ARM tillkännager Cortex-A7, ett strömsnålt prestandaalternativ

Ett problem många läsare på NordicHardware känner till allt för väl är att smartphones ibland kan kännas som strömslukande monster som konstant måste sättas på laddning. ARM erbjuder nu en ny Cortex-kärna för licensering som ska bli både ett strömsnålt alternativ, men även en minst lika viktig del för prestandajägarna därute.

Vad som har hänt på PC-marknaden för åratal sedan, har även börjat inträffa på smartphonemarknaden när vi talar om processorerna som används. Vad vi pratar om är att strömförbrukningen nåt en punkt, som vi ogärna vill eller kan överskrida. På PC-marknaden handlar det ofta om att det krävs kraftigare nätaggregat och bättre kylning, samt att det svider när elräkningen faller ned i brevlådan. I bärbara datorer handlar det delvis om vilken kylning man får plats med, men även att få ut så lång batteritid som möjligt. I en smartphone är kylningen oftast extremt minimal och nästan icke-existerande, i jakten på tunnare och mindre telefoner. Men även batteritiden blir lidande av dessa högpresterande prestandakretsar, speciellt då det är dåligt med utrymme för ett stort batteri.

Ett sätt att kringgå problemet är att röra sig mot en flerkärnig arkitektur, något NVIDIA var först med på smartphonemarknaden med Tegra 2 som kom med två kärnor klockade till 1 GHz. Sedan dess har vi sakta börjat klättra mot två kärnor på 1,2 GHz. Att gå från en till flera kärnor fungerar, och att ta till nyare tillverkningsprocesser också men även dessa tillvägagångssätt har en viss gräns sett till vad vi kan åstadkomma.

Tegra 3/Kal-El från NVIDIA får ses som väldigt nytänkande, och lägger dessutom grunden för dagens artikel. Kal-El blir den första fyrkärniga ARM-processorn, och dessutom den enda på 40nm. Men det är även den första som har ett heterogent tänkande bakom sig med en femte, lågpresterande kärna att ta hand om bakgrundsapplikationer.

• Nvidia Kal-El får fem Cortex-A9 kärnor – För lägre energiförbrukning

Det här tar oss till dagens nyhet, med ARM Cortex-A7 som är tänkt att bygga på samma princip som NVIDIA:s femte kärna. Men Cortex-A7 ska även kunna användas som huvudprocessor i en systemprocessor, dessutom väntas den bli strömsnålare och ta upp mycket mindre kretsyta än både Cortex-A8 och A9. Detta samtidigt som den ska komma med prestanda liknande Cortex-A8

Cortex-A7 blir företagets mest strömeffektiva design hittills och är inte alls lika avancerad som Cortex-A15, eller för den delen Cortex-A8. A8 lanserades 2003 och var en väldigt syntetiserbar-arkitektur – den med andra ord lätt att integrera i sina egna systemprocessorer för att snabbt få ut den på marknaden. Problemet är att om man vill nå högre klockfrekvenser med A8 krävs massor extralogik vilket automatiskt gör att utvecklingstiden blir längre, och det tar längre att få ut en produkt på marknaden. Att en design är syntetiserbar betyder också att man mycket enklare kan byta tillverkningsprocess från en tillverkare till en annan. Exempelvis från TSMC till GlobalFoundries och vice-versa, eller att hoppa över från 45/40nm till 28nm inom en kort tidsrymd.

A7 är däremot en fullt syntetiserbar-design på alla sätt och vis, något som eliminerar ovanstående problem. Designen inriktar sig på prestanda, samtidigt som man ska få ned strömförbrukningen och kretsytan. Designen är även mindre avancerad än sin storebror A8, och en A7-kärna ska vara mindre än 0.5 mm² på en 28nm-tillverkningsprocess. Men trots detta så tror sig ARM ha en processorkärna som överlag kommer ha ungefär samma IPC (Instructions per cycle) som A8 och i många fall högre. Detta då Branch Prediction och dess Data Prefetcher ska ha stora förbättringar, samt att A7 får en mycket kortare Pipeline Depth på åtta, mot tretton i A8. A7 blir även 100% ISA-kompatibel (Instruction set architecture) med A15 men även med äldre ARM-arkitekturer. Man går även tillbaka till en In-Order-design med A7, något som även används i A8.

Prestandan på A7 väntas ligga över A8 i prestanda som tidigare nämnt, och ovan har man jämfört A8 mot Cortex-A7. En tvåkärnig A7 på 1,2 GHz väntas alltså lägga sig strax över dagens smartphones med två kärnor. A7 väntas även bli mer än fem gånger så strömeffektiv än Cortex-A8, men värt att nämna är att man jämför A8 på 45nm mot A7 på 28nm. Men sådan strömeffektivitet kan inte enbart komma från en ny tillverkningsprocess. Nedan har vi uppskattad prestanda mätt i DMIPS/MHz (Dhrystone Million instruction per second per Megahertz) som mer får ses som en fingervisning på den prestanda samtliga arkitekturer har.

