Обзор и тест Snapdragon 810: часть 1 — THG.RU

Обзор и тест Snapdragon 810 | Слухи и домыслы

SoC серии Snapdragon от компании Qualcomm пользуются большим успехом, особенно на североамериканском рынке. Почти каждый флагманский смартфон 2014 года, включая LG G3 и Sony Z3, Galaxy S5 и Nexus 6, HTC One и OnePlus One, комплектуется чипом серии Snapdragon 800. Учитывая такое положение дел, новый Qualcomm Snapdragon 810 должен заинтересовать практически всех OEM-производителей смартфонов.

Если верить слухам, Qualcomm Snapdragon 810 действительно нагревается, только не так, как ожидала Qualcomm. Первый слух появился в начале декабря от неназванного корейского источника в этой индустрии. По его словам, Qualcomm Snapdragon 810 перегревается, если напряжение поднимается до определенного значения, плюс имеет проблемы с производительностью контроллера памяти и ошибки в драйвере GPU. Как правило, подобные анонимные слухи быстро теряются в общей шумихе, однако на этот раз ими заинтересовалась LG, которая использует Qualcomm Snapdragon 810 в недавно анонсированном G Flex 2, особое беспокойство вызывала проблема перегрева. Ву Рам-чан, президент отдела планирования мобильных продуктов LG, заявил следующее: «Я прекрасно знаю о различных волнениях на рынке, связанных со Qualcomm Snapdragon 810, но производительность чипа вполне удовлетворительная». Также он добавил: «Я не понимаю, откуда взялась информация о проблеме перегрева».

LG, возможно, по результатам своих тестов не сочла ситуацию опасной, но Samsung, видимо, получила такие значения температуры во время тестирования SoC , что решила отказаться от Qualcomm Snapdragon 810 в предстоящем Galaxy S6. Это решение подтвердилось в финансовом отчете Qualcomm за первый квартал 2015 года, в котором «ожидание, что наш процессор Qualcomm Snapdragon 810 не будет использоваться в предстоящем цикле проектирования флагманского устройства крупного клиента» частично виновато в снижении прогноза по доходам производства полупроводников во второй половине этого года. Wall Street Journal даже сообщил, что Qualcomm создает обновленную версию Qualcomm Snapdragon 810 для Samsung, которая должна быть готова в марте.

Даже если слухи, связанные с Samsung, подтвердятся, это не обязательно означает, что с Qualcomm Snapdragon 810 есть проблемы. Традиционно Samsung использует SoC Snapdragon для североамериканских версий своих мобильных телефонов, а для международных применяются собственные системы на кристалле Exynos. Exynos 7420, который должен появиться во многих, если не во всех, смартфонах Galaxy S6, использует восьмиядерную конфигурацию big.LITTLE, сочетающую процессоры ARM Cortex-A57 и A53. Ожидается, что эти чипы будут изготавливаться с использованием техпроцесса 22 нм. Аналогичные характеристики имеет Qualcomm Snapdragon 810. Тем не менее, президент полупроводникового отделения Samsung Ким Ки Нама заявил, что Samsung уже производит чипы по новому процессу 14 нм FinFET для неустановленных клиентов. Если Samsung сможет перенести Exynos 7420 на новый техпроцесс, она добьется гораздо более высокой тактовой частоты, чем в аналогичном Qualcomm Snapdragon 810. Чтобы сохранить одинаковый уровень производительности между двумя разными версиями Samsung S6 (если компания захочет использовать два SoC), то нужно будет либо понижать скорость 7420, либо разгонять Qualcomm Snapdragon 810 сверх того, что позволяет техпроцесс 20 нм, а это приводит к перегреву.

Таким образом, слухи о перегреве могут быть просто раздутыми. А что насчет проблемы со скоростью работы памяти? Недавно мы провели несколько тестов на устройстве, использующем SoC Qualcomm Snapdragon 810, и наблюдали довольно низкие показатели скорости работы памяти. Копая глубже, мы узнали, что тестируем предсерийный образец устройства, который, по данным Qualcomm, использует шину памяти на половине ее скорости. На самом деле, это довольно распространенная проблема при работе с новым типом памяти, в случае с Qualcomm Snapdragon 810 – это LPDDR4.

Можно с уверенностью сказать, что новейший чип Snapdragon столкнулся с некоторыми техническими проблемами. Но справилась ли с ними Qualcomm, или Qualcomm Snapdragon 810 все еще имеет недостатки? В недавно опубликованном пресс-релизе Qualcomm указывалось, что на рынок поступят более 60 моделей премиум-класса на основе Qualcomm Snapdragon 810. Официально было объявлено две: LG G Flex 2 и Xiaomi Mi Note Pro. Другие производители также выразили уверенность в новом SoC, в том числе Microsoft, Oppo, Sony и Motorola Mobility. Президент Motorola Mobility, Рик Остерлох (Rick Osterloh), заявил: «Процессор Qualcomm Snapdragon 810 позволит нам раздвинуть границы еще шире». Если бы Qualcomm Snapdragon 810 имел серьезные проблемы с производительностью, вряд ли бы он получил такой лестный отзыв.

