[Tecnologia e Futuro] Tutto quello che vorreste sapere sui nuovi SoC di fascia alta

Nell’ultimo articolo di dicembre della rubrica “Tecnologia e Futuro” ci salutammo con la promessa di un ritorno, che si sarebbe verificato non appena qualche innovazione degna di nota fosse giunta sul mercato. Per fortuna le aziende tecnologiche deludono raramente e, grazie anche al recente Mobile World Congress, oggi abbiamo finalmente una lista corposa di novità da approfondire.

Crediamo di affrontare un argomento di sicuro interesse per lettori, in particolare, parlando della nuova generazione di SoC di fascia alta che è alla base dei dispositivi più innovativi mostrati alla fiera catalana. Data la mole dell’argomento abbiamo deciso di dedicare una sezione ad ogni chip e, in via sperimentale, di ricorrere ad una smart list per evitare che la pagina diventi sovraffollata (ogni parere riguardo questa soluzione è gradito!).

Oggi analizzeremo dunque il potente Qualcomm Snapdragon 820, il campione di casa Samsung Exynos 8890, il recente Kirin 950 ed il nuovo deca-core Mediatek Helio X20. Resisteremo invece alla tentazione di parlare anche di Snapdragon 650 (incontrato in occasione della recensione di Redmi Note 3 Pro) e Snapdragon 652 che, pur vicini alla fascia più elevata per prestazioni e tecnologie, sono considerati di fascia media dal produttore. Nelle conclusioni, infine, confronteremo le prestazioni di questi SoC nei più comuni benchmark sintetici.

Snapdragon 820

Non potevamo che iniziare dall’ultimo nato di casa Qualcomm, al quale la società americana si affida per cancellare il ricordo di una prima generazione di SoC high-end a 64 bit non troppo riuscita. L’arma segreta di questo chip è il nuovo core Kryo che, come il vecchio Krait di Snapdragon 800, è stato sviluppato internamente per assicurare prestazioni superiori a quanto ottenibile con i core Cortex A57 e A72 offerti in licenza da ARM.

Il ritorno ai core proprietari segna l’addio di Qualcomm all’approccio big.LITTLE (utilizzato su Snapdragon 810) e la scelta di un nuovo percorso verso il calcolo eterogeneo: al posto di utilizzare quattro core ottimizzati per elevate prestazioni ed altrettanti pensati per il risparmio energetico, l’azienda ha preferito ridurre leggermente i consumi di una coppia di core “big” agendo su frequenze massime e cache integrate (approccio cSMP).

Lo Snapdragon 820 utilizzato nella variante da 64 GB di Xiaomi Mi 5, ad esempio, possiede un cluster principale composto da due core Kryo con clock massimo di 2154 MHz e cache L2 da 1 MB ed una seconda coppia di core basati sulla stessa architettura che lavorano ad una frequenza massima di 1593 MHz con soli 512 KB di L2 condivisa (il SoC è quindi quad-core).

L’assenza di una cache L3 a monte dei due cluster rende relativamente dispendioso lo scambio di dati tra i due gruppi di core, e lega ulteriormente le capacita prestazionali ad un’assegnazione efficiente dei processi. Per questo motivo Qualcomm ha introdotto il Symphony System Manager che, grazie anche ad eventuali indicazioni inserite dal programmatore (tramite l’opportuno SDK) riguardo ai core da utilizzare e le relative frequenze, dovrebbe bilanciare in maniera ottimale capacità di calcolo e consumo energetico.

Dobbiamo notare, comunque, che l’architettura Kryo sembra pensata per abbattere la dipendenza di prestazioni ed efficienza dalla presenza di un codice ben ottimizzato. L’uso di due cluster relativamente simili, ad esempio, riduce l’importanza dello scheduler, mentre diverse scelte architetturali (come quella di favorire basse latenze evitando di contare troppo sull’approccio superscalare) consentono di mantenere sempre elevato l’IPC.

All’atto pratico questo atteggiamento ha portato alla creazione di un core in grado di garantire ottime prestazioni che, tuttavia, in alcuni scenari può rivelarsi inferiore a quanto offerto dalla concorrenza. Il confronto tra Kryo e Cortex A72, ad esempio, sulla carta non vede un chiaro vincitore, con il core ARM che predilige i calcoli sugli interi e quello Qualcomm favorito sul floating point.

