SoC poređenje x86 vs ARM – desktop vs mobilni

Dugo smo govorili da gigaherci na desktop računaru nisu isto što i na telefonu, da li je tako? Vremena se menjaju neverovatnom brzinom. X86 arhitekturu sada viđamo u pametnim telefonima, ARM u računarima. Ono što je bila naučna fantastika juče, danas je stvarnost. Baš iz tog razloga ćemo u ovom tekstu uporediti različita SoC rešenja (System On Chip) pravljen od strane Qualcomm-a, Nvidia-e i MediaTek-a sa X86 baziranom konkurencijom od strane AMDa i Intela.

Originalni članak na engleskom možete naći na ovom linku.

x86 = performanse, ARM = mala potrošnja energije? Ne više! x86 arhitektura nije videla mnogo ubrzanja u poslednje vreme, SoC baziran na ARM arhitekturi je imao (i ima) konstantan i brz razvoj poslednjih nekoliko godina koji je smanjio razliku. Pre čeitiri godine, jedno jezgarni procesor sa 1 GHz je bio apsolutni maksimum. Danas procesori dolaze sa četiri jezgra, radnim taktom od oko 2GHz i drastičnim unapređenjem mikro arhitekture i daju deset puta veće performanse. U isto vreme, potrošnja energije je porasla, tako da pametni telefoni i tableti koji teško da izguraju 24 sata su postali normalni.

Dok ARM čipovi dobijaju na performansama, x86 procesori idu suprotnim putem. Počevši od prvog Intel Atom procesora iz 2008. godine, Intel i AMD su uspeli da konstruišu mnogo tanji laptop koji troši mnogo manje energije zahvaljujući povećanoj gustini integracije i još manjoj potrošnji energije sa strane samog procesora. x86 sistemi su stoga konačno mogli da budu korišćeni u kompaktnim tabletima i pametnim telefonima.

Kraj ovog razvoja nije teško zaključiti. Umesto da postoje paralelno jedan pored drugog, ARM i x86 će se konstantno takmičiti na istim tržištima. Što nam daje dodatni razlog da analiziramo trenutno stanje i da pokušamo da naslutimo moguće buduće trendove.

soc1

soc2

soc3

soc4

soc5

Arhitektura niskog napona pod lupom

x86 i ARM segment pružaju brojne različite arhitekture za različite tržišne segmente po pitanju krucijalnih kriterijuma kao što su performanse, potrošnja energije i cena. ARM nudi svojim korisnicima tri glavna dizajna (izuzev ekstremnih low-end rešenja kao Cortex-A5).

Cortex-A7 je zapravo renoviran i unapređen naslednik starijeg Cortex-A8 koji je koristio Apple u iPhone-u 4 (Apple-A4 SoC) između ostalih. Cortex-A7 nudi dual-core ili quad-core čip koji je klokovan od 1 do 1,5Ghz i još uvek dižu frekvenciju radi performansi na entry-level čipovima. Jednostavni pipeline je baziran na principu rednog izvršavanja instrukcija, gde se komande izvršavaju jedna za drugom, što rezultuje lošim performansama u poređenju sa megahercima. Glavna prednost Cortex-A7 sistema je mali prostor koji zauzima (samo 0,5mm² po jezgru u proizvodnji korišćenjem 28nm tehnologije) kao i niska potrošnja energije. Upravo se iz ovog razloga A7 koristi u ARM takozvanom big.LITTLE konceptu (kao na primer Samsung Exynos 5410), gde se on bavi jednostavnim pozadinskim procesima i u kombinaciji sa mnogo bržim, i mnogo alavijim Cortex-A15 jezgrima.

Pre godinu do dve, Cortex-A9 je bio apsolutno high-end čip. Danas se on nalazi u najjeftinijim i modelima srednje klase. Iako je mnogo veći i mnogo sposobniji za izvršavanje zadataka bez redosleda (out-of-order), A9 u praksi nije mnogo brži od jeftinijeg Cortex-A7 (na istim frekvencijama). ARM je shvatio problem i izbacio mnogo napredniju varijantu poput A9r4 koji je trebalo da bude korišćen u Tegra 4i SoCu. Zahvaljujući brzinama do 2,3Ghz i mnogim sitnim unapređenjima ove verzije A9 sistema mogu postati veoma popularne ponovo.

