика утверждает среднекитайскую цену популярного смартфона на уровне  $440.

В 5-й модели самым большим элементом на плате была система на чипе A6 производства Samsung по контракту с Apple (непримиримые враги-с, да). В модели 5C это остаётся в силе.

А вот в модели 5S конструкторы Apple (точнее, двух купленных Apple за примерно $400 миллионов компаний – P.A.Semi и Intrinsity) уже используют в системе на чипе «A7» 64-битовый двухъядерный Arm Cortex A7, наверняка со своими доработками, которые Apple эксклюзивно и в исключительном порядке «тайно» разрешены ARM.

Вот эта 64-битовость смартфона, похоже, никому уже не даёт покоя.

Понятно, что в потребительских приложениях увеличение разрядности может дать прирост производительности (может быть даже на заявленном уровне почему-то в строго 31%, хотя мне в такое не верится – что-то будет быстрее, что-то даже и медленнее), но уже слышатся более-менее здравые голоса, и они говорят, что такой шаг – он больше рассчитан на перспективу и унификацию модельных рядов компании, чем на получение пользователями быстрых дивидендов от 64-битовости.

Исходя из простой логики, - да, скорее всего, ничего существенного во время актуальности iPhone 5S с 64-битовостью не произойдёт. Может быть даже не произойдёт и во время актуальности следующего поколения iPhone. Но зачем-то в Apple приняли такое решение. И я не склонен думать, что приняли его только из маркетинговых соображений (64 бита – это ведь больше 32-х, а потребитель всегда ценит, когда ему предлагают больше за те же деньги). Тут что-то другое.

Даже отступление сделаю специально. Всё, что в этом отступлении – сугубо мои личные рассуждения, если они вам неинтересны, пролистайте до фразы в начале абзаца «Теперь вернёмся опять к новым iPhone» (даже выделил эту фразу bold'ом).

Вы уже заметили, конечно, размер микросхемы DRAM от Hynix на плате – это вторая самая большая микросхема во всей конструкции (для наглядности выделил её красным):

И без моей подсказки должно быть понятно, что установить ещё один корпус микросхемы такого размера на такую маленькую плату просто некуда. С этим пониманием настало время осмотреться по сторонам.

А там видно следующее - в апреле этого года консорциум HMC (Hybrid Memory Cube) опубликовал первую спецификацию на «стекированную память» - фактически, на микросхемы памяти, в которых несколько (до восьми) полупроводниковых кристаллов располагаются один над другим в одном корпусе. Что позволяет за счёт прочих технических приёмов существенно увеличить полосу пропускания подсистемы памяти (скажем, в 10 раз, с 64 GB/с для DDR3 - до 640 GB/s, само собой, это увеличивает и производительность всего вычислителя с такой памятью в целом), но в нашем контексте это больше означает возможность «утрамбовать» больший объём памяти в один корпус (на картинке - сечение HMC-микросхемы, установленной на печатной плате, видны слои кристаллов DRAM и, пожалуй, самый интересный и ключевой конструктивный элемент этой технологии - through-silicon-via, TVS, сквозные переходные проводники, соединяющие кристаллы памяти):

Да, пока образцы стекированной памяти имеют совершенно несмартфонные габариты (27×27 мм) и не те объёмы, и даже цели у разработчиков не совсем те (приоритет отдаётся именно полосе пропускания). Но раз технология такая уже есть, и в консорциум HMC входят такие монстры, как Micron, Samsung и Hynix, то… То наверняка уже в следующем году мы увидим серийные микросхемы DRAM стекированной памяти.

Apple не замечена среди участников и ассоциированных членов консорциума HMC. Но и не знать о том, что в списке достоинств HMC значится экономия 90% места на плате, «Smaller Physical Footprint — The stacked architecture uses nearly 90% less physical space than today’s RDIMMs», в Apple не могут.

