Analyse der neuen Arm-IP: Der Energieverbrauch ist aufmerksamkeitswert, und die Aussichten für die kleinen Kerne sind besorgniserregend.
In den letzten Tagen hat Arm in Shanghai die Arm UNLOCKED Summit abgehalten und offiziell das Arm Lumex Compute Subsystem (CSS) für mobile Geräte vorgestellt.
Was ist das Lumex CSS? Am einfachsten ausgedrückt, ist es eigentlich ein "Marketingkonzept" von Arm. Das Lumex CSS umfasst zumindest das neue CPU-Architekturdesign der C1-Serie, das GPU-Architekturdesign der G1-Serie, das C1-DSU-Design für den Kernbus sowie einige andere Designs für periphere System-IPs, alles in einem "Paket".
Es ist darauf zu achten, dass das Lumex CSS nicht gleichbedeutend mit einer vollständigen SoC-Architekturlizenz ist, da es selbst viele für mobile Plattformen übliche und essentielle Komponenten wie NPU, Basisband, Power Management und ISP nicht enthält. Dies ist auch der Grund, warum viele Leute aufklärten, dass "selbst wenn man die vollständige Arm CSS kauft, man noch nicht direkt ein Mobiltelefon-SoC herstellen kann", als das Konzept "Arm CSS" Anfang des Jahres erstmals die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit erregte.
Aus den derzeit im Netz kursierenden Informationen geht hervor, dass die großen Hersteller in der Branche im Wesentlichen auf der Grundlage von Arm-Architekturen und sogar Befehlssatzlizenzen für die Weiterentwicklung tätig sind. Daher hat das Lumex als "offizielles Standardmodell" im Wesentlichen die gleiche Bedeutung wie in der Vergangenheit und richtet sich hauptsächlich an kleine und mittlere Chiphersteller mit eingeschränkten Eigenentwicklungskapazitäten.
Aber auch wenn dies der Fall ist, bedeutet dies nicht, dass das veröffentlichte Lumex CSS für Freunde, die sich für die Mobiltelefonbranche interessieren und neugierig auf die nächste Generation von mobilen Geräteplattformen sind, ohne Bedeutung ist. Denn wenn man sich die Inhalte genauer ansieht, kann man viele interessante Dinge entdecken, die es wert sind, besprochen zu werden.
Das Namenskonzept der Produkte hat sich stark geändert, aber die tatsächlichen Effekte sind noch abzuwarten
Zunächst hat das Arm Lumex CSS, wie bereits erwähnt, neue CPU- und GPU-IPs enthalten. Und anders als in der Vergangenheit, als Arm oft nur die großen Kerne aktualisierte und die kleinen Kerne nicht ersetzte, haben sie diesmal nicht nur alle CPU- und GPU-Architekturen erneuert, sondern auch das gesamte Namenssystem der Produkte stark verändert.
Genauer gesagt hat Arm vier neue CPU-IPs vorgestellt, nämlich die C1-Ultra, C1-Premium, C1-Pro und C1-Nano.
Betrachtet man die Positionierung, repräsentiert die C1-Ultra den "Superkern" in einem Flaggschiff-SoC, der die Position der heutigen Cortex-X925 einnimmt.
Die C1-Premium repräsentiert den "zweitbesten Kern". Arm erklärt, dass ihre Architektur der des Superkerns entspricht, aber der Cache kleiner ist und sie mit einer Dichtelib (also einer niedrigeren Taktfrequenz, aber auch einem niedrigeren Energieverbrauch) hergestellt wird. Mit anderen Worten, sie ist eigentlich die "Offizialisierung" der Cortex-X4m, die MediaTek früher verwendet hat, und wird nun als eigene CPU-Produktlinie geführt.
Die übrigen C1-Pro und C1-Nano sind leicht zu verstehen. Sie übernehmen die Produktpositionierungen der Cortex-A725 und Cortex-A520.
