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Potente sistema MediaTek Helio X20 en un chip. Diez núcleos en tres grupos

Los requisitos para los teléfonos inteligentes modernos de alto nivel, los buques insignia de los gobernantes de diferentes fabricantes, se pueden describir de manera bastante simple. Dichos modelos superiores requieren no solo el uso de un sistema en chip (sistema en chip, SoC), que proporciona el más alto rendimiento y capacidades multimedia avanzadas, incluido el soporte para cámaras de alta resolución y calidad, sino también una batería de gran capacidad y alta eficiencia energética, suficiente para que el teléfono inteligente funcione durante al menos un día sin recargarse en el modo de uso activo.

imagenLos teléfonos inteligentes con tales propiedades son los buques insignia de muchas compañías, entre ellas se pueden distinguir representantes tan destacados como Apple iPhone 6 Plus, Samsung Galaxy S6 Edge, LG G4 y otros. Pero el aumento adicional en la capacidad de la batería en los teléfonos inteligentes se ve restringido incluso con un aumento constante en las pantallas de los mejores modelos. A pesar de que equipar teléfonos inteligentes caros con pantallas más grandes es una tendencia reconocida en el mercado (el tamaño promedio de la pantalla en los modelos principales en 2010-2011 fue inferior a 4 pulgadas, en 2012-2014 creció a 5 pulgadas y en 2015 ya es de 5 pulgadas e incluso más), la capacidad de la batería está limitada principalmente por el deseo de los fabricantes de hacer que los teléfonos inteligentes sean lo más delgados posible.



Como puede ver en el gráfico, el tamaño de las pantallas y su consumo de energía están creciendo, pero la capacidad de la batería no ha cambiado durante varios años, y esta limitación solo empeorará en los próximos años, cuando el tamaño de las pantallas y su resolución crecerán aún más. En consecuencia, los fabricantes quieren revertir la tendencia, por otro lado, equipando los teléfonos inteligentes con sistemas en chip más económicos que proporcionarán un alto rendimiento y una larga duración de la batería.

Los líderes del mercado intentan constantemente reducir (o al menos mantenerse dentro) el consumo total de energía de los teléfonos inteligentes, utilizando procesos tecnológicos más nuevos para la producción de sistemas en chip y nuevas soluciones arquitectónicas. Algunos de ellos se conocen desde hace mucho tiempo, se puede observar un cambio dinámico en la frecuencia y el voltaje de funcionamiento de los núcleos de la CPU, y el uso de conjuntos de núcleos informáticos de diferentes capacidades, como big.LITTLE y algunos otros métodos.

Pero en este momento, se han eliminado casi todas las posibilidades de la arquitectura big.LITTLE, ha alcanzado su límite y no puede ayudar a mejorar la eficiencia energética aún más, como lo requieren las realidades del mercado. Los fabricantes de teléfonos inteligentes necesitan nuevas soluciones que proporcionen un menor consumo de energía con un mayor rendimiento informático dentro de las capacidades de la fabricación actual de semiconductores.

MediaTek ha estado utilizando durante mucho tiempo soluciones tan grandes y pequeñas en forma de SoC multinúcleo, que consisten en dos grupos con núcleos informáticos de diferentes especializaciones: varios núcleos de CPU en su composición están diseñados para tareas exigentes, y el resto se utiliza para aplicaciones con baja carga informática. Entonces, uno de varios de estos sistemas en un chip fue el modelo Helio X10, anunciado por la compañía el año pasado.

Basado en el chip Helio X10, salieron varios modelos de fabricantes conocidos: HTC One M9 +, HTC One E9 + y Meizu MX5, y esto es solo el comienzo. Helio X10 utiliza dos grupos con una configuración de 4 + 4 núcleos de procesador, pero MediaTek fue más allá al lanzar el primer sistema en un chip del mundo con tres grupos de núcleos de CPU, que ahora examinaremos con más detalle.

