ARM против x86: секрет эффективности процессоров Atom – THG.RU

ARM против x86 | Показатели энергопотребления

Наше внимание привлёк тот факт, что планшеты на Intel Atom под управлением полной версии Windows 8 неплохо конкурируют с планшетом Microsoft Surface SoC Tegra 3 по части длительности автономной работы. В нашем распоряжении оказалось два планшета, которые мы и изучим: Acer W510 и Microsoft Surface. Однако у первого ёмкость аккумулятора составляет 26,6 ватт-часов, в то время как у Surface этот показатель выше – 31,5 ватт-часов.

Чёрный квадрат прикрывает показатели других моделей

По показателям Geekbench производительность Atom Z2760 (Clover Trail) находится на одном уровне с Nvidia Tegra 3, но в веб-тестах чип Intel вырывается вперёд. Плюс на стороне Atom возможность запускать приложения на базе x86, что определённо можно считать преимуществом.

Как можно получить заметно более высокую производительность, но при этом сохранить более длительную работу в одинаковых задачах? Ответить на этот вопрос оказалось не так просто.

Мы провели неделю в лаборатории Intel в Санта Кларе (Santa Clara), в течение которой сотрудники компании предоставили нам данные анализа производительности, полученные их командой тестеров, и показали, как они получили такие данные, а также позволили самим опробовать тестовое оборудование и подробно обсудили с нами слабые и сильные места дизайна Clover Trail. Ещё раз хотим отметить, что указанные ниже показатели были получены командой Intel, а не лабораторией Tom’s Hardware Guide. Однако мы готовы подтвердить, что яркость экранов устройств была выставлена на уровень 200 кд/м2 (нит) с помощью измерительного прибора Gossen Luminance, а среднее энергопотребление замерялось с интервалом 50 миллисекунд. В этой статье мы разберём данные полученные Intel, сравним их с нашими и попытаемся найти взаимосвязь.

Энергопотребление планшетов Microsoft Surface и Acer W510 мы замеряли в режиме простоя с активным графическим интерфейсом Windows 8, затем в режиме рабочего стола Windows 8 и в режиме разделённого экрана, когда приложение Windows 8 открыто с одной стороны и рабочий стол – с другой. В данном случае, приложение для Windows 8 располагалось в основном экране, а рабочий стол – в боковой панели.

В третьей колонке показывается энергопотребление каждого процессора. Tegra 3 обеспечивает очень впечатляющий показатель с интерфейсом Windows 8 UI: 0,0038 Вт против 0,02 Вт у Atom. Однако для работы в режиме разделённого экрана чипу Tegra 3 требуется уже 0,29 Вт, а Atom только 0,18 Вт.

Далее идёт GPU. Сейчас мы знаем, что одно ядро PowerVR SGX545 в чипе Intel заметно медленнее, чем Tegra 3 в трёхмерной графике. Однако при обработке двухмерных приложений более простой графический движок SoC Atom использует меньше энергии.

Провода идут к специальным точкам на плате

Первое преимущество эффективности процессора Intel проявляется в колонке Память. На первый взгляд, Atom выглядит хуже, чем Tegra. Но не забывайте, что Atom Z2760 использует два 32-разрядных контроллера памяти с поддержкой LPDDR2-800, которые обеспечивают полосу пропускания шириной до 6,4 Гбайт/с. T30 в большинстве устройств оснащён лишь одноканальным контроллером с модулями DDR3-L и частотой шины 1500 MT/с, пропускная способность которого достигает 6 Гбайт/с. Но в теории, Intel Atom делает больше работы, поэтому подсистема памяти тут более эффективна.

К остальным компонентам относятся сам дисплей и электроника панели (передатчики LVDS), наряду с беспроводными модулями, аудио кодеками, NAND-памятью и остальной начинкой. Даже в свете того, что фоновая подсветка Acer съедает больше электроэнергии (в режиме разделённого экрана), остальная часть платформы всё же на 0,10 Вт эффективнее.

ARM против x86 | Результаты воспроизведения видео Intel в сравнении с нашими

Затем нам удалось посмотреть на результаты энергопотребления во время воспроизведения видео.

Интересно посмотреть на влияние запущенного антивирусного сканирования (мы использовали McAfee) на воспроизведение видео. Из-за бреши в безопасности старых версий Windows Media Player, программа вынуждена сканировать сам видеофайл на наличие вредоносных программ. На планшете Acer мы наблюдали первоначальное притормаживание во время открытия видеоклипа (частота кадров упала во время сканирования). Но вскоре после этого воспроизведение выровнялось.

