ARMv9

О тихой эволюции чипсетов ARM Cortex, которая назревала 10 лет с момента появления ARMv8.

Тема Cortex не слишком популярна среди обычных пользователей смартфонов. Все, на что они обращают внимание – это личные ощущения, а максимум, что они позволяют себе узнать из дополнительного материала – это просмотр результатов популярных бенчмарков. Все эти действия, как правило, связаны с принятием решения о приобретении нового смартфона или планшета. Но мы-то с вами не такие, товарищи, мы интересуемся начинкой и ПО наших электронных питомцев. Да, именно питомцев, так как современный человек все больше времени проводит, эмоционально теребя своего маленького дружка, гладя его по экрану и получая в ответ выплеск эмоций, сопровождающий процесс потребления контента. Действительно, во времена завернутой в газету колбасы другом человека была газета, а теперь это смартфон. Поэтому чего уж удивляться тому, что смартфоны с каждым годом становятся все лучше, растут их производительность и количество пикселей в экранах, емкость аккумуляторов и цена. В основе всего по-прежнему лежит производительность центрального процессора и видеочипа, модемы и прочие аппаратные устройства. Каждый год все производители чипсетов представляют новые, еще лучшие, чем раньше, чипсеты, и каждый раз мы слышим, что это очередная «революция». Производитель как-то забывает рассказать, что изменение количества и размера лопастей (ядер) водяной мельницы (чипсета) никакой революцией не является, хотя и дает большую производительность. Так что же можно считать настоящей революцией, когда мы говорим об ARM-чипах? И первое, что приходит на ум – это перенос типовых и самых востребованных функций из программного кода на аппаратный уровень, когда программист вместо полного описания операции вводит только данные для встроенной инструкции процессора. Трудозатраты для создания нового приложения сокращаются, а само оно выполняет задачи гораздо быстрее. Количество и актуальность инструкций, поддерживаемых процессором, является той красной чертой, которая отделяет старое поколение от нового и которую с оговорками можно назвать некоей «революцией» или знаковым переходом на новый качественный уровень.

Для примера, после выхода игры Mafia III владельцы ПК на базе процессоров AMD серии Phenom с ужасом наблюдали на своих мониторах черный экран, а затем и вылет игры, несмотря на мощные видеокарты и избыточный объем оперативной памяти. Камнем преткновения стала процессорная инструкция SSE4.2, которая отсутствовала в процессорах прошлого поколения. Со временем производитель игры добавил необходимый код, но ситуацию это исправило не сильно (видео выше). Из этой ситуации легко делается простой вывод: даже если программист реализует некий программный эмулятор новых аппаратных инструкций для старых чипсетов в софте, то быстро выполнять задачи приложение все равно не сможет. И подобная ситуация может повториться с нашими смартфонами в 2022 году. Может так случиться, что новые приложения будут работать очень медленно либо вообще откажутся запускаться на вполне еще бодрых бывших флагманах. Об очередном изменении набора инструкций в мобильных процессорах и поговорим в дальнейшем материале, а поводом, как и всегда, послужили новости от компании ARM.

ARM®v9

Итак, 30 марта 2021 года компания ARM представила новую архитектуру ARMv9, обозначив самые важные факты:

• Архитектура ARMv9 будет лежать в основе следующих 300 млрд чипсетов для флагманов;
• Усовершенствует специализированную обработку данных, основанную на преимуществах экономики, свободы проектирования и доступности универсальных вычислений;
• Обеспечит более высокую производительность, повышенную безопасность и возможности DSP и ML.

В рамках презентации компания выпустила ролик, более подробно рассказывающий о преимуществах новой архитектуры:

Итак, общее направление развития архитектуры ARM понятно – это еще более глубокое внедрение функций ИИ для управления всеми процессами смартфона и дополнительные средства для обеспечения безопасности личных данных, включая быстрое шифрование всех данных.
За этими фразами скрываются эталонные чипсеты, которые могут быть подвергнуты модернизации со стороны Qualcomm (Kryo), Samsung (Exynos), Huawei (Kirin) и лидера продаж MediaTek (Helio). Тем не менее, общий принцип распределения ядер и ценовых ролей останется в неизменном виде, сохраняя существующую связку производительных и энергоэффективных ядер. Особняком стоит программа ARM Cortex-X, призванная побороться за пальму первенства с семейством мобильных чипсетов от Apple, с нее и начнем.

Cortex-X2

Как и его предшественник, анонсированный в прошлом году, ядро X2 будет применяться в чипсетах самых бескомпромиссных и дорогих смартфонов. Отличительной особенностью линейки X стало полное равнодушие к энергопотреблению, забытому во имя производительности.

На примере существующих носителей «тяжелых» ядер Cortex-X1, таких как Samsung Galaxy S21 и S21 Ultra (Exynos 2100), OnePlus 9 и 9 Pro, Xiaomi Mi 11 и Mi 11 Ultra, Asus ROG Phone 5 и Zenfone 8 (Snapdragon 888), мы видим, что наличие самого быстрого ядра позволяет задирать цены до неприличных размеров. За большие деньги пользователь получает свои 120 FPS в современных играх и чувство удовлетворения.

