Laptopy z ARM-em bliżej niż myślisz: rdzeń Cortex-A72 wygrywa z Broadwellem Intela

Przedstawione podczas tegorocznego ARM Tech Day dane na pierwszyrzut oka nie wydają się zapowiadać jakiejś wielkiej rewolucji.Konstrukcja nowego rdzenia nie odbiega od jego poprzednika, rdzeniaCortex-A57, stosowanego m.in. w nowych procesorach Exynos iSnapdragon, a także rosyjskich czipach Bajkał. Na każdym etapie widaćjednak optymalizacje, które doprowadziły do takiego wzrostuwydajności rdzenia, że projektanci ARM mają odwagę porównywać go donowych konstrukcji Intela.

Cortex-A72 to przede wszystkim znacznie większa wydajnośćpojedynczych wątków. Na frontendzie pojawił się nowy predyktorrozgałęzień kodu, mający o nawet 50% ograniczyć błędne przewidywaniaw porównaniu do poprzednika. Wprowadzono także możliwość jegoobejścia dla obciążeń roboczych, w których się nie sprawdza.Usprawniono dekoder instrukcji; choć to wciąż trzy pasma, tozastosowano optymalizacje poszerzające jego przepustowość, w tymłączenie poleceń z 64-bitowej listy rozkazów. Udało się też znaczniezmniejszyć zużycie energii dla tej fazy pracy. Największy przyrostwydajności nowy rdzeń zawdzięcza jednak zmianom w backendzie.Radykalnie pomniejszona jednostka wysyłająca rozbija połączone przezdekoder polecenia na mikrooperacje dla jednostek wykonawczych, robiącz trzech pasm pięć. Zmniejszenie liczby dekodowanych jednostkowychinstrukcji zwiększa przepustowość dekodera, finalnie zwiększającliczbę mikrooperacji tworzonych przez jednostkę wysyłającą iwykonywanych w ciągu cyklu.

Za wykonywanie rozkazów odpowiadają nowe zmiennoprzecinkowejednostki SIMD o skróconej długości potoku i co za tym idzie,zmniejszonych opóźnieniach, oraz ulepszone jednostki stałoprzecinkoweo zwiększonej przepustowości. Interesująco wygląda także jednostkaładowania i przechowywania danych dla pamięci podręcznej, którejprzepustowość wzrosła aż o jedną trzecią, oraz same pamięci podręczneL1 i L2 (ta ostatnia współdzielona między maksymalnie czteremardzeniami), które też mają przynieść ogromny wzrost wydajności.Wszystkie te fizyczne ulepszenia poszczególnych blokówlogicznych przekładają się bezpośrednio na zwiększenieenergooszczędności pracy procesora i zmniejszenie jego rozmiarów, copozwala ograniczyć utraty energii związane z prądami upływu.

I to właśnie w energooszczedności ARM widzi przede wszystkimsposób na wzrost wydajności, mający pozwolić na budowanie na bazieCortexa-A72 nie tylko flagowychsmartfonów, ale też wydajnych tabletów, ultrabooków i konwertowalnychurządzeń hybrydowych, oraz urządzeń sieciowych i mikroserwerów. Zbenchmarków przeprowadzonych przez Konsorcjum wynika, że możemyspodziewać się ograniczenia zużycia energii o nawet 75% dlaniektórych obciążeń roboczych dla rdzeni wykonanych w procesach 14/16nanometrów i 50% dla rdzeni wykonanych w starszym procesie 28 nm. Wpołączeniu z architekturą big.LITTLE i lekkimi rdzeniami Cortex-A53,pozwolić to ma na zmniejszenie średniego zużycia energii przezprocesor o 40-60%.

Dzięki mniejszej powierzchni itak znacząco zmniejszonemu zużyciu energii, Cortex A-72 będzie wstanie osiągnąć o ok. 10% większą maksymalną częstotliwość taktowania odpoprzednika, nawet do 2,7 GHz. Możemy spodziewać się też o 20-60% większejliczby instrukcji wykonywanych w jednym cyklu niż w A-57. Z takimiwynikami ARM zdecydował się porównać procesory ze swoimi rdzeniami dopropozycji Intela dla rynku ultramobilnego, czipami Core-M – ijak widać w scenariuszach, w których dysponujemy ograniczonymbudżetem energetycznym i możliwościami odprowadzania ciepła, nowyCortex radzi sobie bardzo dobrze. Czip Intela wciąż wygrywa tam,gdzie energii nie brakuje i jest gdzie odprowadzić ciepło, ale gdyprzychodzi porównać wydajność na zasilaniu akumulatorowym wultracienkich komputerach, projekt Konsorcjum osiąga porównywalnewyniki – zużywając przy tym o 75% mniej energii.

Te wyniki dotyczą oczywiście referencyjnych konstrukcji, którychzwykły Kowalski nigdy nie dotknie, ale jak do tej pory firmy takiejak Samsung były w stanie z planów tworzonych przez ARM budowaćjeszcze wydajniejsze rdzenie. W obronie Intela trzeba jednakpowiedzieć, że pierwsze procesory z rdzeniami A72 trafią na rynek napoczątku przyszłego roku, kiedy to „niebiescy” powinnimieć w ofercie pierwsze układy na bazie mikroarchitektur Skylake iWillow Trail, zapewne znacznie poprawiające wyniki obecnychprocesorów Core i Atom. Dojdzie wówczas do ciekawej sytuacji wsegmencie ultralekkich komputerów osobistych, gdy konsumenci będąmogli wybierać między pracującymi może i całą dobę na jednymładowaniu laptopami z ChromeOS-em czy Ubuntu, a urządzeniamipracującymi pod kontrolą Windows – które ładować trzeba będzieznacznie częściej. Pozostaje oczywiście też pytanie, czy w końcu nie doczekamy się mitycznych już MacBooków z procesorami ARM.