Nell'ultimo decennio i processori ARM hanno segnato una vera e propria rivoluzione nel mondo dei semiconduttori. L'ampia diffusione dei dispositivi mobili ha richiesto una rapida adozione di questa architettura, particolarmente ben ottimizzata per l'utilizzo a basso consumo energetico ad alte prestazioni. ARM ha recentemente presentato il suo nuovo design e set d'istruzioni, evolvendo sotto diversi aspetti la popolare ma ormai datata ARMv8.2. In particolare sono stati annunciati tre nuove soluzioni per le CPU ed altrettante per le GPU, basate sulla nuova architettura ARMv9.
Tra i principali vantaggi di questa evoluzione ci sono ovviamente gli aumenti nelle performance generali con la relativa riduzione dei consumi energetici ed un notevole incremento nelle prestazioni legate al machine learning. Si tratta dunque di un importante passo in avanti, che porterà ad un ulteriore crescita del settore mobile, senza trascurare le numerose altre applicazioni dei processori ARM ed il recente debutto nel settore dei computer con i processori di Apple e Qualcomm.
Cos’è ARM?
ARM è un'azienda che da diversi decenni progetta architetture dedicate alle unità di calcolo. Recentemente è stata inglobata sotto NVIDIA in quella che molti esperti del settore hanno definito la più grande acquisizione nel mondo dei semiconduttori.
Ma perché ARM svolge un ruolo così importante nell'elettronica moderna? Il suo successo odierno deriva principalmente dal settore mobile, dove l'architettura ARM è ampiamente diffusa. ARM infatti progetta esclusivamente il design interno del processore, l'architettura ed il set di istruzioni, vendendo poi questa proprietà intellettuale su licenza ad altre aziende. Questo permette a clienti come Qualcomm, Samsung e Apple di realizzare il proprio chip personalizzato ad alta efficienza e con ottime prestazioni, affidandosi successivamente ad un produttore esterno come TSMC per la realizzazione fisica.
Se paragonati con le unità di calcolo x86 prodotte principalmente da AMD e Intel, i processori ARM offrono un set d'istruzioni più moderno e semplice chiamato RISC (Reduced instruction set computer). Nonostante sia in grado di svolgere solamente operazioni più semplici, suddividendo quelle complesse, riesce ad ottenere lo stesso identico risultato dell'architettura x86. Il vantaggio però si vede nell'area occupata dal silicio (e quindi dalle dimensioni dei chip) e dai consumi ridotti a parità di potenza di calcolo. Risulta essere quindi evidente la superiorità nel campo dell'elettronica mobile, dove le caratteristiche dell'architettura ARM soddisfano a pieno le esigenze di tali dispositivi.
Un altro vantaggio dell'architettura ARM è rappresentato dalla loro rapida evoluzione e la possibilità di essere ottimizzata specificatamente per ogni tipo di applicazione. ARM continua a proporre nuove soluzioni sia per le CPU che per le GPU.
Successivamente in questo articolo andremo a vedere proprio quali saranno le novità che ci attendono nei prossimi mesi su questo fronte. Tali cambiamenti potranno essere adottati direttamente dai vari produttori come quelli sopra citati per produrre i loro chip dedicati a smartphone, tablet, smartwatch e anche computer. Apple nell'ultimo anno ha infatti portato con successo i processori ARM anche all'interno dei computer fissi e portatili con il loro chip M1.
Questo evidenzia ancora una volta l'estrema versatilità dell'architettura, in grado di raggiungere prestazioni elevate in base suddivisione delle operazioni di calcolo. Progettare un chip affinché possa dare il massimo in una specifica applicazione è estremamente facile con l'architettura ARM. Anche i cosiddetti supercomputer utilizzano ARM per raggiungere prestazioni da capogiro, proprio grazie all'estrema libertà nella fase di progettazione del silicio.
Qualcomm Snapdragon 7c Gen 2
A sottolineare ancora una volta l'importanza dei processori ARM ci ha pensato Qualcomm con l'annuncio del nuovo processore Snapdragon 7c di seconda generazione. Questo chip rappresenterà il cuore pulsante dei PC Windows di fascia bassa e dei Chromebook. Molti produttori di questi portatili abbandoneranno quindi definitivamente l'architettura x86 caratteristica dei processori AMD ed Intel per passare a quella ARM. Si tratta di un'evoluzione importante, promossa inizialmente da Apple con il passaggio al chip M1 nei propri computer Mac. I continui progressi nell'architettura ARM probabilmente porteranno altri produttori ad avvicinarsi a queste soluzioni, soprattutto per quanto riguarda i notebook.
Qualcomm è la protagonista di questa evoluzione grazie al nuovo processore Snapdragon 7c Gen 2. Stando alle specifiche tecniche ufficiali, questo chip ha una frequenza di clock di 2,55 GHz, rispetto ai 2,4 GHz del modello precedente. Offre anche la connettività LTE integrata per la connessione alle reti mobili da personal computer. Qualcomm inoltre ha promesso una gestione dell'energia in grado di garantire un utilizzo del computer prolungato per più giorni. Il primo dispositivo ad integrare il nuovo processore Qualcomm arriverà quest'estate, mentre Lenovo ha già promesso che il suo primo prodotto con lo Snapdragon 7c Gen 2 arriverà entro la fine dell'anno.
Tre design di CPU ARMv9
ARM ha presentato ufficialmente tre design di CPU per i prossimi chip basati sulla nuova architettura ARMv9. Si tratta di un notevole passo in avanti rispetto ad ARMv8.2, con gradite aggiunte in termini di prestazioni, ottimizzazione delle operazioni legate al machine learning ed in generale sulla sicurezza. Le tre soluzioni proposte coprono le diverse esigenze di calcolo in rapporto con i consumi prodotti.