Zur gleichen Zeit hat Arm auch die GPU-IP-Familie "Mali G1" vorgestellt. Zwischen der einfachsten Version und der hochwertigsten Version besteht kein Unterschied in der Architektur, sondern nur in der Anzahl der Shaderkerne. Die Anzahl der Kerne kann zwischen 1 Kern und 24 Kernen angepasst werden und wird je nach Anzahl der Kerne in mindestens drei Ebenen, nämlich G1-Ultra, G1-Premium und G1-Pro, unterschieden.
Aber hier hat Arm weder die genauen Unterschiede in der Anzahl der Kerne zwischen den einzelnen Versionen erwähnt, noch erklärt, ob es eine Einsteigerversion "G1" oder "G1-Nano" gibt.
Die Leistung der neuen IPs hat sich im Allgemeinen verbessert, aber der Energieverbrauch ist zu beachten
Betrachtet man das Namenskonzept, ist es offensichtlich, dass Arm mit dieser neuen Produktlinie ihre "neue" und "von der Vergangenheit abweichende" Identität betonen möchte. Andererseits soll das neue Namensschema der IPs im Vergleich zur früheren dreistelligen Namensgebung die "Generationsunterscheidung" nach zukünftigen Erneuerungen deutlicher machen. Zum Beispiel wird man in Zukunft schnell erkennen können, dass G2, G3 neuer sind als das aktuelle G1. Tatsächlich ist es einfacher, die "Neuheit" im Vergleich zu der Namensgebung wie X925, A710, A520 zu unterscheiden.
Aber diese Namensgebung von Arm bringt auch ein Problem mit sich, nämlich dass es für die Verbraucher schwieriger ist, die Leistungsunterschiede zwischen Kernen der gleichen Generation intuitiv zu beurteilen. Ja, die C1-Ultra ist sicher viel schneller als die C1-Nano, aber wie viel schneller? Dies ist schwieriger zu beurteilen.
Und selbst im Vergleich zu den Vorgängermodellen hat Arm nicht vollständig die Leistungsverbesserung der neuen IPs erklärt.
Zum Beispiel behaupten sie, dass die IPC (Leistung pro Taktzyklus) der C1-Ultra im Vergleich zum Vorgänger "Superkern" Cortex-X925 um 12 % und die Mikroarchitekturleistung um 26 % verbessert ist.
Aber Arm hat keine genauen Daten zur Leistungsverbesserung der C1-Premium im Vergleich zum Vorgänger "zweitbesten Superkern" angegeben. Dies könnte daran liegen, dass die X925 selbst keine zweitbesten Varianten hat und man nur die X4m der vorgängervorgänger Generation zum Vergleich heranziehen kann. Es ist auch möglich, dass die Verbesserung der neuen zweitbesten Architektur nicht so groß ist und die Vergleichsdaten nicht so gut aussehen.
Im Vergleich dazu haben sie die Daten zur Leistungsverbesserung der C1-Pro genauer angegeben. Laut Arm verbraucht die C1-Pro bei gleicher Leistung um 26 % weniger Energie als die Cortex-A725. Bei gleichem Energieverbrauch ist die Leistung der C1-Pro um 11 % höher als die der Cortex-A725. Wenn beide auf die gleiche Taktfrequenz eingestellt sind, kann die Leistung der C1-Pro um bis zu 16 % höher sein als die der Cortex-A725.
Aus diesen drei Datensätzen kann man erkennen, dass der Energieverbrauch des neuen C1-Pro-Großkerns bei gleicher Taktfrequenz tatsächlich etwas höher ist als der der Cortex-A725. Aber da die Leistungsverbesserung größer ist, ist die Energieeffizienz dennoch gestiegen.
Zuletzt ist da der "Kleinkern" C1-Nano. Arm hat die Leistungsdaten dazu ausführlicher angegeben, aber leider zeigt sich aus diesen Daten, dass die Verbesserung des C1-Nano nicht hauptsächlich auf der Leistung liegt, sondern eher in der Verringerung der Fläche, des Energieverbrauchs und der Unterstützung des neuesten Befehlssatzes.
Laut Arm hat der C1-Nano im SPECint2017 eine um etwa 5,5 % höhere Gesamtpunktzahl als die Cortex-A520. Bei der Verarbeitung desselben Programms hat er eine um 26 % höhere Energieeffizienz.