Quest’ultimo dettaglio ci ricorda che i SoC Snapdragon sono da sempre sbilanciati verso il calcolo multimediale (FP intensive), e che anche questa volta l’azienda americana ha puntato molto sul comparto grafico. La GPU Adreno 530 integrata in Snapdragon 820, infatti, batte facilmente la concorrenza per specifiche e potenza , tanto da sembrare sovradimensionata per l’uso in uno smartphone.

Qualcomm purtroppo è molto gelosa delle tecnologie utilizzate nelle sue soluzioni, e non possiamo di conseguenza dirvi con precisione quali siano le innovazioni che distinguono l’architettura della nuova GPU da quella dell’Adreno 430 di Snapdragon 810. Sembrerebbe, comunque, che il numero di ALU sia salito da 192 a 256, e parte dell’aumento di prestazioni è sicuramente dovuto anche alle frequenze operative più elevate. Secondo l’azienda americana, comunque, la nuova Adreno 530 è compatibile con OpenCL 2.1, Direct3D 12, OpenGL ES 3.2 e con le nuovissime API Vulkan.

L’aumento del numero di ALU è stato possibile grazie all’uso del processo produttivo FinFET LPP a 14 nm che, grazie ad una maggiore densità di transistor rispetto ai processi più obsoleti, ha consentito anche di apportare numerose migliorie ai coprocessori integrati nel SoC.

Numerose funzionalità, quindi, saranno gestite direttamente dal DSP Hexagon 680, che è pensato per garantire il massimo dell’efficienza alla gestione dei sensori (ad esempio per le funzioni contapassi o per il posizionamento assistito) e al calcolo vettoriale tipico degli scenari multimediali (grazie a Hexagon Vector eXtensions, che sfrutta un’architettura VLIW e SIMD).

L’ISP Spectra, poi, ora supporta l’autofocus ibrido (che può sfruttare le tecnologie a contrasto, a phase detection e laser per velocizzare e migliorare la messa a fuoco), fino a tre sensori a 14 bit (uno frontale e due posteriori) e include nativamente algoritmi di ricostruzione 3D per acquisizioni multi-sensore. Grande attenzione è stata inoltre dedicata alla ripresa video, che adesso può essere effettuata in 4K (ben inferiore, comunque alla risoluzione di 25 Megapixel permessa dall’ISP per le foto) con l’ausilio di LLV (low light video, algoritmo dedicato alle condizioni di scarsa illuminazione) e di touch to track.

La risoluzione Ultra HD, d’altra parte, è anche quella massima supportata dal Display Processing Unit e dal Video Processing Unit, con il secondo che è in grado di decodificare filmati H.264 e H.265 in questa risoluzione a 60 fps. Non manca infine EcoPix, una tecnologia proprietaria dedicata alla riduzione dei consumi dei display.

La lunga lista delle caratteristiche tecniche di questo SoC si conclude, infine, con l’implementazione di Quick Charge 3.0 (che permette allo smartphone di negoziare con il caricatore una tensione tra i 3.6 Volt ed i 20 Volt con step di soli 200 mW) e del modem X12, compatibile con WiFi ac MU-MIMO (bande a 2,4 GHz e 5 GHz), WiFi ad (60 GHz) e LTE cat. 12/13 (600 Mbps in download e 150 Mbps in upload).

Questo modem supporta inoltre il dual sim dual active, il carrier aggregation su tre blocchi da 20 MHz, LTE-U su frequenze non registrate  e dispone della tecnologia proprietaria Trusignal (pensata per migliorare la qualità del segnale radio).

Exynos 8890

Se lo Snapdragon 820 vanta una scheda tecnica davvero imponente, anche il suo rivale di casa Samsung ha tutte le carte in regola per conquistare la vetta del mercato. Basato sullo stesso processo produttivo FinFET LPP a 14 nm, Exynos 8890 si differenzia dal rivale americano per l’uso dello schema big.LITTLE, che vede quattro core Cortex A53 (sotto licenza ARM) affiancati da altrettanti core M1 sviluppati nel centro di Austin (Texas) dal colosso coreano.

