Rubrica Mondo Mobile - I SoC del futuro

Uno sguardo ai processori mobile del futuro, destinati a diventare sempre più potenti e versatili, per un settore che non sembra conoscere soste negli avanzamenti tecnologici.

rubrica Mondo Mobile - I SoC del futuro
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E’ ancora presto per lasciare il segno, ma già da adesso le nuove tecnologie implementate sugli ultimi System-On-Chip in ambiente mobile hanno fatto il giro del mondo, per abbracciare nuovi utenti incuriositi dalle enormi potenzialità ed entusiasmare ancora una volta il pubblico indomito degli smart adopters. Si potrà far sfoggio di un telefono con esorbitanti capacità grafiche, un accurato DSP per l’audio multicanale, e velocità di scambio dati dall’estrema portata, senza per questo dover elemosinare nulla dalla batteria: queste sono le promesse delle tre più grandi costruttrici di semiconduttori rimaste in carica dopo la resa di Texas Instruments e del suo incerto OMAP 5. Qualcomm, Nvidia e Samsung sono pronte a darsi battaglia nei prossimi mesi alla stregua di Snapdragon 600, Tegra 4 e Exynos 5 Octa, i processori che segnano il definitivo passaggio all’architettura ARM Cortex-A15 con processo produttivo a 28nm, ideale per i tablet e smartphone di prossima generazione.

L’ora del drago rosso

Cominciamo con il più quotato Snapdragon 600, il chip divenuto protagonista dell’ultima generazione di smartphone presentati lo scorso trimestre. HTC One, Sony Xperia Z e LG Optimus G sono stati i primi top smartphone a preferire Qualcomm per l’approvvigionamento delle componenti, e non ultima è stata la diretta competitor Samsung, la quale nonostante fosse già in possesso di un chip rivoluzionario come Octa, ha fatto ricorsa all’azienda californiana per rifornire i propri Galaxy S4 di una variante alternativa di processore, da destinare ad alcuni mercati in vista di un esoso lancio globale. Certe scelte ci hanno lasciato riflettere parecchio e non possono che aver confermato quanto gli stessi ingegneri Qualcomm avevano sostenuto all’ultimo keynote, ossia che la serie di processori mobile Snapdragon 600 è disegnata per surclassare ogni nuovo processore della categoria nel rapporto performance per watt. Sappiamo che la storica azienda produttrice con sede a San Diego è oltretutto stata da sempre molto attenta al comparto connettività, essendo riconosciuta come pioniera delle telecomunicazioni mobili già a partire dagli anni ’80, per cui quello che dovremmo aspettarci dalla nuova stirpe di processori Snapdragon è appunto grande efficienza e scalabilità delle performance, in relazione alle architetture di reti del contesto d’impiego, senza per questo rinunciare alla grafica più avanzata, con esperienze di gioco 3D e web browsing ad alta fluidità. La necessità di garantire suddette caratteristiche ha portato Qualcomm, già dalla scorsa generazione S4, a reinventare personalmente l’architettura esposta sul white paper dell’ARM15, capace di superare il design Intel x86 in quanto a performance, ma purtroppo ancora lontana dall’efficienza energetica dei processori mobili di generazione precedente. Secondo le indagini di Anandtech, si calcola che in media i consumi durante i caricamenti dei chip di scorsa generazione fossero dell’ordine dei 2 Watt tra utilizzo di GPU e CPU per un normale chip S4 o anche per Nvidia Tegra 3, mentre invece per il Cortex A15 come quello del Samsung Exynos 5 Dual, montato sul Nexus 10, la questione si faceva assai più calda, trattandosi anche di 8 Watt richiesti dalle ordinarie esecuzioni in multitasking. Il processo produttivo migliorato, introdotto dalle nuove leve di CPU, ha alleviato sicuramente i dispendi energetici, ma in quest’ottica appare quanto mai scontata la personalizzazione dell’architettura base da parte dei principali producers concorrenti, analogamente a quanto avvenuto per la CPU Swift A6/A6X sviluppata da Apple. L’architettura Krait 300 di Qualcomm, per ciascuno dei 4 core clockabili fino a 1.9 Ghz, vanta delle performance multimediali e funzionalità proprietarie di rilievo, abbinate alle memorie a bassa latenza LP-DDR3 che semplicemente azzerano i tempi di caricamento nella user experience. La GPU adottata Adreno 320 fornisce il 300% di performance grafiche in più rispetto alla precedente Andreno 305, aggiornandosi al supporto delle più recenti interfacce computazionali, come OpenGL ES 3.0, Direct X, OpenCL, Renderscript Compute e FlexRender, e ai più rinomati motori grafici come Unity, Epic e Unigine. La multimedialità raggiunge perciò vette hi-end per il segmento mobile, visto che Snapdragon 600 sarà capace di veicolare segnali video full HD 3D in tempo reale per l’online gaming, audio multicanale in alta definizione DTS-HD e Dolby Digital Plus, oltre che sfruttare sensori fotografici alla risoluzione massima di 21 Megapixel, anche in 3D stereoscopico. La caratteristica più esclusiva è però l’Hexagon DSP a 500MHz, un chipset a bassissimo consumo energetico, deputato all’amministrazione di svariate attività di background, come la riproduzione e l’innalzamento della qualità audio, o gli effetti di post-elaborazione video e computer grafica, ciascuno eseguito con la massima ottimizzazione energetica possibile, coadiuvata dalla tecnologia multi-processore asimmetrica (aSMP) della CPU principale, della quale approfondiremo il funzionamento qualche riga più avanti. Su Snapdragon 600 inoltre la connettività è sempre una garanzia perché il 4G LTE, a discrezione del costruttore e della scelta del chipset Qualcomm Gobi, può raggiungere anche la categoria 4 con banda a 2600MHz e scambio dati da 150Mbps in download e 50 in upload, mentre per la geo-localizzazione ci si affida al potente chipset Qualcomm IZat GNSS, già distintosi in passato per essere stato il primo ad avere avuto accesso alla rete di altri 24 satelliti GLONASS oltre ai canonici 27 satelliti GPS, per un’accuratezza e affidabilità della traccia senza precedenti.