Если говорить о преимуществе ядер Cortex-X2 над X1, то оно наглядно показано на графике выше. При уровне энергопотребления X1 Cortex-X2 показывает прирост производительности не менее 10%, но может «разогнаться» еще сильнее, потребляя электричества больше, чем X1. Чипсеты с Cortex-X в составе недвусмысленно намекают, что играть лучше всего возле розетки.
Разогревая ажиотаж, компания ARM заявила, что существующие технологии позволяют разместить 8 ядер Cortex-X2 в одном чипсете, но такое решение будет пригодно для установки только в ноутбуки с активной системой охлаждения. В случае смартфонов будет применяться существующая схема 1+3+4, с одним ядром X2, тремя A710 и четырьмя A510.

Cortex-A710

Эти ядра заменят Cortex-A78, а прогресс заключается в приросте на 10% производительности и на 30% энергоэффективности по сравнению с тем же A78, согласно ARM. Прошли те времена, когда любой чипсет с ядрами A70+ называли флагманским, теперь, по мнению маркетологов, он обеспечивает лишь «среднюю» производительность.

Cortex-A510

Эти ядра заменят Cortex-A55, пожалуй, наиболее заслуженную часть современного чипсета, отвечающую за энергоэффективность. И в этой очень важной части чипсета произошли наиболее разительные перемены. Энергоэффективные ядра Cortex-A510 на 35% мощнее и на 20% энергоэффективнее по сравнению с A55.

Я провел некоторые расчеты, и оказалось, что Cortex-A510 производительнее A57, A72 и вплотную подобрался к A73. Если это действительно так, то не глядя обменял бы свой Huawei P30 Lite New Edition на базе Kirin 710 (Cortex-A73, ближайший сосед — это Qualcomm 636 c ядрами Kryo 260) на смартфон, CPU которого построен на 8 ядрах Cortex-A510, сохранив прежнюю производительность и получив бонусом до 50% энергоэффективности.

Однако помимо процессора в состав мобильных чипсетов входят графические чипы. И кое-что уже известно.

Mali-G710

Новые графические процессоры принято сравнивать с прямыми предшественниками. В случае G710 это G78, по сравнению с которым рост производительности и энергоэффективности составил 20% по обоим показателям. На борту Mali-G710 может быть до 16 настраиваемых шейдерных блоков, но на практике в готовом изделии все может измениться. Особенно когда референс переделывают такие зубры, как Samsung или Huawei.

Среди прочего ARM выложила в открытый доступ график, показывающий преимущество новой флагманской графики над предшественниками, когда дело касается обработки текстур в играх. Кажется, появление 4K-текстур в играх для Android OS не за горами.

Mali-G610

Этот графический процессор является урезанным вариантом G710 и отлично подойдет для смартфонов, ориентированных на средне-премиальный сегмент. В дополнение к этому ARM заявляет о единой лицензии для Mali-G710 и G610, следовательно, партнер, оплативший лицензию на выпуск G710, автоматом получает право на производство G610. Это кажется справедливым, учитывая разницу между графическими процессорами, выраженную лишь в количестве настраиваемых шейдерных блоков, до 16 в первой модели и до 6 во второй.

Mali-G510 и G310

Младшие графические решения от ARM заменяют Mali-G57 и G31 соответственно.

Прирост производительности есть, и он значим, но главное не это. Теперь даже самое младшее решение, G310, построено на архитектуре Valhall третьего поколения, которая раньше использовалась только в графических процессорах, входящих в чипсеты высокобюджетных смартфонов.

В описании этих графических процессоров компания ARM вольно или невольно приподняла занавес над тайной, которая долгие годы мучила лучшие умы человечества. Эта тайна в форме вопроса звучит так: «Почему Chromebook и большинство планшетов не оснащаютcя топовыми ARM-чипсетами». Оказывается, по мнению ARM, эти устройства находятся на одной ступени со смартфонами начального и среднего уровня. Цитата:

В то же время оба графических процессора были разработаны для обеспечения настоящей масштабируемости. Они предлагают широкий выбор конфигураций, необходимых нашим партнерам и экосистеме ARM для создания потребительских устройств следующего поколения. К ним относятся смартфоны начального и среднего уровня, Chromebook и планшеты.

Заключение

Новости от ARM действительно хорошие, они наглядно показывают, что даже в бюджетном сегменте 2022 года производительности смартфонов хватит с избытком, учитывая технические требования современных игр и приложений. Но вопросы все равно остаются – во всех пресс-релизах ARMv9 указывается полная совместимость с ARMv8, но если вспомнить аховую ситуацию вокруг перехода с ARMv6 на ARMv7 (многие старые приложения отказывались работать на новой архитектуре, а новые приложения отказывались работать на старой), то возникают некоторые сомнения. В любом случае от будущего не убежать, поживем – увидим.