ARM má nové jádro Cortex-A73. Menší než A72, poráží jej ale díky efektivitě

30. 5. 2016

V množství licenčních procesorových jader Cortex založených na architektuře ARM se už není úplně nejjednodušší vyznat, rychlost, s jakou jejich tvůrce uvádí nové typy je obdivuhodná. Nyní v době Computexu 2016 bylo také odhaleno nové procesorové jádro, o němž jste možná již slyšeli pod předběžným označením „Artemis“. ARM zároveň představil do budoucna důležitou změnu v licencování, která možná povede k tomu, že více výrobců čipů přijde místo standardního Cortexu s vlastními jádry.

Jádro, které se dříve v mediálních
výpadech ARMu nazývalo Artemis, bylo včera oficiálně odhaleno
a dostalo jméno ARM Cortex-A73. Toto číslo evidentně
navazuje na Cortex-A72,
což byla dosud nejvýkonnější architektura britskou firmou
vyprodukovaná. Cortex-A73 jej má nahradit v nejvýkonnějších
a dražších (marketingovým argotem „prémiových“)
spotřebitelských zařízeních, a to v roli „big“ jádra. Jednak má přinést lepší výkon,
zejména ale lepší efektivitu (tedy více výkonu na jednotku
spotřeby), která je v mobilech nejkritičtější, neboť
chlazení a kapacita baterie jsou hlavním limitem pro absolutní
výkon.

64bitová evoluce Cortexu-A17 se vyšvihává vysoko

Cortex-A73 jde na zvýšení výkonu
paradoxně ne posílením, ale určitým zeslabením jádra. Nejde
totiž o následníka linie A15, A57 a A72 (ta se údajně
interně označuje „Austin“), což jsou nejvýkonnější
a „nejširší“ jádra, ovšem trpící horší efektivitou
a spotřebou, čímž bylo jejich nasazení v mobilních
zařízeních vždy problematické. Mnoho SoC právě kvůli spotřebě
raději zůstávalo u linie mnohem efektivnějších pomalejších
in-order jader A7 a poté A53 (interně „Cambridge“). ARM
však v posledních letech zavedl ještě třetí linii,
započatou Cortexem A12/A17, která se neformálně jmenuje „Sophia“.

ARM uvádí jádro Cortex-A73 (Zdroj: AnandTech)

Cortex-A73 patří právě do této
linie, která má jádra výkonnější než Cambridge, ale stále
optimalizovaná na spotřebu. Sophia se vzdává některých rysů,
které používá highendová linie Austin k dosažení
maximálního výkonu na takt, její výkon je ale přes užší
jádro ještě docela blízko. Spotřeba ovšem u ní klesá
více než výkon, takže takováto architektura je ve výsledku pro
zařízení omezené spotřebou lepší – CPU může běžet
na vyšším taktu a tak se může stát, že celkovým výkonem
širší jádro Austin předežene. A přesně takováto
strategie by měla být cílem jádra Cortex-A73: při stejné
spotřebě vyšší výkon, než má Cortex-A72. Do telefonů to má
přinést vyšší dlouhodobě udržitelný výkon.

Optimalizované 2-issue místo žravého 3-issue

Cortex-A73 tak má do jisté míry být
64bitovou evolucí Cortexu-A17 se stejnou filozofií. Místo jádra
staveného na zpracovávání tří instrukcí („3-issue“ dle tří
dekodérů) jako u A15–A72 tedy používá jen dva dekodéry
(„2-issue“) a soustředí na to, aby z menší šířky
jádra vyždímal co nejvíce. Jádro má kratší pipeline a také
jen dvě ALU místo tří (podrobné srovnání má
ve svém článku AnandTech). Výkon FPU a SIMD by měl být
podobný jako u A72, použity jsou dvě pipeline.

Schéma jádra Cortex-A73 (Zdroj: AnandTech)

Jádra se opět
budou sdružovat do klastrů po jednom až čtyřech a při
implementaci lze zvolit různé velikosti cache (na rozdíl od
větších jader ale není možnost mít u L1 ECC). Kromě toho
má jádro různá zlepšení zvyšující výkon při stejném
taktu, například v predikci větvení, v L1 cache
a paměťovém subsystému, který má být jedním z hlavních
zdrojů zlepšení IPC.

Cortex-A73 nemá mít výrazně nižší IPC než A72, některé úlohy i zrychlí (Zdroj: AnandTech)

ARM už s tímto jádrem počítá
i s výrobou na 10nm procesu, který již může být
v době uvedení čipů realitou, A73 má pak být schopen
dosáhnout na takty až 2,8 GHz. Kromě nových FinFETových
technologií ale pro levnější zařízení bude možná
i implementace na 28nm technologii, v tomto případě by
mohlo CPU podle ARMu stále běžet ještě na 2,0 GHz.