Стало быть, пусть не совсем не за горами, но неизбежно настанет тот момент, когда на месте микросхемы памяти объёмом 1GB (именно такая и используется в iPhone) можно будет разместить, скажем, 8GB HMC из восьми гигабайтных «слоёв». А 8GB – это уже за пределами возможностей адресации 32-битовых архитектур.

Но.

HMC делается вроде как не для смартфонов, чувствительных к энергопотреблению, это вроде как быстрая память для мощных вычислителей.

Я не поленился почитать спецификации консорциума, благо они открыты, доступны даже без регистрации (что редкость и приятно) и очень внятно написаны.

И вот что я вычитал об управлении энергопотреблением отдельных «слоёв памяти» в HMC-микросхемах (раздел 7 спецификаций) – «Each link can independently be set into a lower power state through the usage of the power state management pins... Each of the links can be set into a low-power state, sleep mode, as well as a minimum power state called down mode».

Линк (link) – это интерфейс к одному «слою» (кристаллу DRAM)  памяти в пределах микросхемы, то есть, у микросхемы памяти из восьми «слоёв» есть восемь линков.

Перевод линка в состояние «выключен» означает, что «HMC enters a self-refresh state. Although not accessible from the links, data stored within the memory is still maintained».

Таким образом, никто не запрещает 8GB микросхему памяти временно использовать как изрядно потребляющую с полной ёмкостью, а временно – как 1GB память, при этом содержимое остальных 7 GB будет сохраняться встроенной системой регенерации памяти, которая сравнительно экономична (ну ведь работают как-то наши планшеты и смартфоны с их парой гигабайтов DRAM, динамическая память в них регенерируется постоянно, дольше миллисекунды-двух она не умеет хранить данные).

А теперь давайте вспомним о концепции «смартфоноцентрического компьютинга». Есть такая. Неоднократно озвучивалась. В том числе и сравнительно недавно известной компанией Canonical, стоящей за популярным дистрибутивом Linux Ubuntu.

Концепция проста – у пользователя есть смартфон и док-станция в виде ПК-моноблока с монитором и встроенной периферией. Никакого вычислителя в док-станции нет. Только монитор и периферийные узлы. Пользователь каким-то образом соединяет смартфон с док-станцией и получает ПК. Рассоединяет – получает смартфон c заряженным аккумулятором. Всё персональное пользователя – в смартфоне, док-станция – просто «довесок», обеспечивающий питание, большой экран, клавиатуру и что там ещё нужно по мелочам (на картинке – концепт Canonical):

Ничего фантастического в таком концепте нет. Но в нём есть одна крайне реальная технологическая неприятность. Разъём. Смартфон надо как-то соединить со всем остальным в док-станции. И если во всём остальном есть расширяющая возможности вычислителя смартфона оперативная память – присоединить её одновременно чем-то очень быстрым (полоса пропускания шины памяти очень высока) и очень надёжным (потому что в таком концепте смартфон будет пользователем постоянно «дёргаться» туда-сюда) практически невозможно. Сделать такие разъём и шину, которые позволяют «оттянуть» хоть на десяток сантиметров от процессора оперативную память – это не научная, а, скорее, художественная фантастика.

Но.

Если есть HMC-память в смартфоне, то что?

Сообразили?

Правильно!

Самый быстрый и чувствительный к качеству шины ресурс оказывается локализован (как образовывал гарантирующий минимальную длину проводников "бутерброд" с системой на чипе, так и остаётся на своём месте), и внешние шины смартфону нужны уже совсем другие, для периферии, а они-то как раз прекрасно отработаны, они последовательные, и особых сложностей в части разъёмов не представляют (3-5 контактов - это, извините, не 128-битовой ширины шина данных плюс 40+ битовой ширины шина адреса и ещё десятка три-четыре служебных контактов).