A livello architetturale, comunque, sembra che i nuovi core proprietari siano abbastanza simili ai Cortex A72, tanto da lasciar intuire un legame tra i due design: le pipeline si assomigliano per numero e stadi, suggerendo che il core ARM sia servito da modello per lo sviluppo di M1.

Possiamo supporre, di conseguenza, che la differenza di IPC tra le due architetture sia piccola, e che la maggior parte dei vantaggi del core proprietario siano dovuti alla sua buona capacità di lavorare a clock elevati.

I core big, infatti operano ad una frequenza massima di 2.60 GHz, che scende a 2.29 GHz quando è richiesta la cooperazione di più di due M1 in contemporanea, mentre i quattro Cortex A53 hanno un clock di 1.586 GHz e la GPU può operare a 650 MHz.

Riguardo quest’ultimo componente dobbiamo notare che Samsung, affidandosi ancora una volta alle tecnologie ARM, ha preferito aumentare il numero di shader core (saliti a 12 dagli 8 di Exynos 7420) diminuendo, allo stesso tempo, la frequenza operativa.

Ci aspettiamo che la GPU Mali T880 MP12 utilizzata su Exynos 8890 si dimostri, in conseguenza di questa scelta, decisamente più efficiente rispetto alla Mali 770 del predecessore ma leggermente meno performante della controparte Qualcomm. Non ci dilungheremo oltre nell’elencare le caratteristiche di questa GPU (già analizzata in occasione della presentazione da parte di ARM) ma vi ricordiamo solo che supporta OpenGL ES 3.2, OpenCL 1.2, OpenVG 1.1, Direct3D 11.2 e Vulkan.

Purtroppo anche Samsung non è tra le aziende più espansive, e molti dettagli della suo ultimo SoC sono ancora poco noti. Sappiamo, comunque, che il colosso coreano ha sostituito il CCI Corelink di ARM con il suo Samsung Coherent Interconnect, e che in alternativa al Quick Charge è presente la tecnologia proprietaria Adaptive Fast Charging (il caricatore originale di Galaxy S7 Edge ad esempio supporta al massimo 9 Volt a 1.67 Ampere).

Non manca, infine, il supporto agli schermi 4K, e la codifica e decodifica di video H.264 e H.265 in questa risoluzione è garantita dalla presenza dell’efficientissimo DSP MFC (Multi Format Codec) . Il modem Shannon, infine, è LTE cat. 12/13 con carrier aggregation 3×20 (600 Mbps in download e 150 Mbps in upload) e sulla carta ha poco da invidiare a quello utilizzato su Snapdragon 820.

Kirin 950

Sviluppare un core proprietario è sicuramente molto costoso, tanto che anche un’azienda come Huawei (che pure ha le spalle finanziariamente molto larghe) ha preferito affidarsi ad ARM per le tecnologie alla base dei suoi SoC. Hisilicon Kirin 950 si basa infatti su quattro core Cortex A72 ed altrettanti A53 per il comparto CPU, disposti in configurazione big.LITTLE e operanti rispettivamente alla frequenza massima di 2.3 GHz e 1.8 GHz.

Il colosso cinese, poi, ha scelto di utilizzare le tecnologie dell’azienda britannica anche in diversi altri punti critici del proprio SoC: il DSP Sensor Hub i5 è basato su architettura Cortex M7, i cluster sono collegati dal CCI Corelink 400 (versione non recentissima) e la GPU è una Mali T880 MP4.

Quest’ultimo elemento può contare su soli 4 shader core e, nonostante i 900 MHz massimi di frequenza operativa, rappresenta una delle debolezze più evidenti del SoC impedendogli di competere ad armi pari sul versante grafico con gli avversari americani e coreani.

A questo punto dobbiamo chiarire come il basso numero di shader core non sia dovuto ad un processo produttivo di qualità insufficiente (Huawei si affida al 16 nm FinFET+ di TSMC), quanto dal desiderio dei cinesi di mantenere bassi i costi produttivi.

La scarsa potenza grafica è quindi figlia di una scelta consapevole del colosso asiatico e, a causa delle frequenze operative elevate della GPU, ha un impatto negativo anche sull’efficienza del SoC.