Trenutno je Cortex-A15 definitivno najmoćnija ARM implementacija. Brz je, trostruko super skalaran i sa out-of-order dizajnom, dolazi sa unapređenom predikcijom rutine za skokove i multi-level keširanje, vodi u unapređenju performansi i do 40% u poređenju sa Cortex-A9 na istom/sličnom radnom taktu. Glavna mana je visoka potrošnja energije, što ga čini teškim za implementaciju u kompaktnim pametnim telefonima. Najvažniji čipovi bazirani na A-15 su Nvidia Tegra 4 kao i pomenuti Samsung Exynos 5410.

Proizvođači ARM SoC rešenja ne moraju obavezno da licenciraju čitava jezgra. Moguće je razviti dizajn kompatibilan sa ARMom na svoju ruku (trenutno ARMv7-ISA), ruta kojom su pošli Qualcomm (sa starijom Scorpion arhitekturom, negde između Cortex-A8 i Cortex-A9, kao i skorija Krait arhitektura, koja je negde između Cortex-A9 i Cortex A-15) i Apple (sa Swift arhitekturom, takođe između Cortex-A9 i Cortex-A15). Ovaj poseban dizajn dolazi sa brojnim prednostima kao što su pronalaženje idealne tačke između performansi i potrošnje, dodavanja funkcionalnosti, ranijeg predstavljanja tržištu i (u nekim slučajevima) plaćanja manjih troškova licenciranja.

Samo dve niskonaponske x86 arhitekture postoje u trenutku pisanja: Intel Atom i AMD Jaguar (koji nije baš najbolji za previše kompaktne uređaje). Ipak Intel Atom sa svojim IPC-weak in-order dizajnom teško da je video ikakvog napretka od svog predstavljanja 2008. Mnogo je slabiji od svoje konkurencije sa strane AMDa na benchmark-u. I dalje, Atom je veoma ekonomičan što ni jedan moderni x86 čip nije uspeo, pa samim tim nije ni ugrađen u pametne telefone.

CPU_A4

CPU_A9

CPU_A15

CPU_Atom

CPU_A7

CPU_S600

Scorpion

Takmičari

Izabrali smo da uporedimo sedam raličitih SoC-ova koji su predstavljeni tržištu u poslednje dve godine. Neki su entry-level sistemi, drugi su bolji za pružanje high-end performansi.

Scenariji korišćenja (pametni telefoni, tableti i laptop) i potrošnja energije nenormalno varira. Nešto na šta ćemo se naravno osvrnuti u analizi.

AMD A4-5000

Sa TDP-om (Thermal Design Power) od 15 vati, A4-5000 quad-core (28nm, ~107mm²) čip klokovan na 1,5GHz daleko više troši energije od konkurencije. Ipak, želimo da vidimo kako Jaguar arhitektura može da se nosi u poređenju sa alternativom koju nudi ARM. Da li su performanse visoke kao što potrošnja energije nalaže? Kako radi Radeon HD 8330? Test uređaj je AMD laptop.

Intel Atom Z2760

Manje više je za porediti sa konkurencijom od ARMa po pitanju TDP-a je Intel Atom Z2670. Dual-core čip (32nm, 65 mm²) sa hyper-threading-om i radnim taktom od 1,8Ghz dolazi sa PowerVR-SGX545 grafičkim čipom, testiran sa Windows 8 (kao i AMD čip) na Acer Iconia W3-810 kao i Lenovo IdeaTab Lynx.

Nvidia Tegra 4

Tegra 4 je dugo očekivana i stigla dosta kasnije nego što je očekivano. Nvidia Tegra 4 (28nm, ~80 mm²) je ARM SoC koji dolazi sa četiri Cortex-A15 jezgara klokovanih na 1,8GHz i jednim ekonomičnim jezgrom i veoma unapređenim GeForce ULP GPU čipom. Kako će se Toshiba Excite Pro pokazati u konkurenciji sa x86 takmičarima?