Однако данные говорят лучше слов. После изучения архитектуры Qualcomm Snapdragon 810 и его функционала, мы подвергли его серии тестов и сравнили показатели с показателями других флагманских планшетных SoC . Эти данные смогут опровергнуть или подтвердить гуляющие слухи.

Обзор и тест Snapdragon 810 | Архитектура

Архитектура

Основное нововведение Qualcomm Snapdragon 810 – это переход на 64-разрядную архитектуру. Тем не менее, Qualcomm Snapdragon 810 также содержит обновленный графический процессор, полностью новый интерфейс памяти и новый модем Gobi. Последний компонент Qualcomm Snapdragon 810 является его крупнейшим технологическим скачком. Этот модем поддерживает LTE Category 9 со скоростью передачи данных до 450 Мбит/с с агрегацией несущих частот. Модем в SoC Qualcomm Snapdragon 810 призван добавить чипу привлекательности и сэкономить на стоимости производства.

CPU

В Qualcomm Snapdragon 810 Qualcomm отказалась от собственной процессорной архитектуры Krait и последовала примеру других производителей SoC, таких как Marvell, MediaTek и Nvidia и использовала 64-разрядные ядра ARM. В частности, Qualcomm Snapdragon 810 работает с четырьмя ядрами Cortex-A57 и четырьмя ядрами Cortex-A53 в гетерогенной конфигурации big.LITTLE, в которой планировщику ОС доступны все восемь ядер. Два кластера CPU соединены когерентным кэшем CCI-400 Cache Coherent Interconnect. Характеристики обоих типов ядер хорошо известны, так что мы просто рассмотрим основные моменты.

Cortex-A57 является преемником Cortex-A15. A57 привносит лишь незначительные изменения в архитектуру А15. Он по-прежнему использует спекулятивный вычислительный суперскалярный 15+ ступенчатый конвейер, где первые 12 стадий (выборки/декодирования) являются последовательными, а последние 3-12 стадий (выдача/исполнение) — внеочередными. IPC также не изменился по сравнению с A15: декодирование до трех, выдача до восьми и перераспределение до трех (восемь каналов разной длины) команд за такт. Это половина от того, что могут Apple A7 (предположительно A8) и Nvidia Denver. Буфер переупорядочивания команд, влияющий на уровень параллелизма выполнения команд, который может достичь ядро, как и A15 вмещает до 128 микроопераций. Это меньше, чем 192 команды в A7 Apple (предположительно, и в A8) и в архитектуре Intel Haswell для настольных ЦП (хотя у Denver нет аппаратного буфера переупорядочивания, его алгоритмы перекодирования выполняют переупорядочивание и поиск до 1000 и более команд с целью улучшения параллелизма). Кэш L1 для инструкций увеличился до 48 Кбайт (буфер быстрого преобразования адреса (TLB) на 48 записей) по сравнению с 32 Кбайт в A15, но кэш для данных остался прежним — 32 Kбайт (TLB на 32 записи). Кэш L1 опирается на общий кэш L2.

Cortex-A57 (источник: ARM)

В конфигурации big.LITTLE есть еще один тип ядер — Cortex-A53, которое базируется на архитектуре Cortex-A7. A57 – это сложное ядро с внеочередным исполнением команд, ориентированное на высокую производительность. В свою очередь A53 является простым ядром с последовательным исполнением команд, оптимизированным для экономии энергии. Оно имеет короткий 8-ступенчатый конвейер (опциональный модуль Advanced SIMD в Qualcomm Snapdragon 810 использует в общей сложности 10 ступеней и требуется для выполнения операций с плавающей запятой) с симметричной двойной выдачей для большинства команд. ARM утверждает, что на одном и том же техпроцессе ядро A53 обеспечивает такую же производительность, как и Cortex-A9.

