ARM: ve stínu, ale stále silnější

Novinky architektury ARM - 16nm a 64 bitů

V případě ARM už dnes víme, co bude následovat v příštím roce a možná už na konci tohoto roku. ARM společně s TSMC už má vzorky 16nm jádra Cortex A57. Možná právě na tomto základu bude AMD představovat své nové Opterony. Podobný krok možná někoho překvapí, pro různé levnější systémy může být ARM vhodnou alternativou. Navíc ARM přidává 64bitovou podporu, takže ARM Cortex A53/57 jsou již 64bitová jádra.

ARM si interně označil ARM Cortex A57 jako Atlas a nižší Cortex A53 jako Apollo (jakoby nestačil samotný dost výmluvný název). Právě tato dvě jádra mají nahradit ARM Cortex A15 a Cortex A7, které známe ze současných zařízení. Obě jádra jsou 32bitová a trend zvyšování potřeby adresovatelné paměti začne být během několika málo let problém také u mobilních zařízení (vždyť už dnes mají některé telefony 2 GB paměti).
ARM začne zřejmě protlačovat strategii big.LITTLE, kdy spolupracuje na jenom SoC jedno výkonné jádro, které má také vysoká nároky na spotřebu, a malé jádro, které neoplývá výkonem, ale zato exceluje v provozních vlastnostech. Proto taky samostatně ARM uvádí ARM Cortex 57 a 53, kde druhé jmenované je právě oním menším jádrem. Podobnou strategii zvolil již třeba Samsung. Osobně se mi podobný systém nelíbí, protože zařízení se pak pod zátěží mají tendenci nehezky zahřívat (byť na hranici povoleného TDP) a zkracuje se tím rapidně životnost vnitřních součástí a obrazovky. Nicméně, telefony jsou dnes spotřební záležitost a někteří je dokonce obměňují každý rok nebo dokonce půlrok.

ARM ale k řešení přistoupilo poměrně chytře, takže operační systém bude moci dynamicky přepínat mezi jádry podle aktuálních naplánovaných úloh. V praxi to tedy může vypadat tak, že při hraní her nebo surfování po webu budete využívat silnějšího jádra Cortex A57 (alternativně dvojice nebo čtveřice jader) a v případě užívání čistě uživatelského prostředí pro ovládání telefonu nebo psaní zpráv budete zase využívat jediné jádro Cortex A53. Teoreticky SoC složený z dvojice jader Cortex A57 a dvojice jader Cortex A53.

ARM Cortex A57

Co se týká architektury, tak Cortex A57 je v podstatě vylepšené jádro Cortex A15 s 64bitovou podporou. Architektura jako taková je stále 3-issue se stejnou pipeline (15 stages). ARM podle všeho zvětšil šířku NEON exekučních jednotek, které by nyní měly být 128bitové. Přidal rovněž podporu pro IEEE-754 DP FP (formát pro operace s plovoucí desetinnou čárkou). ARM tvrdí, že Cortex A57 by měl být o 20-30% rychlejší při 32bitových operacích. V případě 64bitových operací se můžeme dočkat dalšího zrychlení, které zřejmě reprezentuje přiložený graf, kterým se nás ARM snaží přesvědčit o možnostech nového jádra.
Jak jsem naznačil v úvodu, tak AMD hodlá pro své Opterony využít pravděpodobně Cortex A57. ARM v tomto případě umožňuje kombinaci až 16 těchto jader, což by mohlo být pro prostředí serverů dostatečné. Všechna jádra navíc mohou využívat jediné L2 cache, která může v případě serverového nasazení podstatně větší než bývá zvykem u mobilních SoC. Jaký by mohl výkon ve srovnání se dnešními špičkovými procesory Intelu si neodvažuji ani odhadnout.

ARM Cortex A53

Menší z obou nových jader bude svými dispozicemi spíše v roli zmiňovaného sekundárního jádra, které bude přebírat běžné úlohy systému, kdy není potřeba speciálního výkonu. ARM Cortex A53 je ve své podstatě následovníkem jádra Cortex A7, ale opět jako v minulém případě přidává podporu 64 bitů. Jinak toto menší jádro má stejnou pipeline (8-stages). Cortex A53 je ISA kompatibilní s větším a silnějším Cortex A57, takže jejich společná integrace na jediném SoC nebude nejmenší problém. ARM prohlašuje, že také toto jádro bude možné nasadit v serverovém světě, otázkou asi zůstává proč a za jakým účelem.

Jako třešničku na dortu ARM uvádí, že toto menší jádro disponuje stejným výkonem jako velmi rozšířené jádro Cortex A9, a to vše při využití stejného výrobního procesu (32nm). Při těchto podmínkách je ovšem navíc Cortex A53 o 40% menší. Pokud bychom srovnali 16nm (Cortex A53) výrobní proces s 32nm u Cortex A9, pak bude rozdíl ještě podstatně větší a nové jádro bude při srovnatelném výkonu vypadat oproti starší generaci jako trpaslík u obra. ARM se v případě Cortex A53 vydalo cestou optimalizace a zjednodušení designu. Apple využil v případě svého Swiftu něco podobného, když se soustředil na paměťové rozhraní a dokázal toto jádro posunout na zcela jinou úroveň. Navíc zvýšení výkonu se nebude týkat u Cortex A53 pouze celočíselných výpočtů, ale také operací s plovoucí desetinnou čárkou.

SoC založená na jádrem Cortex A57/53 bude mít nejen vyšší výkon, ale bude moci obsluhovat současně 32bitový a 64bitový kód. Příkladem může být 64bitový operační systém a 32bitové aplikace, což je poměrně známý úkaz ze světa běžných PC. Někdy v těchto týdnech či dnes se dá očekávat, že společnosti jako Samsung nebo AMD od ARM dostanou právě tato dvě nová jádra, respektive architektury, aby s nimi mohly dále pracovat. AMD se bude zřejmě soustředit na vícejádrové Opterony pro servery a Samsung na své obligátní SoC pro novou generaci telefonu a tabletů.
Jaký výrobní proces bude u této nové generace nasazen, se zdá být jasné vzhledem k tomu, že již před několika měsíci ARM a TSMC ohlásili funkční samply na 16nm. Původní předpoklad byl 28/20nm, ale v tomto případě se mi to již nezdá pravděpodobné. AMD může v úplné poklidu stihnout vydání svých nový serverových procesorů a Samsung je dostatečně schopný na to, aby 8-10 měsíců nechal vzniknout nové generaci Samsung Galaxy S5(?) a dalším produktům založeným na této architektuře.