Arquitectura de tres clústeres


MediaTek ha elegido el desarrollo de una arquitectura de procesador de múltiples clústeres para su próximo sistema en un chip de primera línea. Recuerde que esta separación permite el uso de núcleos de CPU más adecuados en tareas con diferentes requisitos para el rendimiento informático. Por lo tanto, los núcleos informáticos de alto rendimiento proporcionan un rendimiento muy alto, pero con un alto consumo de energía, mientras que los núcleos menos productivos tienen un consumo energético muy bajo, pero no pueden proporcionar tareas que requieran velocidad computacional.

Muy a menudo, en el diseño ya tradicional de dos clústeres, el más joven de ellos usa núcleos arquitectónicos relativamente simples y muy eficientes energéticamente como Cortex-A53, y un clúster de alto rendimiento se compone de grandes núcleos de CPU como Cortex-A57 o Cortex-A72. En algunos casos, también se usan núcleos Cortex-A53, pero especialmente optimizados para lograr una alta frecuencia de operación, en comparación con un grupo de menor consumo de energía, como se hizo en chips MediaTek anteriores.

La desventaja de este enfoque es que las tareas de exigencia media se realizarán en núcleos "grandes" o en "pequeños", pero siempre no lo suficientemente eficientes: el primero todavía consumirá mucha energía incluso a bajas frecuencias, y el segundo no siempre puede proporcionar la necesaria. actuación. Este problema se ilustra claramente en el siguiente gráfico:



Teóricamente, sería posible poner en el segundo grupo también núcleos "grandes" que simplemente funcionan a una frecuencia de reloj más baja, pero ocuparán demasiado espacio en el chip y esta solución tampoco será lo suficientemente efectiva. En el caso de la arquitectura big.LITTLE con dos grupos diferentes en términos de la potencia de los núcleos de la CPU, resulta que los núcleos más potentes funcionarán a toda velocidad cuando el rendimiento promedio sea suficiente.

En consecuencia, los ingenieros de MediaTek introdujeron el tercer grupo, haciendo una "transmisión" intermedia además de las dos extremas, si damos una analogía en forma de cajas de cambios de automóviles. Desde el punto de vista de la teoría, la solución es lógica, porque cuanto más engranajes hay en la caja, se pueden seleccionar las relaciones de transmisión más adecuadas para un automóvil en movimiento, lo que garantiza un menor consumo de combustible. Resulta que cada uno de los tres grupos disponibles se adaptará mejor a sus tareas, mejorando la eficiencia energética: tareas ligeras (interfaz, correo, música), tareas medianas (aplicaciones, redes sociales, juegos poco exigentes), tareas difíciles (juegos 3D, pruebas, aplicaciones multimedia).

La cuestión de la gestión permanece, porque las tareas deben distribuirse correcta y rápidamente a diferentes núcleos. Para controlar la distribución de tareas entre los núcleos de diferentes grupos, los chips MediaTek utilizan la tecnología CorePilot, un programador de tareas especial. A juzgar por la eficiencia energética de los sistemas en chip anteriores de esta compañía, incluso en versiones anteriores, este programador hizo su trabajo muy bien, y en la nueva versión 3.0 debería proporcionar una eficiencia aún mayor.

Helio X20: el primer sistema en chip de diseño de tres grupos


MediaTek anunció su nuevo sistema en chip para teléfonos inteligentes y tabletas de alta gama en mayo de este año. La novedad se llamó Helio X20, continuando la línea de chips de alto rendimiento Helio de la compañía, que apareció un poco antes. El modelo X20 se convirtió en el segundo sistema en chip en esta línea, y el primero en recibir un nombre tan nuevo desde el principio (Helio X10 solía llamarse simplemente como MT6795).

MediaTek ha lanzado un nuevo producto con hasta 10 núcleos informáticos universales, que fue la primera solución de este tipo con un diseño de tres grupos. Tres secciones con núcleos de CPU consisten en cuatro núcleos Cortex-A53 que funcionan a una frecuencia de 1.4 GHz y proporcionan la mejor eficiencia energética, cuatro núcleos Cortex-A53 más balanceados en energía con una frecuencia de 2.0 GHz, y un par de Cortex-A72 de 2.5 gigahercios en alto rendimiento racimo.



