Ausblick: NVIDIA Tegra 2 mit Dual-Core ARM

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nvidia_tegra2NVIDIA hätte die Tegra-2-Plattform gerne etwas früher in den Massenmarkt gebracht, auf der CES im Januar kommenden Jahres soll es nun aber endlich soweit sein. Im Zusammenhang mit den kommenden mobilen Plattformen ist auch immer wieder die Rede von Multi-Core bzw. Dual-Core-Prozessoren - auch bei Tegra 2. Im Vorfeld will NVIDIA nun über die Vorteile von mehr als einem Prozessor-Kern informieren.

Auf dem Desktop arbeiten wir bereits seit 5 Jahren mit Multi-Core-Prozessoren und inzwischen sind wir bei den modernen Modellen bei sechs physikalischen und 12 logischen Kernen angekommen. Im Server Markt bietet AMD auch Prozessoren mit 12 Kernen an.

Bei den Mobiltelefonen, Smartphones und Tablet-PCs gehören sparsame Single-Core-Prozessoren noch zum aktuellen Stand der Technik. Doch Anwendungen wie HD-Video Playback, Multitasking, Web-Browsing mit aufwendigen Elementen und 3D-Spiele verlangen den Prozessoren immer mehr ab. Auch bei der mobilen Hardware ist man also auf der Suche nach einer Lösung, die einen Kompromiss zwischen maximaler Performance und niedrigem Stromverbrauch darstellt. Stichworte sind hier das "Symmetrical Multiprocessing" und "Heterogeneous Multi-Core Computing".

Symmetrical Multiprocessing (SMP)

Symmetrical Multiprocessing stellt den ersten Kompromiss zwischen maximaler Performance und niedrigem Stromverbrauch dar. Drei Punkte sind für das Symmetrical Multiprocessing entscheidend:

Zwei einfache Beispiele sollen das Funktionsprinzip verdeutlichen:

  1. Zwei unterschiedliche Anwendungen, einmal eine Navigation und einmal das Streaming von Audio-Files, laufen gleichzeitig. Das Betriebssystem weist jedem CPU-Kern eine Anwendung zu.
  2. Eine besonders aufwendige Anwendung wird vom Betriebssystem auf beide CPU-Kerne aufgeteilt.

Dies sind nur zwei einfache Beispiele. Auf modernen Smartphones laufen deutlich mehr als zwei Anwendungen (Tasks) und machen die Effektivität eines Multi-Core-Systems besonders deutlich.

Zwei weitere Beispiele eines alltäglichen Anwendungsfalls bringen vielleicht weitere Klarheit. Der einfache Aufruf einer Webseite mit ActiveX- Elementen und JavaScript basierten Menüs sowie zwei Flash-Videos und Flash-Animationen stellt eine enorme Herausforderung für mobile Prozessoren dar. Im Hintergrund laufen meist auch noch weitere Applikationen und sorgen dafür, dass der Single-Core-Prozessor meist mit maximaler Frequenz und somit auch mit maximaler Spannung betrieben wird. Dass dies der Akkulaufzeit nicht sonderlich zuträglich ist, dürfte klar sein.

Tegra2_Single-Core_rs

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Ein Multi-Core-System verteilt diese Tasks auf die in diesem Beispiel verfügbaren zwei Kerne und kann diese beiden mit niedrigerer Frequenz und Spannung betreiben. Das sich daraus dann auch ein niedrigerer Stromverbrauch ergibt, erklären wir später.

Tegra2_Dual-Core_rs

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Mit Tegra 2 wird NVIDIA die erste Dual-Core-CPU im SoC-Design (System-on-a-Chip) vorstellen. Zum Einsatz kommt ein eine optimierte Version der ARM Cortex A9 MPcore Architektur. Darin implementiert sind ARMv7 Instructions-Sets und ein Out-of-Ordner-Architektur. Bei ihr werden Befehle in der Ausführungseinheit des Prozessors außerhalb der Programmreihenfolge ausgeführt. Das Ziel ist dabei, die Pipelines möglichst effizient zu nutzen. Zum Einsatz kommt eine achtstufige Pipeline.