По общему энергопотреблению платформа Acer W510 обходит Microsoft Surface. При сравнении энергопотребления процессоров в простое мы знаем, что Tegra 3 благодаря архитектуре 4-PLUS-1 даёт более высокие результаты. Однако под нагрузкой Atom справляется лучше.

Колонка GPU тоже любопытна. Intel Atom использует меньше энергии во время воспроизведения видео на базе HTML5, а при разделённом экране разница ещё заметнее. До конца непонятно, связано ли это с аппаратным ускорением для H.264 или же с другими факторами (например, с драйверами, где у Nvidia может быть преимущество).

Как мы уже отмечали на предыдущей странице, похоже в контроллере памяти Intel происходит какая-то магия. Разница при переходе от лучшего к худшему тестовому сценарию (включая задачи, которые на Tegra 3 даже не запускались), энергопотребление чипа Atom возрастает на 31%. А у Tegra оно почти удваивается. Когда задача усложняется, и планшет не считывает информацию из памяти только линейно, два 32-разрядных контроллера Intel демонстрируют более низкое энергопотребление. Одноканальный контроллер Nvidia, работающий на более высоких скоростях передачи данных, таким результатом похвастаться не может.

Проверка показателей Intel в нашей лаборатории

Честно говоря, повторить работу Intel с оборудованием, которое мы видели в лаборатории в Санта Карла, будет очень тяжело. Но цифры, представленные Intel, выглядят правдоподобными. С небольшим аккумулятором ёмкостью 26,6 ватт-часов, плюс док-клавиатурой примерно на 53,2 ватт-часов, Acer W510 при показателе 3,5 Вт должен воспроизводить видео на разрешении 1080p 15,2 часа. Наш тест на разрешении 1080p с 10%-ой громкостью продлился 15 часов 37 минут. Так что повторимся, результаты правдоподобные.

Для сравнения Microsoft Surface потребляет 4,21 Вт. Теоритически с аккумулятором ёмкостью 31,5 ватт-часов воспроизведение должно продлиться 7,48 часов. Во второй части обзора Microsoft Surface он продержался 7 часов и 10 минут при максимальной яркости (4,4 Вт) и 10 часов при яркости 200 нит с отключённым соединением Wi-Fi (3,15 Вт). Данный пример ясно демонстрирует как дисплей и другие компоненты платформы могут влиять на длительность работы, и какой эффект Tegra 3 оказывает на битрейт. Что мы имеем в виду? В наших тестах мы используем файл в формате H.264 6 Мбит/с на разрешении 720p, а файл Intel имеет битрейт 20 Мбит/с и воспроизводится на разрешении 1080p.

На iPad 2 мы получили результат 8,95 часов (аккумулятор на 25 ватт-часов) и 7,92 часов на iPad 3 (42,5 ватт-часов). Энергопотребление было измерено при максимальной яркости и показатели потребляемой мощности составили 2,8 Вт и 5,37 Вт для каждого устройства соответственно. При яркости 200 нит, результаты увеличились до 12,35 часов (iPad 2) и 11,28 часов (iPad 3), что можно перевести в 2,02 Вт и 3,77 Вт во время воспроизведения видео. По этим результатам можно сделать вывод, что iPad третьего поколения потребляет больше электроэнергии при воспроизведении видеоклипа с битрейтом 6 Мбит/с на 720p, чем Atom при работе с файлом 20 Мбит/с на разрешении 1080p.

В тестовых условиях THG на разрешении 720p, Asus Transformer Prime на чипе Tegra 3 (аккумулятор ёмкостью 25 ватт-часов) проработал 8,33 часов при максимальной яркости (3,00 Вт) и 10,8 часов при яркости 200 нит (2,31 Вт). Если сравнивать напрямую с Microsoft Surface, выясняется, что Transformer Prime более экономичен. Вероятно, это связано с ОС Android против Windows RT и различиями между экранами обоих устройств.

Google Nexus 10, как и было заявлено, обеспечивает девять часов непрерывного воспроизведения на аккумуляторе ёмкостью 33,75 ватт-часов или 3,75 Вт для 4-мегапиксельного дисплея. Позже мы пересмотрим показатели Nexus 10.

ARM против x86 | Энергопотребление при интернет-сёрфинге

Сначала о главном. Хотя эти сверхточные результаты были получены в лаборатории Intel, мы можем подтвердить, что используя Chrome, Safari и IE10 на Samsung ATIV Smart PC 500T, производительность чипа Atom под Windows 8 сильно превосходит Tegra 3 на Windows RT. Мы пока не опубликовали обзор планшета Samsung с SoC Atom, но посмотрите на следующую диаграмму.