Los núcleos de CPU de diferentes grupos están interconectados por un bus especial de interconexión del sistema de coherencia MediaTek (MCSI) y tienen acceso a la memoria a través del bus de memoria AXI de 128 bits. El bus MCSI es muy importante para garantizar el funcionamiento de un sistema tan complejo, el rendimiento general del chip depende de sus capacidades. Hace unos meses, ARM anunció un bus CoreLink CCI-500 similar que puede combinar hasta cuatro grupos de CPU. MediaTek probablemente tomó este bus como base, o quizás desarrolló su propia interfaz si es capaz de proporcionar la mejor latencia en la transferencia de datos.

La clave de la arquitectura Helio X20 es el nuevo clúster de gama media. El clúster más pequeño con el rendimiento más bajo continúa utilizándose en tareas poco exigentes con una alta duración, y el clúster de alto rendimiento, el más codicioso por la velocidad de la informática. El del medio ofrece un terreno muy intermedio, que proporciona un rendimiento informático relativamente alto con un bajo consumo de energía, en comparación con un grupo de un par de núcleos grandes Cortex-A72. Y hay bastantes tareas "promedio":



Bueno, la pregunta más importante es ¿qué aumento en la eficiencia energética y la duración de la batería da una solución similar? Resulta que la diferencia entre big.LITTLE y Tri-cluster en términos de eficiencia precisamente por la aparición de un clúster medio adicional es bastante decente: el nuevo producto MediaTek proporciona menos consumo de energía en casi todas las tareas posibles:

La mayoría de los ahorros se observan en modo inactivo con el dibujo banal de la pantalla principal, con el trabajo típico con correo electrónico, comunicación de voz y lectura del feed de Facebook: alrededor del 40-50% de la ventaja en el consumo de energía, en comparación con un sistema de doble clúster en un chip, ceteris paribus .

Pero incluso en tareas más exigentes, como el lanzamiento inicial de la aplicación de Facebook y otras tareas difíciles, en juegos no demasiado exigentes y en el proceso de grabación de video, hay una ventaja al agregar un tercer grupo "promedio" de núcleos de CPU, que asciende a aproximadamente 20-30%. Casi la misma cantidad de energía es consumida por el Helio X20 de tres grupos y en promedio.

Para un ahorro de energía aún mayor, el nuevo sistema en chip de MediaTek contiene un núcleo complementario Cortex-M4 especial que funciona a 364 MHz, tiene 512 KB de SRAM y acceso directo a DRAM, mientras que todavía tiene extremadamente bajo consumo de energía, ya que el núcleo recibe energía en una línea separada de muy bajo voltaje.

Este núcleo especializado de arquitectura ARM sirve para decodificar datos de audio (en particular, en formato MP3), mejorar la calidad de voz y su reconocimiento, y también funciona como un microcontrolador de pantalla táctil, que elimina esta carga de los núcleos principales de la CPU. Es decir, cuando la pantalla está apagada y se reproduce música en el sistema en chip Helio X20, este núcleo auxiliar funcionará exclusivamente, lo que solo mejora su eficiencia energética general.

Especificaciones técnicas Helio X20


El sistema en chip Helio X20 tiene el nombre en clave interno MediaTek MT6797 (Helio X10 - MT6795), y a diferencia de Helio X10, que se produce en las fábricas de TSMC utilizando el proceso HPM de 28 nm, la novedad ya se fabrica utilizando la tecnología de proceso de 20 nm, que debería proporcionar una reducción adicional en el consumo de energía. Considere las especificaciones del sistema en chip Helio X20, compárelo con el modelo anterior: la



diferencia más importante entre el par SoC es que el chip más nuevo tiene tres grupos que constan de diez núcleos de CPU diferentes, y el modelo anterior de sistema en chip está satisfecho Ocho núcleos Cortex-A53 menos potentes que funcionan a solo 2 GHz.
En consecuencia, el rendimiento de los núcleos de la CPU difiere significativamente, especialmente en aquellas tareas en las que se utiliza un hilo. Entonces, en el conocido paquete de prueba GeekBench 3 en modo de un solo hilo (Single Thread), el nuevo Helio X20 mostró una velocidad computacional 70% más alta que X10, y en multihilo (Multi Thread) - 15% más alto. Y el rendimiento general del sistema en el punto de referencia Antutu entre los dos sistemas MediaTek en un chip ha crecido en un 40%, un excelente resultado para el nuevo producto.