Zuletzt ist da die Mali G1-Ultra GPU. Arm hat angegeben, dass ihre Leistung in Benchmark-Software und Spielen im Vergleich zur Vorgängergeneration (G925) um 20 % verbessert ist und der Energieverbrauch pro Frame um 9 % gesenkt wurde. Wenn man die Berechnung macht, kann man feststellen, dass der Gesamtenergieverbrauch tatsächlich um etwa 9,2 % gestiegen ist. Glücklicherweise kann die Raytracing-Leistung der G1-Ultra doppelt so hoch sein wie die der Vorgängergeneration. Für zukünftige "Raytracing-intensive" Mobilspiele kann sie dennoch eine weit über 20 % höhere Bildwiederholrate erzielen.
Die neuen Flaggschiffsmobiltelefone werden bestimmt schneller sein, aber das Schicksal der Einsteigerversionen ist ungewiss
Nach all diesen Erklärungen, was bedeutet diese neue Architektur von Arm für die kommende neue Generation von Smartphones und SoCs?
Zunächst muss man beachten, dass weder in Arm's Planungen noch in den derzeit kursierenden Gerüchten die neue Flaggschiffsmobile Plattform den "Kleinkern" C1-Nano verwenden wird. Laut Arm könnte das Spitzenflaggschiff zwei C1-Ultra in Kombination mit sechs C1-Pro verwenden. Wir schließen nicht aus, dass Hersteller die Anzahl der "Mittelkerne (C1-Pro)" reduzieren und mehr "zweitgrößte Kerne (C1-Premium)" hinzufügen, um eine höhere Punktzahl zu erzielen.
Betrachtet man die vorherige Analyse und die Trends in der Branche in den letzten Jahren, wird, wenn die N3P-Technologie von TSMC nicht erneut "überragend" performt, der Spitzenenergieverbrauch der neuen Flaggschiffplattformen auf der Grundlage der neuen CPU und GPU wahrscheinlich weiter steigen, anstatt zu sinken, da die Hersteller wahrscheinlich die Spitzentaktfrequenz der Flaggschiff-SoCs weiter erhöhen werden.
Natürlich muss man sich nicht sorgen, denn die IPC der neuen Architektur hat sich tatsächlich verbessert. Dies bedeutet, dass in Szenarien außerhalb der Benchmarks, einschließlich anspruchsvoller Spiele, solange kein neues "Leistungsmörder" auftritt, die tatsächliche Betriebsfrequenz des neuen Flaggschiffs sicher niedriger sein wird als die der heutigen Plattformen. Infolgedessen wird die Energieeffizienz im täglichen Gebrauch sicherlich deutlich verbessert werden, und es ist sogar möglich, dass der Energieverbrauch bei anspruchsvollen Spielen weiter sinkt.
Im Vergleich dazu ist man eher besorgt über die rein auf dem C1-Nano basierenden Niedrigenergiegeräte. Obwohl die gegenwärtigen Beweise zeigen, dass die neue Architektur im Vergleich zur Cortex-A520 tatsächlich verbessert ist, ist die Leistungsverbesserung offensichtlich viel geringer als die der anderen "Großkerne". Andererseits besteht die Gefahr, dass Softwareentwickler, Chiphersteller und sogar zukünftig Arm möglicherweise immer weniger "Motivation" haben, die kleinen Kerne zu verbessern, da immer mehr Flaggschiff- und zweitbesten Plattformen die kleinen CPU-Kerne "ablehnen".
Man muss bedenken, dass in der Apple Watch von Apple die CPU-Architektur, die die Uhr antreibt, bereits das "Sawtooth"-Konzept aus dem Energieeffizienzkern des A16 ist, also eine verkleinerte Version des "Mittelkerns (die Positionierung ist näher an der A725 oder dem heutigen C1-Pro)". Für die gängigen Konsumelektronikprodukte ist der Ausstieg der reinen Niedrigenergie-"Kleinkerne" wahrscheinlich nur eine Frage der Zeit.