Jakość, nie ilość! Ile i jakich rdzeni powinien mieć topowy smartfon?

Produkując procesory do różnych rodzajów przenośnych urządzeń należy kierować się dwoma aspektami. Pierwszy z nich to jak największa wydajność, drugi to możliwie duża oszczędność energii. I choć większa liczba rdzeni bezpośrednio kojarzy się ze wzrostem wydajności, to może służyć też do zmniejszenia poboru energii. Pierwszą firmą, która na szeroką skalę zastosowała dodatkowe rdzenie do zmniejszenia poboru energii była Nvidia.

W swoim układzie Tegra 3 umieściła pięć rdzeni Cortex-A9. Cztery z nich odpowiadają za zadania wymagające średniej lub wysokiej wydajności i mogę pracować z maksymalnym taktowaniem 1.4GHz podczas pracy kilku z nich oraz 1.5GHz, gdy tylko jeden z nich jest aktywny. Z kolei piąty rdzeń działa, gdy wykonywane przez nas zadania nie wymagają zaangażowania wydajniejszych rdzeni. Jego maksymalny zegar taktujący to 500MHz. Oczywiście rdzenie nie przełączają się między sobą za pomocą metody zerojedynkowej. Włączenie wszystkich rdzeni przy dowolnej bardziej wymagającej aktywności sprawiłoby, że telefon lub tablet rozładowywałby się w mgnieniu oka.  System sam sprawdza stopień zaangażowania poszczególnych części układu i w razie potrzeby włącza lub wyłącza dane rdzenie.

Przykładowo, najsłabszy rdzeń będzie działał podczas korzystania z maila, Facebooka, oglądania filmów oraz słuchania muzyki. Pierwszy normalny rdzeń włączy się podczas przeglądania bardziej wymagających stron internetowych i grania w proste gry. Podczas korzystania ze stron z obsługą Flash oraz rozmów wideo niezbędne będzie korzystanie z dwóch rdzeni. Ostatnie dwa rdzenie będą włączać się podczas grania i przetwarzania skomplikowanego materiału wideo.

Oczywiście także poziom taktowania zmienia się w zależności od potrzeb, jednak dynamiczne taktowanie jest spotykany w niemal każdym nowym układzie. Mimo że od jakiegoś czasu Tegra 3 powoli odchodzi do krainy wiecznych łowów, opis ten jest nadal aktualny. W pięć rdzeni są też wyposażone układy Tegra 4 oraz Tegra 4i, które nie mogą zdobyć rynku ze względu na małe zainteresowanie nimi producentów sprzętu. Także tutaj wszystkie rdzenie są tego samego typu (Cortex-A15), ale jeden z nich cechuje się o wiele mniejszą częstotliwością taktowania zegara, napięciem, a co za tym idzie – wydajnością.

Podobną taktykę do Nvidii zastosowało konsorcjum ARM, które na początku tego roku wprowadziło na rynek architekturę big.LITTLE. Nie byłoby w niej nic dziwnego, gdyby nie to, że polega na zastosowaniu aż ośmiu rdzeni. Cztery z nich są to bardzo szybkie jednostki Cortex-A15, które są wykorzystywane podczas trudnych zadań, takich jak uruchamianie wymagających gier i programów oraz przeglądanie ociężałych stron internetowych. Z kolei cztery pozostałe rdzenie są znacznie słabsze. Zbudowano je w oparciu o architekturę Cortex-A7 i używa się ich podczas mało wymagających czynności takich jak oglądanie filmów wideo, nawigacja w menu oraz słuchanie muzyki. Jak widać, zasada działania jest tu bardzo zbliżona do tego, co oferuje Nvidia.

Jak widać , w architekturze big.LITTLE nie stosuje się takiego samego rdzenia tylko o mniejszej częstotliwości taktowania, tak jak w Tegrach. Są one stworzone w oparciu o zupełnie inną, mniej wydajną i bardziej energooszczędną architekturą. ARM i producenci wykorzystujący to rozwiązanie zarzekają się, że w ten sposób można uzyskać nawet o połowę dłuższy czas pracy urządzenia w porównaniu do zastosowania samych rdzeni Cortex-A15. Informacja ta na pierwszy rzut oka wygląda bardzo dobrze, jednak jako że układy oparte na architekturze big.LITLLE nie wyróżniają się czasem pracy na akumulatorze, może to oznaczać, że rdzenie Cortex-A15 same w sobie są wydajne, ale nie można ich określić jako energooszczędne.