Helio X20 admite memoria LPDDR3 de doble canal en chip (paquete encendido - PoP) que funciona a una frecuencia de 933 MHz, frente a 800 MHz para X10. Probablemente, para un chip limitado por el soporte para resoluciones de pantalla de hasta 2560x1600 píxeles, el ancho de banda de un par de canales de memoria LPDDR3 será suficiente.

El procesamiento de imagen de los módulos de la cámara se lleva a cabo mediante el procesador de señal dual ISP, que proporciona el cálculo de imágenes de 32 megapíxeles con una frecuencia de 24 FPS y 25 megapíxeles a 30 cuadros por segundo (para X10 - hasta 21 megapíxeles a 30 FPS). Es posible conectar una cámara de 32 megapíxeles o un par de 13 megapíxeles. Admite grabación de video 4K en HDR y métodos avanzados de procesamiento posterior de hardware: ruido / demosaic / nitidez.

El nuevo sistema en chip proporciona decodificación de video 4K en formatos H.264, H.265 y VP9 a 30 cuadros por segundo, se admite la decodificación de datos de 10 bits por color. La codificación de video es posible en resolución 4K y una velocidad de cuadro de 30 FPS en formato H.265 incluyendo HDR. Las posibilidades de trabajar con datos de video no han cambiado mucho en comparación con el Helio X10, pero proporciona una reducción en el consumo de energía en un 30% y 40% para la decodificación y codificación, respectivamente.

En el sistema basado en el chip Helio X20, ARM utiliza el nuevo núcleo de gráficos (GPU) Mali-T880 MP4 que funciona a una frecuencia de 700 MHz. Ofrece un rendimiento 3D un 40% mayor con la misma reducción en el consumo de energía en comparación con el núcleo PowerVR G6200 de Imagination Technologies, utilizado en Helio X10 y funcionando a la misma frecuencia.

El Helio X20 es el primer sistema en un chip que utiliza el núcleo de video de la serie Mali T800, y esta GPU tiene un rendimiento bastante alto para las soluciones de la compañía que no se distinguían previamente por el uso de GPU de alta resistencia. En el popular punto de referencia 3D GFXBench 3.0 en la prueba 1080p T-Rex Offscreen, la nueva solución muestra un aumento del rendimiento del 30% en comparación con el PowerVR G6200, y en 1080p Manhattan Offscreen la mejora alcanza el 45%.

La información se puede mostrar en una resolución de WQXGA (2560x1600) a una velocidad de cuadro de 60 FPS o en FullHD (1920x1080) a 120 FPS. La opción con una mayor frecuencia de actualización de la información en la pantalla con el soporte de hardware apropiado desde el lado de la pantalla proporciona una mayor claridad de imagen en condiciones de cambio rápido de la imagen en la pantalla, por ejemplo, en juegos y al desplazar texto en el navegador.

Hace unos años, una de las deficiencias obvias de los sistemas en chip de MediaTek fue la falta de soporte para los estándares de comunicaciones móviles. Pero los ingenieros de la compañía están constantemente poniéndose al día con los líderes de la industria, lanzando módems cada vez más avanzados, incluidos los integrados.

El módem integrado en el Helio X20 es un ejemplo de este enfoque y proporciona redes móviles en todo el mundo. Este sistema en chip finalmente ha introducido soporte para el estándar CDMA2000, que es importante para la conquista del mercado norteamericano de teléfonos inteligentes y tabletas: Qualcomm, el líder en soporte de tecnologías de redes móviles, aún reina en este mercado.

La parte del módem del sistema en chip X20 también admite redes LTE R11 de categoría 6 con soporte para agregación de portadora 2x20 MHz, y proporciona velocidades de hasta 300 megabits por segundo para recepción y 50 megabits por segundo para transferencia de datos. Es importante que el nuevo módem consuma un 30% menos de energía que la utilizada en el Helio X10. Las mejores soluciones de la competencia tienen un módem LTE integrado de Categoría 7 y un chip LTE externo de Categoría 10, pero costarán claramente más que MediaTek.