Cortex-A53 (источник: ARM)

A57 и A53 имеют много общих низкоуровневых особенностей с процессорами, которым они пришли на смену, но добавляют поддержку новой 64-битной архитектуры AArch64 и набора команд A64. Наиболее очевидным преимуществом перехода на 64-бит является возможность использовать более 4 Гбайт физической памяти, что очень важно для мобильных устройств, в которых центральный и графический процессоры делят между собой оперативную память. 32-битный A15 уже использует транслятор адресов Large Physical Address Extensions (LPAE), который переводит 32-битные виртуальные адресные пространства в 40-битное физическое адресное пространство с размером страницы 4 Кбайт. Таким образом, сразу несколько приложений могут видеть до 4 Гбайт оперативной памяти одновременно, подобно тому, как программы для Windows работают на 32-разрядной платформе x86. ARMv8-A сглаживает ограничение адресации памяти, поддерживая работу 48-битного виртуального и физического адресного пространств. Полноценное 64-битное адресное пространство пока просто не нужно (x86-64 также использует 48-битное пользовательское адресное пространство), а ограничение адресного пространства упрощает аппаратную компоновку и снижает энергопотребление. В дополнение к традиционным, 4 Кбайт новая архитектура также поддерживает страницы размером 64 Kбайт, что снижает количество уровней в таблице переадресации страниц при использовании 42-битного адреса с четырех до двух.

До 2016 года мы вряд ли увидим смартфоны и планшеты, оснащенные больше чем 4 Гбайт ОЗУ, но переход на 64-бит предлагает другие улучшения производительности. Ширина регистров составляет 64-бит и их теперь больше. Регистры общего назначения увеличились с 14 до 32, а регистры SIMD/с плавающей запятой увеличились с 16 до 32 бит. Дополнительные регистры дают компиляторам больше пространства для выполнения циклов и, согласно ARM, включают «улучшенные возможности планирования задач для более сложных алгоритмов, которые становятся общими для различных программных кодов».

Вместо адаптации существующей 32-разрядной таблицы декодирования, ARM дает свои собственные 64-битные инструкции. Наличие двух простых таблиц вместо одной большой, громоздкой таблицы упрощает аппаратную реализацию, кроме того, облегченное предсказание ветвлений и другие методы ускоряют JIT-компиляторы (JavaScript), что весьма полезно для более быстрого просмотра веб-страниц.

ARM применяет такой же подход к разработке своей 64-битной архитектуре системы команд (ISA). Вместо расширения A32 ISA, как сделала AMD с x86, в ARM создали новую усовершенствованную A64 ISA, которая еще больше упрощает аппаратную реализацию и снижает энергопотребление. Например, загрузка/сохранение нескольких команд, усложняющая подсистему памяти, была удалена вместе с некоторыми условными командами, преимущества от которых не оправдывали затраченную мощность.

A64 также дает улучшенной архитектуре SIMD новые возможности, позволяющие удовлетворить требования стандарта IEEE754-2008, в том числе возможность обработки чисел двойной точности с плавающей запятой для векторов и новые инструкции округления чисел. Регистры SIMD теперь также имеют ширину 128-бит против 64-бит в AArch32.

Учитывая приведенную выше информацию, сможет ли Qualcomm Snapdragon 810 обеспечить более высокую производительность CPU по сравнению с предыдущими SoC Snapdragon 80x? В большинстве случаев, особенно если выполняется 64-битный код, ответ будет — да. По сути Krait 400/450 является упрощенной версией A15, оптимизированной для низкого энергопотребления и/или высоких тактовых частот. IPC практически аналогичен A15/A57. Целочисленный конвейер Krait также стал короче. У него более короткий буфер переупорядочения команд, хранящий только 40 микроопераций, а также менее емкий кэш первого уровня. Отсутствие одного порта исполнения и меньший буфер, безусловно, навредят общей пропускной способности, хотя более короткий конвейер Krait и более высокая тактовая частота помогут быстрее восстановиться после ошибочного предсказания ветвления.

А что насчет энергопотребления? При прочих равных условиях, сложность А57 означает более высокую потребляемую мощность. Однако стремление как можно быстрее перевести систему в сон, переложить задачи на энергоэффективные ядра A53 и меньший техпроцесс 20 нм должны помочь снизить энергопотребление по сравнению с Krait.

GPU

Хотя нам кое-что известно о ЦП внутри Qualcomm Snapdragon 810, о его графическом процессоре Adreno 430 информации практически нет. Qualcomm не сообщает никаких подробностей об архитектуре, а лишь расплывчато заявляет о повышенной на 30% производительности и пониженном на 20% энергопотреблении по сравнению с предыдущим поколением Adreno 420. Но, учитывая, что в 420-ом GPU была значительно переработана архитектура, то можно справедливо предположить, что 430-й является немного модернизированной версией 420-го.

В прошлом году в Adreno 420 добавились поддержка OpenGL ES 3.1 (плюс Android Extension Pack), OpenCL 1.2 и DirectX 11 с функциональным уровнем 11_2, наряду с поддержкой геометрических шейдеров, динамической аппаратной тесселяции и технологии Adaptive Scalable Texture Compression (ASTC). Все эти особенности есть и в 430.