Dhrystone ger endast en mycket grov översikt över prestandan, och som tidigare nämnt förväntar sig ARM att Cortex-A7 kommer prestera bättre än Cortex-A8 i de allra flesta fallen.

ARM gör en NVIDIA Kal-El och kallar det för big.LITTLE

Men Cortex-A7-arkitekturen har ett högre ändamål än att vara en ersättare till den åldrande Cortex-A8. Cortex-A15 kommer att bli ett riktigt stort steg för ARM sett ur prestandasynpunkt. A15 väntas vara mer strömeffektiv än A9, även om A15 väntas dra mer ström under belastning kan den snabbare och effektivare än A9 slutföra en beräkning. ARM har dock argumenterat om tidigare att stora Out-Of-Order-arkitekturer är väldigt ineffektiva på att ta hand om mindre krävande belastningar. Det är här A7:ans ISA-kompatibilitet med A15 kommer in i bilden, för att bygga en mer heterogen-design mycket likt vad NVIDIA:s femte kärna innebär i Kal-El.

Att båda kärnor är fullt ISA-kompatibla med varandra betyder att båda kan utföra samma typer av beräkningar och uppgifter. Tanken är att man nu ger sina klienter möjligheten att köpa licens på både den kraftfulla A15, och den strömsnåla A7 och använda båda i en och samma systemprocessor. Vad ARM är ute efter är att alla typer av lättare belastning, eller bakgrundsapplikationer ska kunna köras på A7-kärnan, exempelvis som att spela upp musik, se på film, Email-synkronisering, synkronisering av sociala medier (Facebook, Twitter m.m) eller att spela lättare spel. Medan de starka A15-kärnorna ska sköta resterande och mer krävande uppgifter som med krävande speltitlar, eller att surfa på hemsidor med mycket material. Detta kallar man för en big.LITTLE-konfiguration. Cortex-A7 är LITTLE, och Cortex-A15 är big två udda par som tycker om att arbeta tillsammans.

I exemplet ovan har man en systemprocessor med två A15 och två A7-kärnor. Operativsystemet ser bara att det finns två kärnor, och ARM:s egna energihantering bestämmer vilket kärn-kluster som ska vara aktivt. Så när det körs bakgrundsapplikationer, eller helt enkelt lättare applikationer så kommer A7-kärnorna att utföra jobbet och dra mindre ström. Medan om det kommer till krävande applikationer så kommer operativsystemet – precis som med vilken processor som helst, att efterfråga ett högre p-state-läge. Då kommer systemprocessorn automatiskt att byta över till det kraftfullare A15-klustret. Samstämmigheten i cache-minnet ses över av en CCI-400 Coherent Interconnect.

Om det fungerar som utlovat kommer det helt enkelt att fungera utan optimeringar eller mjukvarustöd i operativsystemet, exakt som NVIDIA lovar med sin femte kärna i Kal-El. ARM har lagt till som fotnot, att SoC-tillverkare kan göra det mögligt att använda både A7 och A15-kärnor samtidigt, men då måste självklart operativsystemet optimeras för detta och vara medveten om de olika kärnor som sitter i.

Cortex-A7 kommer att dyka upp solo i billigare smartphones

Men Cortex-A7 blir inte exklusivt en kompanjon-kärna till Cortex-A15. ARM kommer att erbjuda A7 i konfigurationer från en till fyra kärnor som primär processor, likväl som kompanjon i en big.LITTLE-konfiguration. ARM väntar sig att det kommer SoC-designer baserade på A7 i billigare smartphones (runt 1 000 kr) redan i slutet av nästa år. Man förväntar sig även att dessa billiga smartphones kommer med två Cortex-A7-kärnor. Det är endast i utvecklingsländer man tror det kommer att komma enkärniga systemprocessorer baserade på A7.

På grund av kostnadsskäl väntas dessa billiga systemprocessorer till billiga smartphones byggas på 40nm, då 28nm kommer vara för dyrt som budgetalternativ. Överlag kan man inte säga så mycket annat än att Cortex-A7 är en riktigt spännande arkitektur. Den kommer att ge oss högre prestanda i billigare produkter, samtidigt som den högst troligen kommer att förlänga batteritiden även i kommande prestandainriktade smartphones med Cortex-A15.

Men inte minst är detta ytterligare ett steg mot en heterogen-arkitektur, där man använder flera olika typer av dedikerade kretsar för att uppnå det vi alla eftersträvar: Högre prestanda, med lägre strömförbrukning!