Nie oznacza to jednak, że nie da się zrobić rdzenia, który będzie nie tylko wydajny, ale też energooszczędny. W końcu nie każdy korzysta ze standardowych rdzeni ARM. Procesory łączące te dwie bardzo ważne cechy jak na razie tworzą tylko Qualcomm i Intel, jednak ten ostatni nie produkuje układów ARM, a takie oparte na architekturze x86. Znamy je z komputerów stacjonarnych i laptopów, ale coraz częściej można je spotkać w tabletach, przede wszystkich tym z systemem Windows 8. Zaleta stosowania mniejszej liczby rdzeni jest bardzo prozaiczna. Dodatkowe rdzenie zajmują miejsce, które można zaoszczędzić, co jest bardzo ważne może nie w kontekście rozrastających się smartfonów, ale nowych kategorii urządzeń takich jak inteligentne zegarki oraz okulary, które wymagają jeszcze większej miniaturyzacji podzespołów.

Dodawanie kolejnych rdzeni nie jest wcale potrzebne, by połączyć wysoką wydajność procesora razem z energooszczędnością. Ten sam efekt można uzyskać zmieniając proces technologiczny i/lub dzieląc procesor na wiele autonomicznych części. Doskonałym przykładem wpływu procesu technologicznego na oszczędność energii jest procesor Snapdragon 800. Według Qualcomma jest on nie tylko wydajniejszy od modelu 600, ale też od niego bardziej energooszczędny.

Dla wielu osób może być to dziwne, gdyż pozornie oba układy cechują się takim samym, 28-nanometrowym procesem technologicznym. Jednak w przypadku Snapdragona 800 zastosowano proces technologiczny stworzony w oparciu o technologię High-K/Metal Gate. Za tą skomplikowaną nazwą stoi stworzenie tranzystorów przy wykorzystaniu materiałów o wyższej stałej dielektrycznej niż w przypadku stosowanego zwykle dwutlenku krzemu. Dzięki temu oprócz znacznej oszczędności energii możliwe było uzyskanie częstotliwości taktowania zegara rdzeni przekraczającej 2 GHz, największej w historii procesorów mobilnych.

Są też inne możliwości oszczędzania energii w mobilnych procesorach. Sposobem na to jest również podzielenie procesora na wiele autonomicznych części, które można wyłączać, gdy nie są potrzebne. Gdy działanie takie połączy się z dobraniem odpowiednich trybów energetycznych, procesor działa naprawdę długo. Dotyczy to zwłaszcza działania procesora w trybie bezczynności lub bardzo małego zużycia energii, gdyż wówczas można wyłączyć najwięcej elementów procesora.

Podczas grania, testowania smartfona wymagającymi benchmarkami oraz używania skomplikowanych programów graficznych i tak używane są niemal wszystkie części układu, więc wówczas zysk z podzielenia układu jest znikomy. Ale to właśnie oszczędność energii w trybie bezczynności jest najważniejsza, gdyż smartfon lub tablet większość czasu spędza właśnie w nim.

Ostatnio bardzo głośnym tematem była nowa implementacja architektury big.LITTLE, w której możliwe będzie jednoczesne wykorzystanie wszystkich ośmiu rdzeni. Temat szybko podchwycił Mediatek, który chce wykorzystać nową technologię w swoich procesorach. Stworzenie nowego typu procesorów zapowiedział również Samsung. Koreańczycy wydali nawet film, w którym pokazują, do czego może przydać się osiem rdzeni w smartfonie.

Według nich mocniejsze rdzenie Cortex-A15 służą do poważnych zadań, podczas gdy cztery słabsze Cortexy-A7 mogą być używane do mało wymagających zadań, takich jak słuchanie muzyki, oglądanie filmów oraz obsługa wszystkich aplikacji działających w tle. Z kolei Mediatek przekonuje, że osiem rdzeni po prostu zwiększy wydajność procesora.

Jednak wszystko wskazuje na to, że możliwość wykorzystania ośmiu rdzeni to czysty marketing. Qualcomm w doskonały sposób to pokazał w swoim własnym filmie. Chodzi o to, że lwia część aplikacji działających z systemem Android, konkretnie ponad 85% z nich wykorzystuje tylko dwa rdzenie. Oznacza to, że w przypadku smartfonów i tabletów nawet czterordzeniowy procesor to aż nadto.

