Postęp jaki dokonuje się na rynku smartfonów i tabletów jest swego rodzaju ewenementem i chyba bez większego zawahania można przyznać, że z czymś takim do tej pory nie mieliśmy do czynienia. W ciągu kilku ostatnich lat, telefony komórkowe, które służyły w 99% do telefonowania i wysyłania SMSów, stały się urządzeniem, z którego korzystamy wszędzie, w domu, w pracy, w pociągu, w autobusie czy na uczelni i do tego coraz rzadziej w celu prowadzenia rozmów telefonicznych. Nie mniej jednak trzeba przyznać, że nadal jest to jeden z podstawowych środków komunikacji, z tym że i to się zmienia i rozmowy czy SMSy zastępują wiadomości zostawione na Facebooku czy Twitterze. To jednak nie wszystko, bo smartfony coraz śmielej poczynają sobie jako terminal dostępowy do Internetu, a także jako konsola do gier czy nawet jak to poniżej próbuje nam udowodnić NVIDIA, narzędzie do edycji zdjęć czy filmów. Korzystając z okazji, że dzisiaj, dokładnie o 7:00 czasu polskiego, ma swoją premierę zapowiadana już u nas Tegra 3, pozwoliłem sobie wraz z publikacją wszystkich informacji na jej temat, przyjrzeć się szerzej rynkowi smartfonów i przyszłości jaka go czeka. Nie tylko pod kątem możliwego rozwoju zastosowań, ale też kolejnych platform sprzętowych. Zainteresowanych serdecznie zapraszam do lektury.

NVIDIA Tegra 3 - cztery rdzenie wkraczają na rynek

Artykuł wypada zacząć on naszej dzisiejszej gwiazdy, która ma swój wielki dzień i oficjalnie wkracza na rynek, nie tylko na papierze, ale również fizycznie, pod postacią tabletu ASUS Transformer Prime, który to jest pierwszym urządzeniem korzystającym z platformy NVIDIA Tegra 3, jakie trafi na rynek. Na temat układu o kodowej nazwie Kal-El napisałem już całkiem sporo ponad miesiąc temu, ale żeby nie zmuszać czytelników do przeskakiwania, między kolejnymi tekstami, wszystkie te rzeczy przypomnę również poniżej. Jeśli czytałeś zatem drogi czytelników poprzednią publikację, możesz od razu przejść na sam dół tej strony, gdzie w oddzielnym akapicie zostały opisane kwestie, które do tej pory nie były podane do publicznej wiadomości, czyli de facto do tego momentu były objęte tajemnicą.

vSMP - Variable Symmetric Multiprocessing

vSMP jest kluczową technologią jaka wykorzystywana jest przez układ formalnie znany już jako Tegra 3, zanim pojawiły się informacje na jej temat, wszyscy byli przekonani, że nowy produkt NVIDII będzie miał cztery rdzenie i nic poza tym. To jednak nie było do końca prawdą, wielką rewolucją ma być właśnie piąty rdzeń, nazwany Companion (w wolny tłumaczeniu - towarzysz), który wykonany został w niskonapięciowej technologii i pracuje z zegarem maksymalnie wynoszącym 500 MHz. Ten jeden oszczędny rdzeń pozwala na pracę telefonu w trybie czuwania, czyli jest w stanie obsłużyć wszystkie aplikacje działające w tle przy relatywnie małym poborze energii na tle konkurencyjnych układów. Zakładając, że nasze smartfony pozostają w takim trybie przez 80% czasu, zysk energetyczny jest bardzo duży i ma znaczenie dla żywotności baterii.