Acer на базе Atom тоже обеспечивает неплохую энергоэффективность. Более того, ясно видно, что сложность отображаемой страницы влияет на энергопотребление. Intel Atom демонстрирует преимущество по GPU и памяти, а ядра Nvidia ARM потребляют чуть меньшее энергии на более сложных страницах.

Разницу также можно заметить в необработанных результатах на тестовом оборудовании.

Домашняя страница Google: обратите внимание на отсутствие активности

На домашней странице MSN активность гораздо выше

Первый скриншот показывает энергопотребление на домашней странице Google, а второй на странице msn.com. Из этих графиков должно быть видно, насколько тяжело определить значение энергопотребления планшета, когда фактически оно так сильно колеблется. В тот момент, когда был сделан скриншот (с домашней страницей MSN) энергопотребление Acer W510 составило 2,56 Вт, а у Microsoft Surface – 4,29 Вт. Средние показатели после подсчёта составили 2,94 Вт и 3,39 Вт (как и указано в таблице).

Любопытно, но наши результаты почти совпадают с заявленными производителем характеристиками. Acer утверждает, что W510 обеспечивает 9 часов автономной работы. Если усреднить энергопотребление 2,94 Вт и 3,28 Вт для двух первых тестовых случаев (3,11 Вт), то получится 8,6 часов. Microsoft говорит, что Microsoft Surface должен продержаться 8 часов. И если усреднить два первых показателя планшета под управлением Windows RT, то получим среднее значение 3,91 Вт. Получается, аккумулятор ёмкостью 31,5 ватт-часов должен обеспечить 8 часов работы.

В нашем тесте (мы добавили фоновое воспроизведение музыки в MP3) с экраном, откалиброванным на 200 нит, Microsoft Surface продержался 8 часов 3 минуты. Показатель Asus Transformer Prime – 8:01 (как у Surface), однако ёмкость аккумулятора у него 25 ватт-часс против 31,5 ватт-часов у Microsoft Surface. Таким образом, у Transformer Prime энергопотребление, вероятно, находится на уровне 3,12 Вт. Как уже было показано на предыдущей странице, мы подозреваем, что в плане управления питанием Transformer Prime экономичнее, чем Microsoft Surface. Мы склоняемся к мнению, что это связано с особенностями Android и Windows RT, а также с дисплеями каждой платформы.

Прервёмся на размышления

А сейчас, давайте немного поразмышляем. Решение Intel использовать достаточно сложную веб-страницу в режиме полного и разделённого экрана совпадает со способом, которым производители планшетов оценивают длительность работы от аккумулятора. Это можно назвать неофициальным стандартом “мы не хотим, чтобы на нас подали в суд за ложную рекламу”.

По данным тестов обзора планшета Microsoft Surface (особенно тестирования интернет-сёрфинга с активным Wi-Fi и воспроизведением MP3 при яркости дисплея 200 нит) время автономной работы у него составляет 8 часов 3 минуты. Другими словами наши задачи очень близки к тем, которые производители используют в своих тестах. Но вероятно наши бенчмарки более тяжёлые, поскольку на планшетах iPad мы получили 9 часов непрерывной работы, вместо заявленных 10 часов, 10 часов на Kindle Fire HD вместо 11 и 9 часов на Nexus 7 вместо 10.

На iPad 2 с аккумулятором 25 ватт-часов мы получили 9,08 часов (в ваттах получается 2,75 Вт). Если высчитать 9,25 часов на iPad 3 с аккумулятором 42,5 ватт-часов, то получим среднее энергопотребление 4,59 Вт. Из этих данных можно сделать вывод, что iPad 2 обеспечивает более высокую эффективность, чем его последователь. На четвёртом iPad эти тесты мы не ещё проводили, однако показатель энергопотребления не должен сильно отличаться, поскольку у iPad 4 ёмкость батареи тоже составляет 42,5 Вт и он рассчитан на 10 часов работы в смешанном режиме.

Тест энергопотребления на домашней странице MSN

Google утверждает, что время интернет-сёрфинга на Nexus 10 с батареей 33,75 ватт-часов может достигать 7 часов (4,82 Вт для дисплея 4 Мп), на Samsung Series 3 XE303C12 Chromebook – 6,5 часов (аккумулятор 30 ватт-часов, 4,62 Вт для дисплея 13×7). Если это значит дополнительные 0,20 Вт для дисплея 4 Мп, и мы вернёмся к прошлой странице и посмотрим, что во время воспроизведения видео Nexus 10 потребляет 3,75 Вт, тогда Chromebook, вероятно, потребует 3,55 Вт для воспроизведения видео на дисплее со стандартным разрешением. Это также показывает, что по нашим неофициальным расчётам, iPad четвёртого поколения на базе A6X более эффективен, чем A15.