В нашем обзоре Snapdragon 805 мы отмечали, что значительное увеличение пропускной способности памяти наряду с увеличенными в Adreno 420 кэшами текстур и L2 позволило эффективно обеспечивать данными дополнительные текстурные и шейдерные блоки. Такой вывод подтверждался результатами наших тестов. Учитывая достаточную пропускную способность памяти и освободившееся место на кристалле благодаря переходу на меньший производственный процесс 20 нм, в Adreno 430, скорее всего, добавились дополнительные шейдерные ресурсы.

Тестируя Note 4 и Nexus 6, работающие под управлением Snapdragon 805, мы замечали существенный тепловой троттлинг во время игр. Во многих случаях тепловой троттлинг нивелировал все преимущества 420-го по сравнению со старым Adreno 330. Переход на меньший техпроцесс поможет 430-й версии компенсировать хотя бы некоторые потери мощности, связанные с (возможным) увеличением числа транзисторов. Вполне вероятно, что Qualcomm сделала и другие изменения с целью снижения энергопотребления, но есть подозрения, что в 430-ом чипе проблема с тепловым троттлингом сохранится, особенно для полностью пластиковых телефонов.

Память

Snapdragon 805 обращается к памяти LPDDR3-800 через двухканальную 64-битную (в совокупности 128 бит) шину с полосой пропускания 25,6 Гбайт/с, что значительно больше, чем 14,9 Гбайт/с в Snapdragon 801 и Apple A8. Итоговая пропускная способность памяти Qualcomm Snapdragon 810 не изменилась, но подсистема перешла на 32-битный двухканальный (в совокупности 64 бит) интерфейс LPDDR4-1600.

LPDDR4 имеет полностью переработанную архитектуру, которая использует два 16-битных канала (в LPDDR3 один 16-битный канал), сокращающих расстояние передачи сигнала между массивом памяти и контактными площадками модулей, тем самым уменьшая энергопотребление и обеспечивая высокие частоты передачи сигнала. Новая память также использует интерфейс LVSTL (low-voltage swing-terminated logic) с пониженным на 50% по сравнению с LPDDR3 напряжением. Эти усовершенствования обеспечивают более высокую скорость передачи данных (которую Snapdragon 805 уже достиг с помощью более широкой 128-битной шины) и пониженное на 35-40% потребление энергии.

Прочие модули и интерфейсы

Qualcomm Snapdragon 810 использует два 14-битных ISP (Image Signal Processor), поддерживающие матрицы до 55 мегапикселей с общей пропускной способностью 1,2 гигапикселей в секунду. Впрочем, в этом плане он не отличается от Snapdragon 805. Qualcomm Snapdragon 810 получил новый DSP Hexagon V56, который поддерживает Dolby Atmos и воспроизведение музыки до 24 бит/192 кГц (требуется поддержка отдельного аудиокодека или передача через USB на внешний ЦАП).

Компания Qualcomm охотно продвигает 4K-видео, поэтому неудивительно, что кристаллы Snapdragon показывают стремление к полной поддержке этого формата. Snapdragon 800/Snapdragon 801 могут кодировать/декодировать Ultra HD видео в формате H.264 на аппаратном уровне, но кодирование в H.265 (HEVC) выполняется полностью программно. В Snapdragon 805 появилось аппаратное декодирование 4K-видео в H.265, а Qualcomm Snapdragon 810 завершает переход к Ultra HD, получив аппаратное кодирование 4K в H.265. Аппаратный кодировщик в Qualcomm Snapdragon 810 поддерживает 4K-видео на частоте 30 кадров в секунду и разрешение 1080p на частоте 120 кадров в секунду. Также он может выводить 4K на скорости 60 FPS на основной дисплей и 4K на скорости 30 FPS на внешний дисплей через HDMI 1.4a или 1080p на частоте 60 FPS без проводов через Miracast.

Первоначально Qualcomm Snapdragon 810 должен был оснащаться модемом Qualcomm Gobi 9×35 Cat 6, поддерживающим скорость до 300 Мбит/с. Но поскольку Samsung в этом году якобы готовит собственный модем уровня Cat 10, Qualcomm посчитала нужным модернизации модем в Qualcomm Snapdragon 810 до уровня Cat 9. Это уникальное решение, пока не имеющее официального названия, но известно, что это ни MDM9x35, ни недавно анонсированный Cat 10 MDM9x45. Важно, что его пиковая пропускная способность достигает 450 Мбит/с благодаря агрегации 3-х несущих частот по 20 МГц.

В общем, Qualcomm Snapdragon 810 по сравнению с версией Snapdragon 805 предлагает ряд заметных усовершенствований, включая восьмиядерный 64-битный процессор, LTE модем Category 9 и поддержку оперативной памяти LPDDR4. Кроме того, он отличается повышенной производительностью GPU и некоторыми обновлениями подсистемы обработки аудио/видео. Немного разобравшись с техническими характеристиками новинки, пришло время проверить заявленный прирост производительности в наших тестах, результаты которых мы представим во второй части.