Qualcomm Snapdragon 600

Samsung Galaxy S4 sa S600 quad-core (28nm, ~80 mm²) klokovanim na 1,9GHz i Adreno-320 GPU čipom je u trenutku izlaženja bio jedan od najbržih telefona dostupnih. Danas je to LG G2 i Nexus 5 sa Snapdragon 800 procesorom koji nisu korišćeni u testu.

Nvidia Tegra 3

U svoje vreme, veoma high-end čip, Cortex-A9 quad-core Tegra 3 (40nm, ~80 mm²) i dalje nudi solidne performanse, ali ne takmiči se za prvo mesto. SoC je korišćen u ASUS Transformer Pad TF300T i klokovan je na 1,2 do 1,3GHz (Tegra 3 T30L) sa najbržom varijantom (Tegra 3 T33) koja dostiže od 1,6 do 1,7GHz. Ovaj SoC je takođe korišćen i u HTC One X telefonu.

Mediatek MT8125

Prodaja pristupačnih tableta kao što je Asus Memo Pad HD 7 je neverovatno dobra, dolazi sa atraktivnim Cortex-A7 čipom kao što je MT8125 (28nm) kog pravi Mediatek. Koje performanse se mogu očekivati od ovog naizgled slabog 1,2GHz quad-core čipa i njegovim PowerVR-SGX544 GPU čipom? Trka sa Nvidia Tegra 3 će biti zanimljiva.

Qualcomm Snapdragon S3 (MSM8260)

Iako su stariji od dve godine, HTC Evo 3D se danas čini pradedom u poređenju sa današnjim uređajima, Scorpion dual-core CPU i Adreno-220 GPU u Snapdragon S3 (45 nm) klokovanim na 1,2GHz su ipak uključeni u referentne modele kako bi se video brz razvoj za samo dve godine.

Benchmark testovi

Još samo jedna stvar pre nego konačno krenemo sa merenjima. Benchmark između dva uređaja kao i različitih operativnih sistema treba uzeti sa zadrškom jer mogućnost greške i devijacije su u ovom slučaju velike (zbog različitih rezolucija, različitih kompajlera i optimizacija korišćenih za benchmark test različitih platformi), čak i prilikom velikog opreza. Da bi napravili maksimalno moguće tačno poređenje, uporedićemo browser benchamrk sa poslednjom verzijom Google Chrome-a na Androidu i Windowsu. Posebno u slučaju gladnijih SoC čipova, obratili smo pažnju na duži period mirovanja između testiranja kako bi smanjili opasnost zagušenja snage čipa.

Procesorske performanse

Počećemo od CPU performansi za dva sintetička cross-platform benčmark testa. Posebno Geekbench 2 koji vodi do ekstremnih teorijskih rezultata i zato relevantnost ne treba da bude precenjena. Rezultati su veoma interesantni. Tegra 4 i Snapdragon 600 su uspeli da pobede A4-500, uglavnom zbog boljih rezultata u floating point testu gde su ARM SoC-evi nadmašili A4-5000 za 57 i 32% pomenutim redom. Međutim, u mnogim realnim aplikacijama brojčana skala je važnija. Ovde AMD x86 APU vodi.

Intel Atom Z2760 i dva Cortex-A9 i Cortex-A7 čipa su malo zaostali. Najveće iznenađenje u rezultatima je nerešena trka ova Cortex čipa. Cortex-A9 dizajn bi u teoriji trebao da bude superiorniji.

Test fizike na trenutnom 3DMark benchmark testu pruža vrlo slične razultate sa glavnim izuzetkom kod AMD A4-5000 koji sada vodi (što je mnogo realnije od Geekbench rezultata). Opet, MT8125 pruža odlične performanse, daleko bolje od Nvidia Tegra 3 čipa. Ovo je verovatno zahvaljujući nižoj potrošnji baterije, što omogućuje MT8125 čipu da pokrene sva jezgra na maksimalni radni takt čak i pod punim opterećenjem.