La personalizzazione di Huawei è più evidente sul fronte del doppio ISP e dei DSP, totalmente rinnovati rispetto a quanto visto sul predecessore Kirin 935. Il nuovo PrimISP, ad esempio, ora può gestire i sistemi di messa a fuoco ibridi, mentre la tecnologia Tensilica alla base del DSP video IPV32 e di quello audio HiFi 4 promette buone prestazioni ed elevata efficienza.

Per quanto riguarda la ripresa di filmati, infine, notiamo la risoluzione massima si ferma al FullHD (1080p @60Hz con codec H.264), inferiore ai 4K disponibili per la riproduzione di video H.264 e H.265.

La scheda tecnica di questo SoC si conclude con la presenza di un modem integrato Balong che, nonostante il supporto a WiFi ac MU-MIMO (2.4 GHz e 5 GHz) e Bluetooth 4.2, delude per le scarse velocità di picco su rete mobile, ferme a quelle tipiche di LTE cat. 6 (300Mbps in download). La mancanza di una tecnologia di ricarica rapida proprietaria, infine, lascia ai singoli produttori la scelta di integrare o meno questa funzione nei loro dispositivi.

Helio X20

Mediatek non è sicuramente tra le aziende più note ai consumatori occidentali, ma chi segue il mondo mobile cinese sa bene che il chipmaker rappresenta ormai un punto di riferimento indispensabile per molte piccole realtà produttive orientali, sempre più abituate ad affidarsi alle sue tecnologie per affrontare con successo il mercato.

Il vero punto debole di questa azienda, come forse saprete, è la cronica mancanza di prodotti di fascia alta sufficientemente prestanti da combattere ad armi pari con la concorrenza americana e coreana. Noto agli addetti ai lavori come MT6797, il SoC Helio X20 è nato proprio per rispondere a questa antica esigenza ed ascendere al pantheon dei SoC più potenti ed efficienti.

Per affrontare questa sfida il chipmaker cinese ha optato per una via totalmente opposta a quella seguita da Qualcomm, dedicando molte attenzioni alla CPU ed integrando una GPU sottodimensionata.

Questo SoC può infatti contare su un totale di 10 core, disposti secondo uno schema a tre cluster (chiamata Max.Mid.Min dall’azienda) che riprende ed espande il concetto di architettura big.LITTLE: i compiti meno pesanti sono svolti di primi quattro Cortex A53 operanti a 1.4 GHz, i carichi medi sono svolti da un secondo cluster identico ottimizzato per lavorare a 2.0 GHz e i calcoli più gravosi sono svolti con l’ausilio dei due potenti core Cortex A72 da 2.5 GHz massimi.

Questo approccio permetterebbe in teoria di migliorare sia l’efficienza del SoC (i core più energivori entrerebbero in funzione solo quando strettamente necessario) che, grazie all’uso di più cluster in contemporanea, la capacità di calcolo massima.

Quest’ultima possibilità, tuttavia, potrebbe essere in parte ostacolata da limiti di dissipazione termica e, se non abbiamo problemi ad immaginare scenari dove i due cluster meno potenti lavorano in sinergia, riteniamo poco realistico un uso simultaneo e prolungato di tutti i dieci core.

La discutibile scelta di affidarsi ad un processo produttivo oggi obsoleto quale il 20 nm di TSMC, poi, rende ancor più importante il ruolo svolto dalla tecnologia di risparmio energetico CorePilot 3.0, ideata per ottimizzare i consumi complessivi (agendo sulle frequenze e spegnendo i core inutilizzati), per verificare che il power budget ed il thermal budget non vengano superati e per smistare in modo ottimale i processi a seconda delle necessità prestazionali.

Il dialogo tra i cluster, infine, è reso possibile dal MediaTek Coherent System Interconnect (MCSI, forse basato su Corelink 550), vero cuore dell’architettura Max.Mid.Min.

Se il fronte general purpose Helio X20 appare innovativo e potenzialmente molto efficiente, sul versante grafico questo SoC è decisamente meno interessante. La GPU è infatti una Mali T880 MP4, simile a quella già vista in Kirin 950 ma operante ad una frequenza di 700 MHz (inferiore quindi a quella scelta dai diretti concorrenti). Non ci possiamo dunque aspettare prestazioni sbalorditive da questo componente, che già sulla carta appare più debole di tutti i suoi diretti avversari.