Пользователь соединяет с док-станцией свой смартфон, за счёт этого обеспечивается требуемая мощность питания, ПО смартфона определяет, что он подключён к док-станции, включает дополнительные «слои» оперативной памяти (которая, кстати, хранит данные прошлого  сеанса работы), увеличивает рабочую частоту процессора и переводит аккумулятор в режим зарядки – и, вуаля!, - из скромного смартфона с 1-2GB ОЗУ получается 64-битовая рабочая станция с 8GB (или больше, кто знает, всё так быстро) памяти, ещё и мгновенно «всплывающая из смартфонного сна» (содержимое памяти-то хранится).

Уж если я смог до этого додуматься, то, думаю, многие смогли. И что-то мне подсказывает, что в Apple с этой загадочной 64-битовостью посматривают именно в эту сторону. А что 64-битовая "пташка" явно ранней получается – так это даже и правильно.

Любой массовой пользовательской технологии нужен буферный период.

В это время прикладные программисты всё равно наваяют чего-нибудь 64-битового, и даже немало, просто сугубо из «форсу бандитского».

А пользователи всё равно это удовольствие оплатят, потому что это же новый iPhone! Как же ж без него жить-то?

А там, глядишь, появится и компактная ёмкая HMC-память. И к её появлению Apple будет готова (наверняка и купит кого-то из специализирующихся).

(Надо бы не забыть это логическое построение и дожить до, скажем, 2016-го года. Просто чтобы проверить – случилось ли оно, или нет. Потому что очень интересно разгадывать инженерные загадки.)

Теперь вернёмся опять к новым iPhone. 

К наделавшей много шума подсистеме аутентификации по отпечатку пальца.

В основе этой подсистемы – наработки ещё одного приобретения Apple, компании AuthenTech (сделка состоялась совсем недавно, в прошлом году). Собственно, эта подсистема неплохо описана в совсем свежей (явно оформленной под выход 5S) патентной заявке Apple US2013/0181949. Так что желающие могут ознакомиться в деталях, там всё расписано. Довольно интересны и сам сенсор, и выделение для исполнения задачи распознавания отпечатка отдельного цифрового сигнального процессора семейства Blackfin (разработчик – знаменитая в узких кругах Analog Devices). Насколько я понимаю, сигнальный процессор интегрирован в микросхему сенсора и полностью независим от прочих узлов смартфона. Эта микросхема сенсора - самостоятельный продукт, кто его производит для Apple – неизвестно.

Сенсор отпечатков пальцев – штука, неизбежно подверженная износу. Потому что пользователь будет по нему «елозить» пальцем, для того сенсор и предназначен. И, стало быть, его надо защитить.

Уж не знаю, откуда выплывают эти аналогии с дорогими часами, косвенно, через Liquidmetal связанными с Apple, но здесь они тоже просматриваются – похоже, что в 5S защита сенсора отпечатков пальцев будет (или уже есть) вполне такой себе «эксклюзивно-часовой» - над сенсором установлен сапфировый (естественно, из синтетического сапфира, называемого «лейкосапфиром») защитный колпачок:

Ну что тут можно сказать. Технически это очень грамотное решение. Потому что у лейкосапфира просто идеальные характеристики для защиты сенсора от белковых форм жизни (в том числе и человека) – он практически не взаимодействует ни с чем биологическим (потому и используется в хирургии для изготовления инструментов), очень прочен, в общем, - стоек ко всем воздействиям. Недешёвое решение, конечно. Но и не смертельно дорогое, учитывая размер сенсора.

Но тут важно другое – в цепочке поставщиков компонентов для iPhone появляется кто-то (неизвестно кто именно), мало того, что изготавливающий лейкосапфиры, так ещё и прецизионной очень сложной формы. Больше ничего никому не известно, но и это уже информация. Не удивлюсь, если Apple и этого кого-то прикупила на всякий случай.