W zupełności wystarczy on nie tylko do obsługi wymagających aplikacji, ale też do tych działających w tle. Z tego powodu stosowanie ośmiordzeniowego procesora w smartfonie lub tablecie nie ma najmniejszego sensu. Optymalnym rozwiązaniem, zarówno z myślą o teraźniejszości jak też o przyszłości, jest zastosowanie procesora zastosowanego w cztery rdzenie. Oczywiście gdy mówimy o smartfonie z Androidem z wyższej półki.

Wyżej wymienione powody jasno pokazują, że od liczby zastosowanych rdzeni o wiele ważniejsza jest ich jakość, co doskonale rozumie Qualcomm. W końcu to Snapdragony 800 to najwydajniejsze procesory mobilne na rynku. Podobnymi osiągami cechują się najnowszy chip Nvidii, czyli Tegra 4 oraz dopiero co powstałe układy Intela pochodzące z rodziny Bay-Trail. Warto zauważyć, że żadna z tych trzech firm nie ma w ofercie procesorów ośmiordzeniowych. Nie jest to przypadek.

Qualcomm jako zdecydowany lider rynku mobilnego oraz Nvidia i Intel jako firmy królujące w świecie komputerów PC oraz aspirujące do nawiązania rywalizacji z Qualcommem wiedzą, że marketingowe zagrywki to po prostu nowoczesna forma kłamstwa, w dodatku takiego, które ma bardzo krótkie nogi. Co z tego, że klienci dzisiaj skuszą się na kupno „rewolucyjnego” smartfona z ośmiordzeniowym procesorem?

W końcu gdy okaże się, że działa on wolniej od cztero- czy nawet dwurdzeniowej konkurencji, nie będą chcieli drugi raz trafić na niewypał i zdecydują się na kupno telefonu z innym układem. Oczywiście mówię to o bardziej rozgarniętych użytkownikach, dla których liczy się coś innego niż sama marka telefonu oraz podpowiedź sprzedawcy w salonie operatora. A takich jest coraz więcej.

Czy możliwe jest stworzenie topowego telefonu, którego procesor ma zaledwie dwa rdzenie? Oczywiście, przykładem tego jest chociażby iPhone 5S. To kwestia odpowiedniego oprogramowania i wykorzystania go. Innym dowodem na to są smartfony Nokia Lumia 920/925/1020. Każdy z nich jest wyposażony w szybkie, dwurdzeniowe procesory Qualcomm Snapdragon S4 Pro. Jak jest to możliwe, że telefony te mają według specyfikacji gorsze procesory niż układy zastosowane w najlepszych smartfonach z Androidem, a mimo to często działają o wiele płynniej od nich? Wszystko to kwestia oprogramowania.

Sytuacja wygląda tu podobnie jak w przypadku komputerów z systemem Windows oraz konsol do gier. Te drugie również cechują się o wiele gorszą specyfikacją techniczną od komputerów, a mimo to pozwalają na uruchamianie nowych gier przez o wiele dłuższy czas. Pominiemy tu jakość grafiki na obu sprzętach, bo i tak sporym osiągnięciem jest, że na tak starym sprzęcie gry chcą działać. Otóż uruchamianie nowych gier na konsoli do gier sprzed ośmiu lat, wyposażonej w 512 MB pamięci RAM i przedpotopową kartę graficzną jest możliwe ze względu na zamkniętą architekturę tych sprzętów i duże możliwości optymalizacji kodu.

Komputery stacjonarne mają wiele konfiguracji i grę trzeba przygotować tak, by działały odpowiednio na każdym z nich. Przez to trzeba wykorzystać wysokopoziomowe API takie jak DirectX lub OpenGL, które już przez sam narzut sterownika na procesor zjada dużo mocy obliczeniowej, i do tego stosować wiele innych sztuczek, które zwiększą kompatybilność oprogramowania kosztem wydajności. W konsolach do gier takiej sytuacji nie ma, gdyż występuje jedna konfiguracja sprzętowa, a programiści piszą oprogramowanie tylko pod nią. Mają możliwość użycia lepiej dopasowanego, niskopoziomowego API i wykorzystania pełni zasobów użytego sprzętu.