Wichtige Punkte der ARM Cortex A9 Architektur:

Beide CPU-Kerne werden durch dynamische Spannungs- und Frequenz-Algorithmen gesteuert. Diese sind sowohl in Hardware wie auch Software implementiert und sollen sicherstellen, dass die beiden Kerne sich immer in einem optimalen Level zwischen Performance und Stromverbrauch bewegen. In einem Blockdiagramm ist der Aufbau eines Dual-Core Cortex A9 Prozessors einmal dargestellt.

A9_Bloackdiagramm_rs

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Einige Punkte sind für NVIDIA im Zusammenhang mit der Tegra-2-Plattform besonders wichtig. Zu einigen dieser Punkte stellt NVIDIA auch Benchmarks zur Verfügung.

1. Schnelleres Web-Browsing

WebBench1

WebBench4

WebBench3

 


2. Niedrigerer Stromverbrauch und bessere Performance/Watt-Verhältnis

Tegra2_Power_rs

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Bei gleichem Workload arbeitet die Single-Core-CPU mit 100% Prozessorlast bei Takt von 1 GHz bei einer Spannung von 1,1 Volt. Die Dual-Core-CPU teilt die Tasks auf beide Kerne, kommt also auf eine Gesamtlast von 50%. Die beiden Kerne arbeiten dann mit einem Takt von 550 MHz bei einer Spannung von 0,8 Volt. Der Stromverbrauch ist proportional zur Frequenz und sogar zum Quadrat der anliegenden Spannung. Aus diesem Grund ergibt sich ein um 40% reduzierter Stromverbrauch.

3. 3D-Gaming

Tegra 2 im SoC-Design (System-on-a-Chip) verfügt allerdings nicht nur über die Dual-Core-CPU, sondern auch über die Ultra Low Power (ULP) GeForce GPU. Die Architektur ist in etwa vergleichbar mit den Desktop-Modellen. Genauere Details will NVIDIA an dieser Stelle aber noch nicht nennen. Einige Features wurden aber bereits genannt:

Um die Notwendigkeit für eine Dual-Core-CPU zu unterstreichen, stellt NVIDIA die Anzahl der Threads dem jeweiligen Spiel gegenüber:

Natürlich können diese Zahlen nicht darüber hinweg täuschen, dass hier Spiele und Engines genannt werden, die auf mobilen Plattformen noch lange nicht in der Qualität erreichen, wie auf dem Desktop oder auf Konsolen.

Ein eher praxisnahes Beispiel soll Dungeon Defender sein, dass beide Kerne des Tegra-Prozessors verwendet.

DungeonDefender

Ein weiteres Beispiel stellen die 16 Threads der Frostbite-Engine dar, die auf vier CPU-Kernen und zwei GPUs verteilt werden.

Frostbite

Auch hier gilt wieder, dass dieses Beispiel nur das Prinzip darstellen kann, nicht aber eine konkrete Anwendung auf einer mobilen Plattform wie Tegra 2.

Einige weitere Benchmarks sollen die Performance von Tegra 2 verdeutlichen.

GameBench1

GameBench2


Auf dem Desktop- und Servermarkt ist der Trend zu immer mehr Kernen klar zu erkennen und wird sich auch in Zukunft weiter fortsetzen. Die Gründe sind ganz einfach - Single-Core-Prozessoren haben vor fünf Jahren ihre Grenzen erreicht. Stromverbrauch und Die-Größen erreichten Werte, die nicht mehr zu vereinbaren waren. Mit etwas Verzögerung erreicht dieser Trend nun auch den mobilen Sektor. Smartphones und von NVIDIA getaufte "Super Phones" werden Desktop-Systeme in Teilen ersetzen. Anwendungen wie HD-Video Playback, das Streaming von Videos, 3D-Spiele, 3D-Interfaces und das Browsing auf aufwendigen Internet-Seiten gehören teilweise schon heute zu den Anwendungsbereichen.

NVIDIA will mit Tegra 2 und der 2-Kern-CPU die notwendige Hardware stellen. Auf Seiten der Software nennt NVIDIA selbst Android, Windows CE und Symbian als Betriebssysteme, die in der Lage sind und sein werden, die Hardware entsprechend zu unterstützten. Auf der CES 2011 werden wir erste marktreife Produkte sehen.

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