Из ярких инженерных мелочей стоит упомянуть ещё доработку такого «важного» узла, как моторчик, обеспечивающий вибрацию. Насколько я понимаю, в 5-й модели к этому узлу были нарекания. Качество доработки видно невооружённым глазом – сверху левее, простите, «вибратор» iPhone 5S, снизу правее – предыдущего поколения:

Тут всё понятно без слов – новая конструкция проще даже визуально и состоит из меньшего числа узлов. И, как бы это сказать, - изящнее. В общем, над ней достойно потрудились инженеры-механики (а до них – все те, кто «вытаскивал» из смутных недовольств потребителей причины этих недовольств).

 

Я постарался собрать здесь всякое разное из уже известного об iPhone 5S. И ничего, кроме уважения, не могу высказать инженерам, логистам и управленцам Apple, стоящим за этим аппаратом.

С инженерной точки зрения – красивая, качественная, достойная работа и хороший пример эволюционного развития изделия «в мелочах», но явно с дальним прицелом.

 

Пока я это всё собирал и писал, открылось мне кое-что ещё. Чем и поделюсь.

Вот есть два «непримиримых друга» - Apple и Samsung, кооперация которых напоминает кооперацию компаний Российской Империи и Германии во время Первой Мировой Войны.

То есть, они как бы воюют, но продолжают друг у друга заказывать и друг другу отгружать. И из этой «странной» кооперации выявляется забавная деталь – а ведь Apple всё больше становится похожей на… Samsung.

Корейский гигант знаменит, прежде всего, своей идеологией «всё, что нам нужно, должно быть нашим». Это как бы кредо Samsung.

Что же мы видим в случае Apple?

Apple нужны несущие силовые элементы корпуса – Apple принадлежит всё, что прямо или косвенно определяет возможность изготовления прецизионных мелких деталей литьём из сложных сплавов в промышленных масштабах.

Apple нужна система на чипе с малым энергопотреблением – Apple принадлежат две ярких компании с отличной инженерией в этой области. И Apple принадлежит крайне непросто добываемое право на модификацию интеллектуальной собственности ARM.

Apple нужен сенсор отпечатков пальцев – он у Apple есть, и всё, что за ним стоит, Apple принадлежит (в том числе и royalty free лицензия на Blackfin, насколько я понимаю).

Это уже как бы Samsung, но какой-то специфический, узкоориентированный, нишевый, я бы сказал.

Что, как обычно, одновременно и хорошо, и плохо.

Хорошо потому, что обеспечивает надёжность логистики для весьма специфических красивых конструкторских решений.

Плохо потому, что все яйца сложены всего в одну корзину.

Настоящая Samsung – это настоящий монстр, производящий трудно перечислимый список всего. У него много корзин. И если у такого «производителя всего» в одной области в какой-то период «проруха» – у него всегда есть возможность перекрыть локальные убытки доходами из других областей.

В случае с «нишевой Samsung» Apple, такой возможности нет.

Не думаю, что всё это – большое открытие для аналитиков бирж и даже для просто неглупых покупателей акций. Потому и пикирование акций Apple определяется больше не нервозностью из-за «сбоя» в PR-машине Apple, слишком долго вдавливавшей акселератор «революционности» в пол для маскировки просто достойной качественной эволюционной инженерии (которой, кстати, можно и нужно гордиться), и не вяло изменяющимися моделями, а именно усиливающимся опасением за ту самую единственную корзину, в которую всё сложено. 

 

Похоже, я истощился. Надеюсь, у меня получилось не очень скучно.

Всё-таки, «Компьютерное обозрение» - это не журнал «часики-трусики», где больше подходит стиль «я его встретила, в руках у меня был новый iPhone, и с тех пор мы вместе всегда и мы счастливы».

Поверьте, я довольно сносно умею и для «часиков-трусиков» (особенно если за хорошие деньги). Но мы, всё-таки, здесь не о том и не для того.

Всем спасибо, кто дочитал.

Если я где-то был невнятен - спрашивайте в комментариях, по мере способностей обязательно отвечу.

Откланиваюсь.