Мы почти уверены, что в задачах с низким энергопотреблением, как, например, видео, Cortex-A15 находится на одном уровне с Atom. Но в более сложных приложениях (по иронии это интернет сёрфинг), он потребляет примерно на 50% больше энергии, чем Atom. В какой-то степени это правда, поскольку Google в своих презентациях говорила, что длительность автономной работы во время интернет-сёрфинга меньше, чем во время воспроизведения видео. Эти показатели также подтверждают, что в некоторых условиях Cortex-A9 более эффективен чем A15, и хотя A15 улучшает производительность, нужно узнать, сколько реальной работы выполняется в рамках определённого теплового порога.

Чтобы Qualcomm не чувствовала себя обделённой, упомянем её чип Snapdragon S4. Как мы знаем, в Dell XPS 10 с батареей 28 ватт-часов он, по заявлению производителя, может проработать “до 10 часов”. В лучшем случае – это 3,11 Вт, что по двум средним показателям Intel соответствует Acer W510.

В итоге показатели Intel имеют смысл. Очевидно, что Atom находится на уровне современных топовых SoC. По крайней мере, под Windows 8 он может обеспечить более высокую эффективность, чем Tegra 3 под Windows RT, и в свете показателей Transformer Prime, должен близко подойти к уровню Tegra 3 под Android.

Относительно интернет-сёрфинга мы можем дать следующие прогнозы:

1. По энергопотреблению Atom пойдёт нога в ногу с архитектурой Qualcomm Krait в Snapdragon S4.
2. Также Atom обойдет Cortex-A15.

ARM против x86 | Жесты в Windows 8: задержка и энергоэффективность

Наконец мы получили представление об энергопотреблении при использовании жестов на сенсорном экране в Windows 8 UI в Bing Maps и Wikipedia в режиме разделённого экрана. Этот параметр невозможно оценить без специального оборудования.

Не будем вдаваться в подробности, но посмотрите на показатели контроллера памяти ещё раз. Энергопотребление у Atom стабильно, независимо от нагрузки, в то время как показатель Tegra 3 увеличивается вместе с увеличением сложности задачи. Фактически Acer W510 потребляет больше энергии, но поскольку его CPU, GPU и контроллер памяти более эффективные, общее энергопотребление платформы ниже, чем у планшета Microsoft.

Скоро мы опубликуем статью об Acer W510, в которой обсудим оптимизации контроллера памяти, которые компания Intel сделала специально, чтобы улучшить отклик при касании за счёт синтетических тестов. В этом случае из первой колонки можно сделать вывод, что задержка при обнаружении касания у планшета Acer ниже, чем у Microsoft. Даже в лучшем для Microsoft Surface сценарии, в четырёх из пяти случаев касания быстрее воспринимаются на Atom. Тем не менее, Surface в целом обеспечивает более высокую частоту кадров. При сжатии пальцами страницы Wikipedia, на Atom частота кадров у него ниже на 3%, однако задержка в два раза меньше. При сжатии Bing Map, Microsoft Surface быстрее на 11%, но задержка выше на 60%.

ARM против x86 | Делаем выводы

Хотя сегодняшние результаты были получены в лаборатории Intel, нам удалось не только посмотреть на их тестовое оборудование, но и опробовать его в деле, сравнив показатели. Чтобы проверить актуальность и правдивость этих показателей, мы привели результаты из наших прошлых обзоров. Intel выбрала самого простого конкурента для сравнения (Microsoft Surface на базе Tegra 3 под управлением Windows RT), но по нашим собственным предварительным оценкам 32-нанометровый Atom примерно эквивалентен Qualcomm APQ8060A 28 нм в ATIV Tab и более эффективен чем Exynos 5 Dual с техпроцессом 32 нм в Chromebook Series 3 XE303C12.

В течение недели нам удалось посмотреть, как инженеры Intel разбирают планшеты и определяют места, в которых с помощью микропайки создают точки подключения для замеров приборами Fluke, измеряющих энергопотребление SoC и подсистем платформы. Конечно, Intel не позволила нам фотографировать всю лабораторию и в некоторых помещениях просила выключить камеры. Однако экскурсия имела и практический аспект, и нам даже удалось замерить энергопотребление во время загрузки главной страницы Tom Hardware. Наши данные в экстраполяции сходятся с данными Intel. В простое Nvidia Tegra 3 потребляет приблизительно столько же энергии, как Atom. Однако с увеличением нагрузки Intel выходит вперёд.