La veloce e potente Bat-Mobile

Nvidia Tegra è il brand che più di ogni altro ha risvegliato l’interesse dell’utenza per talune specifiche tecniche che fino a qualche tempo fa restavano appannaggio di ingegneri o sviluppatori di software. La tabella di marcia a super poteri pubblicizzata qualche anno fa ha messo in mostra le più forti intenzioni dell’azienda di Santa Clara nell’affermarsi anche nel settore mobile, dove presto migrerà anche il paradiso dell’entertainment del prossimo futuro. Nvidia definisce il suo nuovo Tegra 4 come il perfetto bilanciamento tra potenza ed efficienza energetica, anche se da un primo sguardo delle specifiche grosse novità rispetto all’architettura Tegra 3 non sembra siano riscontrabili. Wayne, così era stato battezzato un anno fa, monta 4 core ARM15 al massimo clock di 1.9 Ghz, più un core ARM15 “salva batteria” di seconda generazione, che si alterna con gli altri 4 per le operazioni a basso dispendio di memoria cache, come accadeva anche per l’architettura del precedente Tegra 3, il primo multiprocessore mobile a simmetria variabile (vSMP). Nvidia tiene a sottolineare quanto l’amministrazione delle memorie e delle singole stringhe operative per una mobile CPU possano essere cruciali per l’efficienza energetica di uno smartdevice che ne faccia impiego, perché mantenere i core attivi e in attesa d’istruzioni a causa di incolonnamenti sulla memoria cache è un fenomeno assai dispendioso e qualche volta immediatamente avvertibile nella normale user experience. La collaborazione tra Nvidia e ARM ha condotto quindi enormi miglioramenti su questo versante, anche rispetto alla concorrente Qualcomm. Nvidia, infatti, rifornisce il proprio chip di una memoria cache da 2MB, che al contrario di Krait, è questa volta completamente unificata tra i 4 core della CPU ed è interamente gestibile dall’hardware, in quantità ponderate per ciascun core, senza rischi di sovraccarico da parte di nessuno di essi. L’alternanza tra i 4 core principali e il Battery Saver Core, inoltre, è intelligente e assolutamente indipendente dalle incompatibilità col sistema operativo adottato; possa trattarsi di Windows Phone o Android non fa differenza, perché la CPU gestirà i comandi sempre come un quad core e quindi, di norma, più velocemente. Sempre rispetto a Krait, Nvidia sostiene che su Tegra 4 non sono stati imposti limiti alla tecnologia ARM15 e alle istruzioni eseguibili in parallelo dalla stessa “finestra d’esecuzione”: siamo in questo caso a 128 micro operazioni contro le 40 gestibili in simultanea dalla soluzione Qualcomm, con una velocità della Data cache di 32KB L1 per la prima e 16KB L1 per la seconda.