Desde redes inalámbricas, el nuevo chip admite estándares Wi-Fi 802.11ac con transferencia de datos a velocidades de hasta 280 megabits / s, con soporte para sistemas de posicionamiento GPS, GLONASS y Beidou. Además, todo este soporte está integrado en el sistema en chip, en contraste con el uso de un chip externo MT6630 como parte de Helio X10, que es más costoso.

Ricas funciones multimedia


Además del hecho de que Helio X20 proporciona un rendimiento notablemente mejor y eficiencia energética, así como algunas características nuevas, el sistema en un chip se caracteriza por tecnologías mejoradas de software y hardware para trabajar con datos multimedia. Ya hemos mencionado la unidad de procesamiento de señal dual de la cámara ISP, que puede proporcionar el funcionamiento de una cámara con una resolución de 32 megapíxeles a una velocidad de cuadro de 24 FPS, o un par de cámaras de 13 megapíxeles a 30 FPS.

Además, en el nuevo SoC, se han realizado modificaciones destinadas a una respuesta más rápida y una mejor calidad de AF. Ahora, el retraso entre dos cuadros cuando se dispara es inferior a 0,2 segundos, se admiten varios modos de enfoque automático: constante, láser y contraste. Para obtener imágenes de mejor calidad, existe la posibilidad de aplicar postprocesamiento utilizando nuevas unidades de hardware: un sistema de reducción de ruido, algoritmo de des mosaico y nitidez en tiempo real.

Entre otras tecnologías avanzadas de procesamiento de imágenes, observamos: soporte de hardware para configuraciones de un par de cámaras para crear imágenes estéreo, soporte ZigZag HDR para grabar video HDR en resolución 4K, un sofisticado algoritmo de reducción de ruido para datos de video basado en información de varios cuadros, un motor de hardware para detectar caras (cara detección), etc.



Un ejemplo de posprocesamiento de hardware es la imitación en tiempo real de la profundidad de campo, similar a la imagen de las cámaras SLR con matrices grandes. Este efecto ha sido bastante común en dispositivos móviles durante mucho tiempo, pero siempre se realizó mediante el procesamiento posterior de software, y el nuevo sistema en chip Helio X20 es la primera solución móvil con una vista previa del efecto de simulación de la profundidad de campo en tiempo real.

Quizás uno de los factores más importantes al grabar videos es la estabilización de la calidad. En el caso de los teléfonos inteligentes, la mayoría de las veces desprovistos de hardware de estabilización en forma de trípodes y steadicams, la estabilización de software de la imagen que elimina los artefactos de movimiento en el marco se convierte en tal método. El sistema basado en el chip Helio X20 utiliza tecnologías avanzadas de estabilización de imagen para mejorar los datos de video, utilizando datos de giroscopios para proporcionar los mejores resultados.

Competitividad de la decisión del segmento de precio superior


Para resumir. El Helio X20 utiliza un diseño innovador de tres clústeres con diez núcleos de CPU de 64 bits para varios propósitos, los dos más potentes son capaces de operar a frecuencias de hasta 2.5 GHz, hay un nuevo núcleo gráfico de ARM: 40% más productivo en comparación con la GPU Helio X10, un módem celular de tercera generación integrado en el sistema en chip con soporte para redes LTE categoría 6 y CDMA2000, lo que le permite trabajar en redes móviles en todo el mundo, características multimedia ricas: soporte para pantallas de 120 Hz y cámaras de varios megapíxeles con avanzada procesamiento en tiempo real y más.