Poza tym NVIDIA utrzymuje, że układ ten dzięki wspomagającej jednostce DSP z powodzeniem poradzi sobie z odtwarzaniem muzyki czy nawet filmów, a to kolejne korzyści energetyczne. Rdzeń wykonany w technologii niskiej mocy ma mniejszy prąd upływu (leakage current) dla tranzystorów, stąd nawet w trybie bezczynności ma mniejsze zapotrzebowanie na energię, jednak jego wadą jak już wspominałem, jest konieczności użycia większego napięcia przy zwiększaniu taktowania. Procesory wykonane w normalnym procesie, czyli pozostałe cztery rdzenie w Kal-Elu, mają wyższy prąd upływu, czyli w trybie czuwania pobierają więcej energii niż Companion, ale za sprawą sprzętowego modułu zarządzania energią, w czasie pracy oszczędnego rdzenia, są całkowicie wyłączone i nie pobierają energii wcale. Zależność mocy pobieranej przez poszczególne rodzaje CPU od wydajności (czyli głównie taktowania) przedstawia poniższy wykres. Zielona kreska to nasz oszczędny procesor, a czerwona to zwykły rdzeń.

źródło: NVIDIA

Do pewnego momentu pracuje nam tylko rdzeń Companion, a gdy wymagana jest wyższa wydajność, następuje przełączenie się na pozostałe rdzenie, z tym że i tutaj jest to mocno zoptymalizowany proces i w miarę potrzeb uruchamiany jest jeden, dwa, trzy lub cztery rdzenie jednocześnie. Jak już wcześniej wspominałem, według NVIDII cały proces "zmiany rdzenia" zajmuje około 2 ms i wygląda na to, że jest bardzo płynny, co pokazuje poniższe wideo, na którym przedstawiono obciążenie poszczególnych rdzeni w zależności od wykonywanych czynności. Warto też wspomnieć, że w samym chipie zintegrowano układ zarządzający, który cały czas monitoruje zapotrzebowanie na moc obliczeniową, na który składają się zamontowane na SoC moduły Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) oraz CPU Hot-Plug.

Jak działa vSMP w praktyce?

NVIDIA zwraca dużą uwagę na fakt, że działanie dodatkowego rdzenia jest niewidoczne dla systemu operacyjnego, stąd też Android, czy jakikolwiek inny system operacyjny zgodny z architekturą ARM, "myśli", że ma do dyspozycji tylko cztery takie same rdzenie. Jest to o tyle istotne, że różnice w taktowaniu tych procesorów, mogłyby wpływać na ogólną wydajność systemu. Poza tym wszystkie pięć rdzeni dzieli jedną pamięć cache drugiego poziomu i NVIDIA skupiła się również na płynnym przełączaniu się z dostępem do niej dla poszczególnych rdzeni (głównie pomiędzy Companionem, a zwykłymi rdzeniami). Wreszcie zastosowano takie same plany zasilania dla wszystkich czterech rdzeni, czyli każdy aktywny w danej chwili rdzeń, pracuje z takim samym taktowaniem, jest to podobno znacznie efektywniejsze energetycznie, niż dostosowanie szybkości danego rdzenia do wykonywanego przez niego zadania. Poniższy film jest w tym aspekcie bardzo pouczający, niestety został zrealizowany tylko w języku angielskim.

Rzeczywiste zyski energetyczne z zastosowania nowej architektury zostały zaprezntowane na wykresie poniżej, trzeba zachować do niego co prawda pewien dystans, bo jednak pochodzi z materiałów promocyjnych producenta, ale jednak porównuje zużycie energii do poprzedniej generacji własnego produktu i powinien być obiektywny. Kolejną ważną rzeczą jest fakt, że zarówno Tegra 2 jak i Tegra 3 produkowane są obecnie w wymiarze technologicznym 40 nm i to dla tego wymiaru zostało wykonane porównanie. Nie jest wykluczone, że w przyszłym roku pojawi się odświeżona wersja Kal-El'a produkowana w wymiarze technologicznym 28 nm, ale tej informacji nie udało nam się jeszcze potwierdzić. Na takie rozwiązanie wskazuje kilka rzeczy, między innymi przecieki o urządzenia wyposażony w Tegre 3 z taktowaniem na poziomie 1.5 GHz, obecnie wersja 40 nm pracuje maksymalnie z zegarem 1.4 GHz w przypadku aktywności jednego rdzenia lub 1.3 GHz gdy pracują dwa, trzy lub cztery rdzenie. 

