تشریح کامل عملکرد و بررسی هسته ARM Cortex A73؛ فرزند دوباره متولد شده الهه ی شکار (قسمت پایانی)

در قسمت اول این مقاله ابتدا پیشینه ای از خصوصیات هسته های پردازنده شرکت ARM را بررسی کرده و بعد از آن به معرفی هسته جدید Cortex-A73 پرداختیم و در قسمت دوم  ریز معماری Artemis را به صورت دقیق بررسی نمودیم. حال در  آخرین برگ از بررسی این هسته، به مقایسه هسته A73 با نسل های قبلی و بیان وجوه تمایز آنها خواهیم پرداخت. پیشنهاد می‌کنم برای درک هر چه بیشتر قدرت این هسته جدید، مطالعه این قسمت را از دست ندهید.

همه ویژگی ها بهبود یافته اند

به بیان ساده باید بگوییم که A73 در همه ی زمینه ها از هسته های پیشین خود یعنی A72 برتر و بهینه تر است. برای مثال اگر بستر آزمون (بنچمارک) تخصصی BBench که یک سرویس بنچمارک بر پایه وب است را به عنوان مقیاس در نظر بگیریم، شاهد بهبود 10 درصدی عملکرد A73 به نسبت A72 در یک فرکانس کاری و یک شرایط عملکردی یکسان خواهیم بود.

در بخش اجرای دستورات به صورت SIMD و NEON (برای کدک FFMPEG) نیز عملکرد هسته های جدید تا 5 درصد بهتر شده است که به نظر این بهبود اثر جانبی از زیر سیستم های بهتر مدیریت حافظه هستند. البته خود عملکرد حافظه و ارتباط با آن نیز بالاترین نرخ بهبود را با عملکرد تا 15 درصد بهتر به نسبت A72 همراه خواهد داشت.

عملکرد هسته A73 در بعضی بنچمارک ها مشابه نسل قبل است

البته در بعضی موارد هم شاهد این هستیم که در بنچمارک های خاصی مانند Dhrystone عملکرد A73 کمی ضعیف تر از A72 است ولی شرکت ARM قول داده است که در بنچمارک های مهمی مانند SPEC علی رغم تنزل دیکدر ها از 3 قسمتی به 2 قسمتی، همچنان بتوان عملکرد مشابهی به نسبت A72 را از A73 دید. این حالت دقیقاً مشابه اتفاقی است که در سالیان گذشته بین دو چیپست A17 و A15 هم افتاد و در آن عملکرد بنچمارک های نامبرده در هر دو هسته تا حد بسیار زیادی مشابه هم بود.

تفاوت عملکرد در توان مصرفی

اما از آنجا که با هسته های مخصوص پردازنده های موبایل روبرو هستیم باید برای مبحث توان اهمیت زیادی قائل باشیم. در حالت عادی برای انجام فرآیند های پردازشی عدد صحیح تا 25 درصد و برای انجام فرآیند های پردازشی ممیز شناور و عملیات مربوط به سطح 2 حافظه کَش تا 30 درصد بهبود توان مصرفی را شاهده هستیم و ARM این ادعا را به صورت کلی منتشر کرده است که A73 حداقل 20 درصد توان مصرفی کمتری را در یک پردازش ثابت و با فرکانس هسته ثابت، به نسبت A72 خواهد داشت. البته علاوه بر این ARM اعلام کرده است با استفاده از تکنیک های جدید کنترل سخت افزاری زمان بندی های لازم برای تحریک گیت ترانزیستور های ساختار پردازنده، میزان مدیریت مصرف توان در حالت عملکرد عادی سیستم یا به اصطلاح، توان مصرفی پویا هسته ها نیز تا حد بسیار زیادی کاهش پیدا خواهد کرد.