Todo esto convierte a Helio X20 en un excelente competidor incluso para soluciones de una industria tan grande como Qualcomm. Comparar diferentes sistemas en un chip no es fácil, pero el Helio X20 es en muchos aspectos mejor que el Snapdragon 620 (MSM8976). El chip MediaTek se produce de acuerdo con la tecnología de proceso de 20 nm en TSMC, por lo tanto, en igualdad de condiciones, tiene un menor consumo de energía con un mayor rendimiento en tareas comunes, y el rendimiento del núcleo de gráficos en el nuevo MediaTek también debe ser mayor que el del Snapdragon 620. Además, el X20 ofrece algunas características que Snapdragon no tiene, incluido el soporte para pantallas de 120 MHz, decodificación de hardware de datos de video de 10 bits, cámaras de 32 megapíxeles, etc.

Lo único que es difícil de evaluar es la diferencia en el rendimiento para configuraciones de CPU tan diferentes. El Helio X20 en sí tiene más núcleos de procesador, pero el Snapgradon 620 tiene cuatro A72 más potentes frente a un par en el chip MediaTek, aunque funcionan a una frecuencia más alta. En general, la frecuencia de los núcleos de CPU del clúster senior a 2.5 GHz es muy impresionante, porque se logró utilizando la tecnología de proceso de 20 nm de TSMC, a pesar de que ARM planificó tales frecuencias para el Cortex-A72 solo teniendo en cuenta los procesos técnicos FinFET de 14/16 nm.

Según las condiciones, en la práctica, tanto el sistema en chip MediaTek como Qualcomm pueden ser más rápidos, todo dependerá del tipo de carga. Pero la solución de MediaTek definitivamente debería ser más económica. Por el momento, los resultados del nuevo SoC de la compañía se ven muy bien en puntos de referencia comunes como GeekBench 3 y Antutu, superando notablemente en velocidad los populares sistemas Snapdragon 810 y Exynos 7420.







Y con el consumo de energía del nuevo sistema en chip MediaTek, todo está en orden: con la operación activa de la parte del módem, consume en promedio un 30% menos de energía que Helio X10 y aproximadamente un 40% menos de energía en tareas multimedia. Si utiliza comparaciones más detalladas, entonces, en el "modo de vuelo", el X20 consume un 18% menos de energía, al representar el "escritorio", en un 24%, al reproducir MP3 en un 55%, durante la grabación de video en formato H.265 en resolución 4K a 30 FPS - en un 37%, cuando reproduce un video en formato H.265 (también 4K a 30 FPS) - en un 28%, en juegos simples que ahorran hasta un 40%, y al transmitir datos a través de una red LTE móvil - 30-40% .

Incluso en comparación con la solución MT6755, mucho menos productiva, que está un paso por debajo de la línea de la compañía, el nuevo sistema basado en chips Helio X20 consume un promedio de 6-9% menos energía, todas las demás cosas son iguales: renderizando el escritorio - 4% menos , reproducir un archivo MP3 es un 26% menos, al grabar video y reproducir video en formato H.264, el consumo del nuevo SoC es un 5-6% menos, y en juegos y transferencia de datos en un 5-10%.

Hoy en día, mediante la combinación de características técnicas y parámetros, el sistema en chip Helio X20 se ve mejor que muchos competidores fuertes en su nicho, incluidos los modelos móviles en chip conocidos como Snapdragon 620 y 810. Al menos Helio "en papel" El X20 se ve muy impresionante, y será interesante ver cómo funcionará en la práctica el diseño de tres grupos.

Queda por aclarar el último punto: el momento en que los teléfonos inteligentes basados ​​en el sistema en chip Helio X20 deberían aparecer en el mercado. Se espera que las primeras muestras de SoC aparezcan a fines de este año, y los productos terminados basados ​​en este chip saldrán a la venta en el primer trimestre del próximo año; en este momento, los fabricantes de teléfonos inteligentes planean completar todas las etapas de preparación para la producción industrial.
El hecho de que el nuevo sistema de chip en el sistema de gama alta de MediaTek resultó ser exitoso también muestra el interés de varios fabricantes de teléfonos inteligentes conocidos que van a utilizar el procesador Helio X20 de diez núcleos en sus dispositivos futuros. Probablemente, incluirán HTC, Meizu, Lenovo, Sony, LG, Xiaomi y otros.

¡Gracias por la atención!

Source: https://habr.com/ru/post/es382439/

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