źródło: NVIDIA

W praktyce jak pokazano na filmie powyżej, cztery rdzenie wykorzystywane są głównie w przypadku gier, a jak widać na wykresie, nawet pomimo tego, zanotowano oszczędność energii. Największe korzyści widać przy odtwarzaniu materiału HD (720p), z którym radzi sobie rdzeń Companion, a ten ma już zdecydowanie mniejszy pobór energii niż cała platforma Tegra 2. Według materiałów jakie zostały nam udostępnione, referencyjny tablet z Tegrą 3 był w stanie odtwarzać film w rozdzielczości 720p przez 12 godzin bez przerwy, na jednym ładowaniu baterii. Chodzi w tym przypadku prawdopodobnie o Transformera Prime, o którym wiemy już, że posiada baterię o pojemności 25 Wh. Na temat samej wydajności nie będę się już rozpisywał, bo zostało to już dosyć szeroko omówione w poprzednim artykule, dodam tylko dwa wykresy jakie NVIDIA opublikowała dzisiaj, a dotyczące wydajności w benchmarkach testujących JavaScript, Flasha oraz edycję zdjęć i filmów.

źródło: NVIDIA

Powyższy wykres może być nieco mylący, dla każdego testu obrany został inny punkt odniesienia, zawsze jest to najsłabszy w danym teście procesor, do którego proporcjonalnie zostały dostosowane wyniki pozostałych. Niewątpliwie Tegra 3 spisuje się całkiem nieźle i chyba aż takie komplikacje nie były konieczne, aby jeszcze bardziej podkreślić jej przewagę. Trzeba jednak mieć na uwadze, że konkurencja nie śpi, a porównanie dotyczy układów będących na rynku już od dłuższego czasu.

źródło: NVIDIA

Na drugim wykresie zasada określania wysokości słupków jest taka sama, pierwszy test to składanie zdjęć w panoramę za pomocą dedykowanej aplikacji na Androida, a drugi to kodowanie filmu, czynność, która do tej pory nie była z pewnością domeną przenośnych urządzeń tego typu. Porównanie Tegry 3 do nieokreślonego konkurenta w kilku tego typu "życiowych" czynnościach możecie zobaczyć na poniższym filmie.

Dla niecierpliwych - nowe informacje

Pomimo, że powyższe akapity to w dużej mierze powtórzenie poprzedniego tekstu, pojawiło się w nich kilka wartych uwagi informacji, przede wszystkim dwa filmy, które dobrze działają na wyobraźnie i pokazują czym tak naprawdę jest nowa architektura NVIDII. Jeśli zaś chodzi o same nowe informacje, to okazuje się, że NVIDIA zamierza reklamować Tegrę 3 jako "PC-class CPU", porównanie do dotyczy procesora Core 2 Duo T7200 (dla komputerów mobilnych) mającego już dobre 4 lata, który osiąga zbliżony do Tegry 3 wynik w teście Coremark CPU. Poza tym, to co już wspominałem, taktowanie 500 MHz dla rdzenia Companion, 1.4 GHz dla pojedynczego "normalnego" rdzenia oraz maksymalnie 1.3 GHz w przypadku gdy pracują dwa do czterech rdzeni jednocześnie. Do GPU jeszcze wrócimy w dalszej części, ważne jest, że posiada 12 jednostek strumieniowych i oferuje około trzykrotnie większą wydajność niż poprzednik. Poza tym na SoC możemy znaleźć moduł pamięci RAM LPDDR2-1066 albo DDR3L-1500, czyli jednak wyraźnie lepiej niż w Tegrze 2, bo w przypadku pamięci DDR3 przepustowość powinna być nawet trzykrotnie większa. Dwukrotnie szybszy jest również procesor obrazu (ISP), a do dyspozycji mamy obsługę nawet ośmiokanałowego dźwięku, odtwarzanie filmów Blu-ray w rozdzielczości 1080p przy bitrate 40 Mbps oraz obsługę standardu eMMC 4.41 (wbudowana pamięć) i Serial ATA 3.0 Gbps. Tegra 3 to także wiele udogodnień dla graczy, ale o tym za chwilę.