Podstatné
je, že na stejném procesu a frekvenci má Cortex-A73 mít
o 25–30 % nižší spotřebu, ale také menší velikost,
dle velikostí paměti cache může být A73 až o čtvrtinu
menší než A72. Podle ARMu by prý v některých případech
mohl dvoujdrový klastr Cortexů-A73 zabírat stejné místo jako
čtyři Cortexy-A53, což by otevřelo dveře pro značně výkonnější
procesory pro levnější mobily.

Z povahy jádra Cortex-A73 také
vyplývá, že zřejmě širší Cortex-A72 nenahradí všude. Tam,
kde je pro větší TDP prostor, například v serverech, bude
nejspíše A72 používána dále. Nicméně podle ARMu by údajně
neměl výkon většiny úloh zeštíhlením jádra příliš utrpět
(v prezentaci dokonce ukazuje nárůsty IPC například v SIMD
kódu díky lepšímu paměťovému subsystému). Úplně zadarmo ale
asi zjednodušení nebude, design linie A15–A72 má samozřejmě
svá opodstatnění.

Mali-G71: GPU od ARMu opouští VLIW a chystá se na heterogenní výpočty

ARM zároveň představil i nová
grafická jádra, nazvanou Mali-G71, nahrazující předchozí
Mali-T880. Mělo by jít o poměrně významný upgrade, neboť
jde o novou architekturu GPU, nikoliv jen evoluci. Ta se nazývá
Bifrost a je zatím třetí od doby, co ARM s grafikami
začal (první dvě byly Utgard a Midgard, jenž přinesl
unifikované shadery). ARM s tímto GPU přejde z architektury
VLIW na skalární architekturu, půjde tedy o podobnou změnu
jako přechod z VLIW4/5 Radeonů HD 6000 na architekturu GCN
u AMD. Zároveň je GPU také připraveno na heterogenní
výpočty ve spolupráci s CPU.

ARM uvádí GPU Mali-G71 (Zdroj: AnandTech)

Bifrost a Mali-G71 mají být
optimalizovány pro Vulkan a další moderní grafická API.
Integrovat bude možno až 32 jader a ARM uvádí, že toto GPU
ve svých čipech použije HiSilicon, Samsung a MediaTek, což
jsou první velcí klienti, kteří jej „nakoupili“. Konkrétní
výkon je těžko odhadnout, neboť procenta zlepšení uváděná
ARMem obvykle pokrývají ideální scénáře nebo míchají
architekturu a nový proces (to platí i pro Cortexy). Detailní
popis Bifrostu opět nabízí
web AnandTech, pokud máte zájem o nízkoúrovňovější
pohled.

Architektura GPU ARM Bifrost (Zdroj: AnandTech)

Chcete vlastní CPU? ARM nabízí
úpravy Cortexů na míru

Na začátku jsem nadhodil, že ARM
také přichází s jednou významnou změnou v tom, jak se
bude tato instrukční sada uplatňovat v čipech dalších
výrobců. Ti mohli doposud buď licencovat hotová jádra Cortex,
nebo si licencovat jen samotnou instrukční sadu a poté
navrhnout od základu vlastní jádra – což dělá Qualcomm,
Samsung, Apple, ale nyní také Broadcom, Cavium, Applied Micro
(serverové čipy X-Gene) a výhledově AMD s architekturou
K12.

ARM ovšem nyní otevře jakousi třetí
cestu. Půjde o specifické licencování Cortexů, tedy jader
navržených v ARMU, ale s možností provést na zakázku
určité změny, čímž si zákazník bude moci Cortex přizpůsobit.
Tyto změny mu implementuje přímo ARM a klient tedy dostane
opět celé hotové jádro, ovšem dostupné budou jen zadavateli,
nikoliv jeho konkurentům. Z marketingového hlediska je pak
důležité, že takto upravené jádro si bude moci výrobce čipu
sám pojmenovat a chlubit se pak ve specifikacích vlastním,
„negenerickým“ jádrem. Ze asi čekat, že tato možnost řadu
výrobců mobilních čipů zaujme práv z tohoto důvodu
a čistých Cortexů o něco ubude.

Výrobci by ale údajně
neměli mít možnost zcela zapřít původ jádra, pokud půjde
o upravený Cortex dle této licence, má být někde ve
specifikacích uvedeno „Built on ARM Cortex Technology“. Nemělo by tedy možné vydávat takto vzniklé architektury za regulérně vlastní práci.