Возможно ли, что в расчётах Intel есть ошибки связанные с калибровкой? Вполне. Из-за ошибки в калибровке учёные думали, что открыли частицы, движущиеся быстрее скорости света. Наши предварительные расчёты с помощью ёмкости аккумулятора каждого устройства в ватт-часах в сравнении с продолжительностью автономной работы и перевод в ватты показали, что результаты правдоподобны.

Подводим итоги

Если разобраться в показателях энергопотребления ныне существующих платформ, то утверждение, что архитектура x86 менее эффективна, чем ARM, не совсем справедливо. В большинстве случаев они финишируют плечом к плечу. А если сравнивать Microsoft Surface и Acer W510, то модель на базе Atom постоянно обходит планшет с чипом Nvidia Tegra 3.

В целом, наш анализ подтвердил, что ядро процессора ARM отлично показывает себя в режиме простоя, однако при повышении нагрузки оно потребляет заметно больше электроэнергии. Но даже в простое Acer W510 необходимо меньше энергии, чем Microsoft Surface. В данном сценарии ядра CPU почти не работают, однако графическое ядро по-прежнему обновляет экран и считывает данные из оперативной памяти. Постоянное чтение нагружает контроллер памяти, и это одна из причин, по которой Atom обеспечивает более низкое энергопотребление. При более тяжёлых задачах у Tegra 3 повышается не только энергопотребление на процессоре, но и на контроллере памяти.

Хотя сильной стороной Intel является технология производства, во время тестов энергопотребления эффективность контроллера памяти тоже становится очевидной. Intel и AMD указывали на проблемы, стоящие перед ARM, связанные с переходом на 64-разрядную обработку команд, и обе компании потратили годы на разработку и совершенствование своих собственных решений. По мнению Intel и AMD управление памятью – это ещё одна область, требующая большой научно-исследовательской работы для оптимизации. Нужны ещё доказательства? Наши расчёты (и беседы с множеством инженеров из различных компаний) подтверждают, что дизайн процессоров Apple тоже оснащён эффективными контроллерами памяти. Джим Келлер (Jim Keller) был в Apple во время разработки SoC A4, A5 и A6, а также являлся ключевым игроком во время разработки AMD Athlon 64 и собственного встроенного контроллера памяти.

Секрет энергоэффективности чипов Atom прост. Недостаток CPU в простое компенсируется под нагрузкой, когда задача выполняется с помощью более эффективной подсистемы памяти, которая всегда активна. Несмотря на то, что Intel по-прежнему использует названия, которые многие энтузиасты ассоциируют со слабыми вычислениями и графикой в дешёвых нетбуках, чип Z2760 сильно отличается от всем знакомого N450.

Мы знаем, что бенчмарки, проводимые инженерами Intel, должны жёстко контролироваться. Но когда к нам попадёт больше планшетов на Atom под ОС Windows 8, мы сможет провести собственные тесты производительности и энергопотребления. Точные измерения Intel помогут нам рассматривать задачи в определённом контексте и лучше объяснить показатели, которые мы получил на практике.

В любом случае, сравнение наших результатов с результатами Intel дало понять, как много дезинформации присутствует в мобильной индустрии. Прежде чем мы провели тесты планшетов на базе Atom в нашей лаборатории, было очень легко поверить, что ARM эффективнее x86. Ядро Cortex-A9 медленнее, чем у Atom, поэтому оно должно быть эффективнее. Затем, когда мы начали получать данные о производительности Cortex-A15 и узнали насколько он быстр, казалось, что x86 обречена. Однако никто при этом не спросил, на каком уровне осталось энергопотребление A15, и тем более никто не проверял. Когда мы начали рассматривать время автономной работы с учётом ёмкости аккумулятора, то задумались о потреблении энергии в рамках реально затраченной энергии в ваттах на определённую задачу.

Мы призываем при сравнении платформ делать аналогичные расчёты. Посмотрев, как сотрудники Intel измеряют энергопотребление, припаивая провода под стереомикроскопом, нам захотелось это повторить.

Нет, для микропайки THG не понадобится хирургический робот, способный собрать бумажный самолётик размером с рубль, для этого у нас есть собственный хирург, который может сделать это с помощью обычного инструмента.