ARM dévoile ce que les smartphones haut de gamme auront dans le ventre en 2021 

Les puces de Qualcomm, Samsung ou Apple devraient intégrer tout ou partie des CPU (Cortex-A78, Cortex X1) et GPU (Mali-G78, Mali-G68) présentés par ARM. Avec à la clé, des gains de performances et/ou de consommation d’énergie.   

ARM, la société anglais, qui conçoit les processeurs du même nom, a levé le voile sur les architectures des processeurs qui seront intégrés dans les smartphones haut de gamme de l’année 2021.
Plus précisément, ARM a dévoilé les détails de cinq « briques » que ses partenaires (Qualcomm, Apple, Samsung, MediaTek, etc.) pourront intégrer dans leur SoC (system on a chip, puce tout en un). ARM développe en effet des plans que ses clients peuvent configurer, paramétrer voire modifier en profondeur pour développer des puces quasi sur mesure.    Au menu, cinq nouvelles « briques » donc, deux parties CPU, les Cortex-A78 et Cortex-X1, un nouveau GPU appelé Mali-78 et sa déclinaison plus milieu de gamme le Mali-G68 et un processeur neuronal appelé Ethos N-78.

Cortex-A78 : un CPU plus puissant, plus efficace et (un peu) plus petit  

Par rapport à son prédécesseur, le Cortex-A77, le Cortex A-78 apporterait selon ARM +20% de performances « maintenues » pour la même enveloppe thermique.
La cible de cette enveloppe pour ce genre de CPU (on ne parle pas ici de puce puisque les cœurs sont justement intégrés dans une puce de type SoC) est autour de 1W, ce qui le destine évidemment en premier lieu aux smartphones et tablettes.   

Pour des terminaux qui chercheraient l’endurance, le Cortex A-78 peut aussi s’avérer plus économe en énergie : configuré au même niveau de puissance qu’un A-77, il consommerait jusqu’à 50% d’énergie en moins.
Autre gain loin d’être marginal : la puce occupe 5% d’espace en moins. Un petit gain certes, mais qui ravira les constructeurs qui pourront récupérer quelques mm² sur la carte mère.   

Cortex-X1, un cœur gros comme ça

Si les cœurs Cortex-A78 sont toujours considérés comme des cœurs haute puissance par rapport aux cœurs A-55 avec lesquels ils travaillent de concert (les premiers pour les apps gourmandes, les seconds, pour les app moins critiques), il existe un cœur encore plus puissant chez ARM et il prend le nom de Cortex-X1.
On retrouve déjà ce genre d’organisation dans les puces de Qualcomm par exemple, où un des quatre cœurs A-7x appelé “Prime Core” était cadencé de manière plus rapide pour accélérer notamment le lancement des programmes ainsi que les logiciels peu ou mal multithreadés.   

Le Cortex-X1 est désormais un élément à part, et non un cœur A-7x détourné. Il dispose de ses propres mémoires cache et de ses propres améliorations spécifiques.
De quoi offrir jusqu’à 22% de performances en plus par rapport aux cœurs Cortex-A78 “normaux” mais surtout assurer des performances doublées dans les applications d’apprentissage machine (ML, Machine Learning).
Un cœur que les concepteurs de puces comme Qualcomm ou Samsung peuvent personnaliser de manière bien plus fine que les cœurs A-7x conventionnels afin d’obtenir l’équilibre voulu (plus performant, moins énergivore, etc.).   

Mali-G78, jusqu’à 24 cœurs graphiques  

Si le Mali-G77 introduit l’an dernier était une vraie nouvelle architecture GPU, le nouveau Mali-G78 est lui une amélioration de l’existant. Ce qui ne veut pas dire qu’il n’y a rien de nouveau, loin de là.
Déjà, le nombre de cœurs maximum a été augmenté de 50%, passant de 16 cœurs graphiques max à 24 cœurs (on parle de maximum car, une fois encore, les concepteurs de puces peuvent la personnaliser selon leurs besoins).
Un maximum théorique, comme le rappelle Anandtech, puisque une puce haut de gamme comme l’Exynos 990 de Samsung n’embarque que 11 cœurs. L'intérêt d'avoir une architecture qui monte à 24 cœurs est évidemment à chercher du côté des puces pour PC du type Qualcomm Snapdragon 8cx par exemple, et non de celui des smartphones.

Cette nouvelle génération de GPU promet jusqu’à 25% de performances en plus, en tenant compte des nouveaux moyens de fabrication (lire plus bas). A qualité de conception identique (procédé de fabrication), les gains sont moindres, mais déjà intéressants et tournent entre 10% (efficacité énergétique) et 15% (performances en apprentissage machine).   

Ce qui intéressera les joueurs, c’est l’arrivée d’une gestion asynchrone des cœurs GPU et de leurs shaders. En français, cela signifie qu’au lieu de cadencer tous les cœurs GPU à la même vitesse, le Mali-G78 peut gérer ses composants internes de manière bien plus fine en termes de fréquences (asynchrones donc) afin non seulement d’améliorer les performances, mais aussi de diminuer la consommation énergétique.
La promesse de gain de performances apporté par cette gestion asynchrone des fréquences des unités GPU tourne autour de 10%/15%, ce qui peut faire la différence dans certains jeux. Outre ce GPU haut de gamme, ARM a aussi annoncé son Mali-G68. Une puce qui n’est rien de moins qu’un Mali-G78 limité à 6 cœurs.   Il est important de noter que les seuls processeurs qui utiliseront vraiment ces GPU sont les puces Exynos de Samsung, qui a fermé sa division GPU, HiSilicon (Huawei) et MediaTek. Les géants tels que Qualcomm et Apple développant en effet leur propre GPU.    

Ethos-N78 : une puce hautement configurable pour accélérer l'apprentissage machine

Aux CPU et GPU “classiques” s’ajoute une autre brique, bien plus récente dans l’histoire des semi-conducteurs à savoir une puce dite NPU pour Neural Processing Unit - accélérateur d'intelligence artificielle. Une puce en charge de tous ces algorithmes "d’IA" que l’on voit fleurir ici et là. 

ARM annonce un gain de performances de pic de 100% par rapport à son modèle précédent (Ethos-N77), mais ne rentre pas dans les détails. D’une part, parce que les modèles d’évaluation de performances sont beaucoup moins normés que ceux des CPU et GPU. D’autre part parce que la puce est hautement configurable : pas moins de 90 configurations sont mis à la disposition des concepteurs de puce pour coller à leurs besoins de calcul.  

Entre les lignes : la gravure 5 nm aide (beaucoup)

Tous ces gains qui montent parfois à plus de 20% ne sont pas uniquement le fruit du travail d’ARM. Lorsqu'on lit les petites lignes de ces présentations, on note qu’outre l’architecture en elle-même, une partie de ces gains provient « des process et autres améliorations ».

De quels process parle-t-on ici ? Du passage du 7nm au 5 nm pardi. Sur les diapositives de la présentation des différences d’efficacité énergétique du Cortex-A78 face à son prédécesseur l’A77, les gains sont marqués en « 7FF contre 5FF », ce qui signifie en procédé de gravure 7 nm FinFet face à un procédé 5 nm FinFet. Ainsi, l’impressionnant gain de 50% d’énergie en moins consommée à puissance égale doit prendre en compte les quasiment 30% de réduction de taille que représente le passage de 7 nm à 5 nm. 

Les premières puces intégrant ces nouvelles briques technologiques devraient être annoncées à partir du second semestre 2021, l’annonce au public faite par ARM intervenant en effet bien après le partage des plans à ses partenaires.

Source : ARM et Anandtech