Czemu o tym piszę? Otóż smartfony z systemem Android są tu odpowiednikiem komputerów stacjonarnych. Google pozwoliło tu nie tylko na dowolne stosowanie sprzętu, ale też modyfikowanie systemu. Wynikiem tego jest sytuacja, w której smartfony i tablety z serii Nexus, wyposażone w czysty system Android, działają stosunkowo płynnie. Co z całą resztą? Tutaj niestety bywa różnie, gdyż oprócz stosowania najróżniejszych podzespołów producenci do systemu doinstalowują swoje nakładki, aplikacje i inne dodatki, tym samym czyniąc system jeszcze bardziej ociężałym. Skutkuje to sytuacją, w której smartfon za 3000 złotych po kilku miesiącach używania zaczyna się zacinać, co jest karygodne.

W przypadku zamkniętych systemów, takich jak iOS oraz Windows Phone, sytuacja wygląda zupełnie inaczej. System i aplikacje działają płynnie, nic się nie zacina, a jeśli już, to sporadycznie. Po prostu twórcy tych dwóch systemów stworzyli nie tylko oprogramowanie, ale też zamkniętą listę sprzętu, z którym ich systemy operacyjne będą działać. W przypadku Apple lista ta ogranicza się tylko do procesorów stworzonych przez siebie, Microsoft zdecydował się z kolei na tworzenie smartfonów i tabletów opartych tylko na procesorach Qualcomm Snapdragon. I tak w telefonach systemem Windows Phone znajdziemy Snapdragony S4 Plus i Pro (specyfikacja była tworzona rok temu), zaś w najnowszych tabletach Lumia 2520 zdecydowano się na zastosowanie układu Qualcomm Snapdragon 800. Oba wybory nie były przypadkowe.

Gdy zapytamy, jakie układy ARM są obecnie najlepsze, odpowiedzi będą podzielone. Część osób odpowie, że najlepsze układy produkuje Nvidia, inni wskażą na najnowsze Exynosy Samsunga, zaś ostatnia grupa osób wskaże produkty Qualcomma. Sam jestem zwolennikiem ostatniej opinii z prostego powodu – wydajność jest ważna, ale nie tylko ona świadczy o wartości danego układu. Co prawda Tegra 4 oraz Qualcomm Snapdragon 800 cechują się zbliżonymi wynikami w programach testujących, jednak warto pamiętać o tym, że Tegra 4 nie ma zintegrowanego modemu LTE.

Wiele osób może uważać, że jest inaczej, śpieszę zatem ze sprostowaniem. Zintegrowany modem LTE ma układ Nvidia Tegra 4i, który jednak cechuje się niższym poziomem wydajności niż w przypadku swojego starszego brata. Snapdragon 800 został wyposażony w taki podzespół, co jest wyjątkowo ważne dla twórców sprzętu i jego użytkowników. Integracja jak największej liczby elementów razem powoduje oszczędność miejsca i energii oraz bardziej przewidywalne działanie układu niż w przypadku dokładania przez producentów dodatkowych podzespołów. Pozwala to tworzyć jeszcze cieńsze, bardziej energooszczędne i lepiej działające smartfony.

Jest też wiele osób, które uważają, że rdzenie Cortex-A15 są obecnie najwydajniejszymi jednostkami na rynku. Oczywiście są one w błędzie. Opierają się one na przekonaniu, że układy wykorzystujące nowe rdzenie Cortex są zbliżone wydajnością do Snapdragonów 800 z rdzeniami Krait 400, ale są znacznie niżej taktowane. Tak, to prawda. Mierząc wydajność przy tym samym taktowaniu faktycznie prawdopodobnie okazałoby się, że Corteksy są szybsze. Jednak jest to niewiele znacząca ciekawostka, wynik czysto teoretycznych rozważań. Uważam tak, ponieważ nie jest ważne „co by było gdyby”, liczy się to, jak faktycznie wygląda sytuacja.

A wygląda ona tak, że Qualcommowi udało się poprawić proces technologiczny i zaskutkowało to możliwością stworzenia procesora o częstotliwości taktowania rdzeni przekraczającej 2 GHz, co ma znaczny wpływ na wydajność. Samsungowi ani innym konkurentom sztuka ta jak na razie się nie udała, więc Qualcomm wykorzystuje swoją przewagę. Z wyżej wymienionych powodów możemy skrócić powyższy artykuł w jednym zdaniu: Większa liczba rdzeni wcale nie oznacza wzrostu wydajności, a mimo coraz bardziej naciskającej konkurencji najlepsze procesory ARM na rynku nadal tworzy Qualcomm.

Zdjęcie education and internet concept - students looking at their phones and tablet pc at school pochodzi z serwisu Shutterstock.

Wpis powstał we współpracy z partnerem merytorycznym Spider’s Web, firmą Qualcomm.