Lo schema completo di Tegra 4 prevede l’abbinamento alla memoria Ram da ben 4 GB a standard di frequenza DDR3L e LPDDR3 e la possibilità di montare un chipset LTE opzionale, anch’esso compatibile con le bande Cat 4 (150 Mbps DL/ 50 Mbps UL); di recente però è stata anche presentata un’altra variante di Tegra 4 con Modem i500 LTE direttamente integrato e una configurazione hardware completamente revisionata, anche se comunque confacente ai nuovi standard dettati dall’ARM15 sulla memoria cache, precedentemente elencati. Processore ARM Cortex- A9 r4 da 4+1 core a 2.3 GHz, 2GB di memoria RAM LPDDR3 e GPU a 60 core anzi che 72 previsti in Tegra 4, sono le specifiche hardware di Tegra 4i: che questa variante suppletiva del potente processore, così come la scelta opzionale di montare un chipset LTE sulla versione liscia di Tegra 4, possano nascondere eventuali limiti d’efficienza energetica? Dai dati di raffronto forniti dalla stessa Nvidia ovviamente si evince solamente che il nuovo chip Tegra consumi grossomodo quanto il predecessore Tegra 3 ma che offra anche il doppio delle performance nella sua variante Tegra 4i. Gli hardware vendor comunque non sembrano ancora aver recepito il messaggio e in effetti a quest’ultima tornata di smart device pare quasi tutti abbiano snobbato Nvidia per preferire Qualcomm Snapdragon, salvo che in alcuni casi come il Vizio Tablet 10”, alcuni device Toshiba e ZTE e il peculiare Project Shield della stessa Nvidia. Al discorso GPU invece bisognerebbe dedicare un ulteriore approfondimento, ma già sappiamo bene quanto Nvidia ci sappia fare in questo ambito e dati gli ultimi sviluppi di mercato, dispiace non risentire ancora parlare di tanti smart device abilitati al servizio Tegra Zone anche in questa generazione. Basti pensare solo che la nuova GPU a 72 core di Tegra 4 sia già in grado di pilotare display ad altissima risoluzione 3200x2000 e veicolare segnali video 4K (Ultra Hd) tramite HDMI, oppure di come abbia opportunità d’impiegare gli shaders e i filtri grafici più avanzati mai visti in ambiente mobile per trasformare di sana pianta i videogiochi ottimizzati per essa, come 2x/4x Multisample Antialiasing(MSAA), shadow texture mapping and soft shadows, sRGB Texture Filtering, illuminazione HDR in game, pixel shaders per effetto translucido su vestiti, pelle, metalli, geometry e vertex shaders per migliorare fino a 6 volte i movimenti dell’acqua, le particelle, le scene di mischia, i modelli poligonali dei personaggi e ambientazioni, rispetto alla GPU di Tegra 3. La fotografia è infine affidata all’architettura computazionale proprietaria Chimera, la quale in sostanza mantiene sempre attiva la funzione HDR per l’acquisizione d’immagini e di video 1080p a 30fps.