Nasuprot Geekbench testu i 3DMark testu fizike, većina browser testova koristi samo jedno ili dva procesorska jezgra, što pomaže da dual-core Atom Z2760 dobije tri od pet testova, ostavljajući Snapdragon 600 iza sebe.

Impresivno je koliko je Cortex-A15 Tegra 4 SoC ostavio iza sebe ostatak ARM SoC rulje. U nekim testovima čak se približava performansama A4-5000. Čak i kada je na visokom radnom taktu (20% razlike) redukovan, i dalje daje impresivne performanse u odnosu na megahercažu za ARM čip. Ne treba zaboraviti da Cortex-A15 nije daleko od AMD Jaguar jezgara po pitanju potrošnje baterije. Tegra 4 se vrlo brzo zagreje i dolazi do smanjenja radnog takta što je i razlog ugradnji aktivnog sistema hlađenja u Nvidia Shield konzoli.

GPU Performanse

Pametni telefoni i tableti se sve više i više koriste kao mobilne konzole za igranje, što je rezultovalo u povećanju hardverske zahtevnosti kako bi se izrenderovala detaljna 3D grafika. Razlike u performansama različitih SoC rešenja su ogromna. Za vreme GLBenchmark i 3DMark (2013) testa Qualcomm S600 sa Adreno-320 grafičkim čipom je 4 do 6 puta brži od Mediatekovog jeftinog MT8125 čipa sa PowerVR-SGX544 GPUom. Još veće iznenađenje je činjenica da Tegra 3 i Intel Atom Z2760 nisu uspeli da pobede MT8125 za veliku razliku, što je u paru sa Adreno 220 na starom Snapdragon S3 čipu. Sa ovakvim nivoima performansi, zahtevne igre na Androidu poput Real Racing 3 mogu da budu izrenderovane glatko samo na spuštenim svim detaljima.

Takođe nismo bili impresionirani performansama Tegre 4. Iako postiže isti frejmrejt kao Snapdragon 600, testiranje je vršeno na telefonu a ne na tabletu gde je potrošnja baterije mnogo veća. I dalje, Radeon HD 8330 iz AMDa A4-5000 je pobedio sve za najmanje faktor 2. U slučaju ultrabook-a sa Haswell procesorom i HD Graphics 4400 ovaj faktor bi otišao na 3 ili 4.

Sony Xperia Z Ultra sa Qualcomm-ovim novim Snapdragon 800 i unapređenim Adreno 330 GPUom je ostavila sve prethodnike i Tegra 4 tablet u velikoj meri.

Potrošnja energije/baterije

Već smo pričali o potrošnji energije, što je bitan faktor, jer nivo performansi se može klasifikovati samo ako se u računicu ubaci i potrošnja energije određenog čipa. Na žalost, tačne TDP vrednosti je teško odrediti za ARM čipove.

Srećom Anandtech je uspeo da odredi prilično tačne vrednosti za CPU i GPU delove većine SoC-ova. Koristeći ove brojke kao i iz našeg osmatranja, pokušaćemo da uspostavimo grubu klasifikaciju.

Prvi limitirajući faktor u gotovo svim mobilnim uređajima je sistem hlađenja. Zavisno od sobne temperature i konstrukcije uređaja, pasivni tablet može da ispušta oko 4 vata konstantno, dok pametni telefon uspeva da ispusti 2,5 do 3 vata (u zavisnosti od veličine) toplote.

Bilo koji SoC je uvek u mogućnosti da troši više energije, pa makar to bilo i na kratko vreme. Ovo se upravo dešava na Nvidia Tegra 4 čipu u punom opterećenju. Maksimalni CPU radni takt od 1,8GHz se zadrži na samo nekoliko minuta što znači da je ova granica od oko 4 vata pređena. Bez throttling-a i sa GPUom pod punim opterećenjem, očekujemo da čip zahteva bar duplo više energije. Slično se dešava i sa Tegra 3 i Snapdragon 600 što ih tera da spuste radni takt (throttling). Pretpostavljamo da bi njihov teorijski maksimum potrošnje energije bez spuštanja radnog takta bio otprilike 6 i 4 vata pomenutim redom.