In un cluster octa-core (la composizione in un unico chip delle tre soluzioni proposte in seguito) garantisce un aumento delle prestazioni del 30%, raggiungendo il 35% per le operazioni e calcoli meno complessi. La composizione classica tra questi nuovi core (personalizzabile a seconda delle esigenze) sarà la seguente: un core Cortex-X2, tre core Cortex-A710 ed infine quattro Cortex-A510. Questo potrebbe portare ad un evoluzione dei chip Qualcomm, Samsung ed Apple. Ad esempio lo Snapdragon 888 utilizza un Cortex-X1, tre Cortex-A78 e quattro Cortex-A55, così come il Samsung Exynos 2100. Entrambi vengono utilizzati nei Samsung Galaxy S21 Ultra, garantendo prestazioni molto simili. Inutile dire che questi Cortex verranno aggiornati con i nuovi design non appena verranno progettati i prossimi chip. Lo Snapdragon 765 invece utilizza ad esempio una configurazione diversa con un prime Cortex-A76, un performance Cortex-A76 e sei efficiency Cortex-A55. In questa configurazione meno prestazionale è stato omesso il Cortex X1, dando la priorità ad altri core per la CPU.
Cortex-X2
Dopo aver visto il primo Cortex-X1 appena l'anno scorso, ARM ha già evoluto il design dei suoi custom core ad altissime prestazioni. Il principale vantaggio di questi core è la loro elevata personalizzazione a seconda delle esigenze. Questo aiuterà i vari clienti come Qualcomm, Samsung ed Apple a progettare i core a seconda delle specifiche applicazioni. Il Cortex-X2 rappresenta anche un notevole traguardo in termini di potenza, migliorando le prestazioni rispetto al suo predecessore del 16% e raddoppiando addirittura quelle legate al machine learning.
Cortex-A710
Il successore del Cortex-A78 invece è stato disegnato per offrire prestazioni superiori nelle situazioni in cui si necessita del massimo della potenza di calcolo senza scomodare l'eventuale presenza dell'X2. Il vantaggio ottenuto da ARM con questo nuovo Cortex-A710 è rappresentato da un aumento delle performance del 10% rispetto al vecchio design. L'efficienza energetica è stata migliorata del 30%, fondamentale per questi core sia in termini di consumi che dissipazione del calore. Raddoppiano anche le prestazioni per le operazioni legate al machine learning, indubbiamente importanti per numerose applicazioni moderne.
Cortex-A510
ARM dopo quattro anni ha deciso di portare delle sostanziali novità anche ai core a basso consumo ed alta efficienza. Questi core chiamati anche LITTLE vengono utilizzati per semplici operazioni per avere dei consumi minimi ad esempio in un dispositivo mobile a batteria. Il nuovo Cortex-A510 riesce a garantire prestazioni superiori del 35%, migliorando anche l'efficienza energetica del 20%. Questa volta le prestazioni in calcoli basati sul machine learning sono state addirittura triplicate.
I design delle GPU ARMv9: Mali
Sul fronte GPU troviamo altre tre soluzioni ben differenziate in termini di prestazioni e consumi. Anche queste si basano sulla nuova architettura ARMv9 per garantire vantaggi simili ai core CPU visti in precedenza. I tre design proposti da ARM sono dedicati a diverse applicazioni a seconda delle esigenze dei clienti e la tipologia di dispositivo prodotto.
Mali-G710
Partiamo dalla GPU più potente in assoluto capace di offrire le migliori performance per i processori ARM. La Mali-G710 avrà delle prestazioni in-game migliori del 20%. Lo stesso miglioramento è presente anche nei consumi, ridotti del 20% per una maggiore durata della batteria. Anche le prestazioni con operazioni legate al machine learning sono aumentate del 35% rispetto alla scorsa generazione di GPU. Sicuramente si tratta della soluzione ideale per le migliori prestazioni grafiche.
Mali-G510
La soluzione intermedia sul fronte GPU è indubbiamente il perfetto bilanciamento tra performance ed efficienza energetica. Scendendo nei dettagli diffusi da ARM, troviamo un miglioramento delle performance del 100% con i consumi ridotti del 22%. Nelle operazioni legate al machine learning in questa Mali-G510 hanno registrato invece un aumento del 100% nelle prestazioni complessive.
Mali-G310
Infine questa GPU entry-level è secondo ARM la più performante mai prodotta. Garantisce delle prestazioni fino a sei volte maggiori nei processi di texturing e delle performance raddoppiate nella gestione della Android UI. ARM assicura anche un'ottima efficienza energetica in questa Mali-G310 per dei consumi veramente minimi.
Disponibilità dei nuovi chip
Le novità introdotte con i nuovi design sono già nelle mani dei clienti ARM. Dopo una fase di studio ed analisi inizieranno dunque a progettare i nuovi chip per poi passare alla fase di produzione presso TSMC o altri produttori. Sarà dunque difficile vedere dei dispositivi con i nuovi chip ARM basati sull'architettura ARMv9 entro il 2021, considerando anche i numerosi problemi emersi durante la pandemia nella catena di produzione dei componenti elettronici. Dal prossimo anno invece ci aspettiamo chiaramente un'adozione di massa di questi nuovi design in tutti i dispositivi mobili come smartphone, tablet e smartwatch. Aumenterà anche l'utilizzo dei chip ARM nei computer, seguendo un po' la filosofia definita inizialmente da Apple e successivamente da Qualcomm con i nuovi processori pensati per i computer fissi e portatili.