La semplicità dei piccoli insieme alle facoltà da grandi

Durante il nostro resoconto sugli ultimi SoC Qualcomm e Nvidia abbiamo fatto riferimento alle specifiche modalità di funzionamento utilizzate da entrambe, aSMP e vSMP, ciascuna assimilabile, salvo che per lievi variazioni della seconda, all’Asynchronus Clock architecture. Secondo questo design di processore, ogni core deve operare a un differente voltaggio e frequenza di clock, di modo che i calcoli intensi vengano affidati al core più veloce e quelli meno impegnativi al core più lento. Tale soluzione è considerata all’unanimità come il miglior bilanciamento tra performance e consumo energetico in un sistema a base multi-core, però in antitesi, esiste anche il modello Synchronus Clock architecture, il quale prevede uno schema a core separati, questa volta ciascuno operante alla stessa velocità, in frequenza e voltaggio prefissati e sempre costanti: i processori basati sul nuovo design sviluppato da ARM e Samsung vanno controcorrente e utilizzano proprio la Synchronus Clock architecture. Per essere chiari sino in fondo, anche per Samsung, così come per Nvidia, la gestione della memoria cache è fondamentale al raggiungimento del comune obiettivo di salvaguardare l’efficienza energetica, però in questa sede, il problema è stato affrontato sin alla radice, ossia dal tipo di alimentazione adottata. Le analisi condotte dagli ingegneri Samsung dimostrano che in realtà sia l’Asynchronus Clock che la Synchronus Clock architecture condividono lo stesso quantitativo di consumo energetico netto ( la somma delle energie consumate in un determinato lasso di tempo ), questo perché se è vero che nella Sync architecture un core è mantenuto ad alte frequenze operative in maniera costante, è altrettanto vero che le informazioni in arrivo dalla memoria cache verranno caricate molto più velocemente, risparmiando il tempo che servirà allo stesso core per passare in modalità di quiete, a basso consumo. Se a ciò poi si aggiunge anche un riscontrabile degrado delle performance nella Asynchronus Clock architecture, dovuta all’energia suppletiva che il sistema richiede quando le informazioni devono passare da sezioni a differenti domini di clock ( L2 Cache, Snoop Control Unit e L1 Cache delle CPU core) quindi ulteriori giri di clock necessari, allora il ragionare in ottica diametralmente opposta incomincia a rappresentare un serio vantaggio. Ricollegando adesso il tutto allo schema di CPU già emerso in rete e pubblicizzato da Samsung, ossia il modello a due gruppi di core, con una CPU ARM15 quad core a 1.6GHz e un’altra CPU ARM7 quad core a 1.2 GHz, ci troveremo di fronte alla soluzione a più alto rendimento prestazionale in operazioni a basso voltaggio, che in ogni caso spingeranno al massimo le CPU ARM7, e a migliore performance per i livelli sostenuti, quando si passera ad esempio al gaming 3D e alle CPU ARM15, le quali potranno essere sfruttate al pieno della loro potenza. Per la grafica, Exynos 5 Octa sappiamo non impiegherà più una GPU Mali, che invece sarà sostituita da una PowerVR SGX-544MP3 di Imagination Technologies, capace di gestire anche il doppio dei triangoli dell’SGX-543MP4 di iPad 3. Anche il clock della GPU è maggiorato a 533Mhz, ben più in alto della GPU di iPhone 5 (266MHz) e di quella dell’iPad 4 (300MHz), per cui immaginiamo sui prossimi device Galaxy se ne vedranno sicuramente delle belle in ambito gaming e multimediale, specialmente adesso che tecnologie di vecchia scuola e il sostegno delle software house hanno siglato importanti accordi commerciali, voluti anche dal lancio del prossimo accessorio da gioco in arrivo per Galaxy S 4, vale a dire il Gamepad.

Mondo Mobile Quando si passa a una nuova tecnologia è sempre difficile prenderne le misure così velocemente, e i tempi del mercato sono sempre delle grosse imposizioni per gli addetti ai lavori. Un sintomo inequivocabile di tale difficoltà traspare dall’iniziale decisione di Samsung di configurare il proprio top smartphone Galaxy S 4 con una CPU di terza parte, direttamente concorrente al chip Exynos 5 Octa, forse il vero tassello mancante dell’intera tecnologia multi-core, bisognosa più che mai di un rinnovamento cospicuo nell’ambito dell’efficienza energetica. Le tre più grandi produttrici di SoC mobile al mondo hanno chiarito le loro posizioni, e qualcuno si è già schierato a favore della più conveniente e versatile piattaforma Snapdragon 600 di Qualcomm, montata a bordo di HTC One e Galaxy S 4. Per Nvidia è troppo presto sbilanciarsi, visto che ancora pochi device ne prevedono l’impiego, ma sin da ora le performance grafiche si preannunciano da primo della classe. Più sinceramente però, dati i trascorsi successi di Exynos 4 e della sua straordinaria gestione del multitasking, non vediamo l’ora di mettere le mani su un device a base Exynos 5 Octa, semplicemente perché crediamo che certe ambizioni progettuali possano sempre portare a qualcosa di buono per il futuro di noi consumatori.

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