Ben diversa è la situazione in tutti gli altri comparti, che vedono la presenza di un DSP basato su Cortex M4 e di un doppio ISP con capacità di sintesi 3D e supporto a sensori da 32 Megapixel.

La codifica di filmati 4K in formato H.265 con HDR e la decodifica in H.264, H.265 e VP9 sono poi accelerate via hardware, mentre stona decisamente la mancata compatibilità con le memorie DDR4.

Il modem, per concludere, supporta nativamente WiFi ac (limitato a 280 Mbps, banda 2.4 GHz e 5 GHZ) e, analogamente a Kirin 950, è certificato LTE cat.6 con carrier aggregation di due blocchi da 20 MHz (300 Mbps in download e 50 in upload). La funzione di ricarica rapida, infine, è assicurata dalla tecnologia proprietaria Pump Express Plus che permette tensioni  fino a 12 Volt e correnti fino a 4.5 Ampere.

Confronto prestazionale e conclusioni

I pochi lettori che hanno letto per intero questo articolo avranno sicuramente un’idea su quali possano essere le prestazioni dei SoC fin qui analizzati, ma siamo certi che non saranno solo i più impazienti a gradire i grafici sui punteggi ottenuti con i più comuni benchmark sintetici.

Prima di procedere oltre, tuttavia, dobbiamo avvisarvi che i dati riguardo Helio X20 sono leaked e, nonostante siano sufficientemente realistici, potrebbero non essere pienamente corrispondenti alla realtà. Non appena giungerà in redazione uno smartphone basato su questo SoC, comunque, provvederemo ad aggiornare le immagini.

 Come atteso Snapdragon 820 (Xiaomi Mi 5) mostra da subito le proprie potenzialità negli scenari caratterizzati dall’utilizzo di un solo core ma subisce impotente la concorrenza in multi-core. Interessante la lotta tra Kirin 950 (Huawei Mate 8) ed Helio X20: grazie alle superiori frequenze operative dei suoi Cortex A72 quest’ultimo vince facilmente nel single-core, ma il primo riesce a recuperare terreno nei calcoli paralleli.

Questo comportamento, inatteso nello scontro con deca-core, è spiegabile pensando alle RAM obsolete supportate dal chip Mediatek, alla sua maggiore necessità di gestire la potenza termica sviluppata e (sopratutto) al maggior numero di Cortex A72 presenti nel SoC prodotto da Huawei.

Il test di Antutu è fortemente dipendente dalla potenza delle GPU, e inizia a mostrare la debolezza della Mali T880 MP4 integrata in Kirin 950 ed Helio X20. Decisamente positivo, invece, è il giudizio su Exynos 8890 che (grazie sopratutto all’elevato numero di shader core) tiene testa al rivale di casa Qualcomm.

GFXbench, infine, mostra la desolante inferiorità del comparto grafico di Kirin 950. Dato che Helio X20 utilizza la stessa GPU (operante tra l’altro a frequenze minori) ci aspettiamo, inoltre, che il SoC Mediatek non riesca ad ottenere prestazioni distanti da quelle del suo avversario cinese.

Grazie a questi benchmark, in definitiva, possiamo dire che Samsung dispone probabilmente del SoC più equilibrato, mentre Qualcomm (che domina la concorrenza in scenari single-core e per potenza della GPU) è nella posizione di recuperare la fiducia dei consumatori persa a causa di Snapdragon 810.

Le aziende cinesi, infine, pur competendo ad armi pari con la concorrenza nel comparto CPU sono pesantemente sconfitte in quello grafico, mostrando che i primi della classe sono lontani ma non irraggiungibili.

Chiudiamo questo articolo ricordando che i dati mostrati indicano solo prestazioni di massima riferite a scenari ideali, e che le scelte dei produttori (sia software che hardware) hanno spesso un ruolo importantissimo nel permettere ai SoC di esprimere tutte le loro potenzialità.

Vi consigliamo quindi di non affidarvi eccessivamente alla forza dei brand, prestando attenzione all’eventuale lancio di prodotti con SoC operanti a frequenze diverse da quelle standard (non a caso si parla già di MT6797T e Kirin 955) e verificando la reale bontà dei dispositivi attraverso le nostre recensioni!