Intel Atom Z2760 (između 1,7 i 3 vata TDPa, prema različitim izvorima) i MediaTek MT8124 su mnogo manje gladni energije. U ovom slučaju MT8125 procenjujemo da je na oko 1,5 vati (četiri jezgra Cortex-A7 bi trebalo da prosečno vuku kao jedno Cortex-A15 jezgro i GPU ne bi trebalo da vuče mnogo), samo jednu desetinu od najbržeg SoCa, AMD A4-5000 sa TDPom od 15 vati. Drugi krucijalni faktor je da mnogi ARM SoC-ovi uključuju brojne dodatne mogućnosti kao što su modem, WiFi, kameru … dok x86 SoC uglavnom to nema.

Kako realne aplikacije, pa čak i igre, retko zahtevaju sva jezgra da budu na maksimumu, stvarna potrošnja energije bi trebala biti mnogo manja u upotrebi. Kao dodatak tome su i brojne opcije za čuvanje energije poput Nvidia jezgra koje je predstavljeno kod Tegra 3 čipa, Qualcomm sistem klokovanja svakog jezgra pojedinačno utiče i na potrošnju i Samsungova big.Little tehnologija koju je razvio ARM. Tako da je i tu moguće da dolazi do lošijih rezultata koje bi inače ARM čipovi mogli da ostvare.

Zaključak

Zaista je impresivno dokle je dogurao ARM SoC u poslednjih samo nekoliko godina. Ne tako davno, otvaranje manje zahtevnog sajta na mobilnom uređaju je bilo bolno iskustvo. Nešto što danas bilo koji smartphone ili tablet može da izvede bez ikakvih problema i to ne samo oni skupi. Jeftina SoC rešenja bazirana na Cortex-A7 arhitekturi kao što su MediaTek čipovi koji su našli zlatnu sredinu između potrošnje energije, performansi i cene su se pokazala veoma uspešno. MT8125 quad-core klokovan na 1,2GHz, na primer, pruža odlične procesorske i GPU performanse da lako može da se nosi sa starijim Nvidia čipovima koji su gladni energije poput Tegre 3, pa čak dolazi veoma blizu Intelovog Atom Z2760 x86 sa četiri jezgra pod punom parom.

Kada govorimo o Intelovom Atomu, tehnologija je stara 5 godina i to počinje da se vidi. Zahvaljujući mnogim unapređenjima, korišćenjem integrisanih čipseta i migracije na 32nm proces, njegova energetska efikasnost se održala vremenom i ostao je kompetetivan, ali njegove apsolutne performanse ne mogu ni da priđu najbržem ARM čipu.

Intelov najveći protivnik će najverovatnije biti Qualcomm. Kompanija koja je relativno bila nepoznata do skoro, a koja ostvaruje prihode u milijardama i ima tržišni udeo veći od Intela u srednjem i nižem segmentu zbog naglog razvoja tržišta pametnih telefona. Iako je Intelov tržišni udeo veoma mali, sledeći talas Pentiuma je pred nama. Qualcomm Snapdragon 800 je naslednik Snapdragon 600 čipa i klokovan je na 2,3GHz i ima impresivna poboljšanja i na polju CPUa i na polju GPU performansi i unapređenja energetske efikasnosti što ga čini veoma poželjnim za ugradnju u pametne telefone dok Nvidia Tegra 4 ima ozbiljne throttling probleme iako postiže odlične performanse.

U svakom slučaju je ovo munjevit razvoj. Mnoga druga SoC rešenja se očekuju uskoro, možda promene stanje na tržištu, ostaje nam samo da vidimo. AMD ovde ima ogromne šanse da napravi karambol. Videćemo šta će biti.

[via notebookcheck]