تغییر در اندازه فیزیکی سطح تراشه

به صورت کلی وقتی که از یک تکنولوژی ساخت و یک لیتوگرافی مشابه استفاده شود، ساختار هسته ی تشکیل شده ی نهایی برای A73 به صورت کلی تا 25 درصد کوچکتر از A72 خواهد بود. علی رغم اینکه A72 هنوز هم برای پیاده سازی در ساختار های پردازشی بسیار کوچک است، A73 لیتوگرافی آینده را هدف گرفته و به وسیله ی آن و استفاده از لیتوگرافی 10 نانومتری، تولیدکنندگان قادر خواهند بود تا تراشه هایی بسیار نازک تر را بسازند که نتیجه ی آن اشغال هر چه کمتر فضا توسط تراشه پردازنده و چیپست خواهد بود. همانطور که در قسمت های قبلی این مقاله هم به شما دوستان گفتیم، این مورد باعث می‌شود تا طراح اسمارت فون بتواند محصول نهایی را در ابعاد کوچکتر و البته نازک تری تولید کند.

این مورد به خودی خود بهترین بهبود برای ابزارهای میان رده به حساب می‌آید. برای مثال اگر یک ساختار big.LITTLE به صورت 2 هسته Artemis و 4 هسته A53 ترکیب شوند، یکی از بهینه ترین و بهترین ساختار ها برای ابزارهای میان رده ایجاد خواهد شد. طی سال گذشته ساختارهای بسیار زیادی از ترکیب 4+4 که در آنها از Cortex A53 به عنوان هر دو کلاستر big و LITTLE استفاده شده بود (مانند MediaTek Helio X10) را مشاهده نمودیم که همگی از یک مشکل بسیار بد رنج می‌بردند و این مشکل عملکرد گهگاه با لگ هسته های کلاستر big بود که در آن از هسته های A53 در فرکانس بالاتر استفاده شده بود.

اما از چندی پیش که ساختار های بهبود یافته ای مانند Snapdragon 650  و Snapdragon 652 توسط کوالکام عرضه شدند، دیدیم که با جایگزینی هسته های A53 با هسته های A72 این مشکل به صورت کامل رفع شد و چیپست های بسیار قدرتمندی برای استفاده در دستگاه های میان رده موبایل تولید شدند که در بعضی موارد می‌توانستند دستگاه های رده بالا و پرچمدار 8 را به راحتی پشت سر بگذارند.

حالا در ساختار جدید ARM ساختار 2*A73+4*A53 را ارائه خواهد کرد که می‌تواند به جای ساختار 4*A53+4*A53 مورد استفاده قرار بگیرد و در عین حال همان فوت پرینت (چینش اتصالات و پایه های SoC) را حفظ کند. این ساختار در واقع همان ابعاد نسل قبلی را خواهد داشت (که هزینه تمام شده آن برای تولید کننده را هم یکسان نگه خواهد داشت) و در عین حال علاوه بر بهبود عملکرد تک رشته ای، در عملکرد چند هسته ای (چند رشته ای) نیز به شدت بهینه شده و بهبود خواهد داشت.

نکته جالب دیگر در مورد A73 این است که می‌توان از آن در ساخت پردازنده ها در لیتوگرافی ها و تکنولوژی های قدیمی تر مانند 28 نانومتری نیز استفاده کرد ولی همانطور که در این مجموعه راجع به مزایای بی شمار لیتوگرافی های کوچکتر صحبت کردیم، بهتر است سازندگان تراشه ها هر چه بیشتر به سمت لیتوگرافی های جدید تر بروند. در همین قسمت هم ما دوباره می‌بینیم که علی رغم رویکرد مصرف پایین توان، ARM توانسته کارآیی بسیار خوبی را ارائه دهد. برای مثال در A73 شما می‌توانید فرکانس هسته را تا 2.8 گیگاهرتز بالا ببرید و فقط توانی تا 750 میلی وات را مصرف کنید.

البته اینگونه به نظر می‌رسد که این فرکانس و مصرف توان، یک حالت محافظه کارانه دارد و نمیتوان اطمینان داشت که سازندگان تراشه ها از آن پیروی کنند. در واقع این احتمال وجود دارد که با توجه به پتانسیل های لیتوگرافی 10 نانومتری، فرکانس هایی تا 3 گیگاهرتز نیز برای ساخت هسته ها مورد استفاده قرار بگیرد که این مورد چندان هم خطرناک و غیر عقلانی نخواهد بود. برای مثال به این نکته دقت کنید که پردازنده ای که بتواند در فرکانس 2.8 گیگاهرتز و لیتوگرافی 16 نانومتری کار کند، حتماً خواهد توانست در فرکانس های بالاتر از این در لیتوگرافی های پایین تر مانند 14 و 10 نانومتری بدون مشکل کار کند. البته همه این موارد به هدف و سیاست سازنده مربوط خواهد شد و اینکه سازنده بتواند به پیاده سازی فیزیکی  نزدیک به پکیج در پکیج (PoP) شرکت ARM برسد؛ درست مانند اتفاقی که در چیپست HiSilicon Kirin 950 دیدیم و هواوی برای رسیدن به استاندارد ها مجبور به کاهش فرکانس شد تا چیپ نهایی به ساختار استاندارد دست یابد.

سخن پایانی

در حالت کلی تصمیم ARM برای پیاده سازی ریز معماری Artemis در هسته A73 بسیار لازم و قابل درک است. هسته های big این شرکت نیاز به بهبود ساختاری مناسبی داشتند که در هر دو زمینه توان و کارآیی به وجود آید. A72 اولین قدم رو به جلو در این راه بود که A73 نیز قدم دیگر و البته به عنوان مستحکم کننده این قدم در این راه خواهد بود. در آینده نیز ما باید از ARM انتظار داشته باشیم که به سمت ریز معماری های وسیعتری حرکت کند که نیاز به افزایش فرکانس تا اعداد بالاتر را کاهش دهد.

در این راه چیپست تحسین برانگیز HiSilicon  Kirin 950 را می‌توانیم به عنوان یکی از بزرگترین پیشرفت ها و تغییر دهنده بازی تلقی کنیم که با درک صحیح و تحلیل ریز معماری ARM در A72 توانست به عملکرد بسیار مناسبی در مدیریت توان مصرفی دست یابد و برای اولین بار به نمودار های ایده آلی که ARM از قدرت هسته های متبوعش منتشر کرده نزدیک شود.

اگر A73 بتواند همه ی اهداف در نظر گرفته شده را محقق کند، خواهد توانست عاملی باشد که سازندگان بزرگی مانند سامسونگ و کوالکام دوباره روی به استفاده از هسته های این شرکت آورند و به جای توسعه بیشتر هسته های اختصاصی رده بالای خود قرارداد های خرید لایسنس جدید را با ARM امضا کنند. در این میان البته اپل ادعای بسیار بزرگی را مطرح کرده و در محافل غیر رسمی اعلام شده که اپل با چیپست بعدیش قدرت بسیار بیشتر از چیپست های حال حاضر شرکت ارائه خواهد داد و به این ترتیب نیازی به هسته های جدید ARM ندارد. در واقع هم سامسونگ و هم کوالکام با هسته های Mogoose و Kryo خود، به سختی توانسته اند به حدی از کارآیی و مدیریت توان مصرفی برسند که در حال حاضر ARM در آن قرار دارد و شاید استفاده از هسته های بر پایه Artemis بتواند برای آنها انتخاب خوبی باشد تا بسیاری از مشکلات خود را رفع کنند.

ARM این مورد را اعلام کرده است که پردازنده های بر پایه A73 اواخر سال جاری میلادی عرضه خواهند شد و قطعاً ابزارهای بسیار زیادی را خواهیم دید که در نیمه اول سال آینده عرضه می‌شوند و از چیپست هایی قدرت می‌گیرند که داخل آنها پردازنده ای با هسته های A73 ساخته خواهد شد.

در نهایت باید بگوییم که ایجاد ساختار جدید و طراحی A73 حرکتی بسیار خوب از ARM بوده است و افق روشنی را بعد از عملکرد نا موفق سال گذشته برای شرکت تصویر خواهد کرد که در آن کارآیی بیشتر که همیشه مطلوب تولید کنندگان و مصرف کنندگان بوده است قابل دسترس خواهد بود.

*پایان*

تشریح کامل عملکرد و بررسی هسته ARM Cortex A73 (قسمت اول)

تشریح کامل عملکرد و بررسی هسته ARM Cortex A73 (قسمت دوم)

منابع:  ARM.com، AnandTech، Pdadb.net، Register.co.uk