Rivoluzione ARM: sfida Intel e AMD per i computer e promette processori per Android veloci quanto quelli degli iPhone

ARM cambia modello di business, e oltre alla classica CPU per tutti gli usi inizierà a proporre ai sui clienti CPU custom: il nuovo Cortex X1 permetterà di competere con AMD e Intel sul segmento PC e con Apple in ambito mobile.

Nei giorni scorsi si è tenuto il TechDay di ARM, e si è concluso con l’annuncio di due nuove “IP”. IP, proprietà intellettuali, perché il modello di business di ARM non si basa sulla vendita di chip ma sulla progettazione di CPU e GPU dove i progetti vengono poi venduti, con diversi tipi di licenza, a chi deve produrre il SoC, System on Chip, il chip fisico. 

Nel mondo ci sono centinaia di aziende che usano CPU ARM per i loro processori, e le più note in ambito consumer sono Samsung, con i suoi Exynos, Qualcomm con gli Snapdragon, Huawei con i Kirin e Mediatek. Ma non sono le sole: in ogni set top box, nei TV, sui microcomputer come i Raspberry vengono usati chip con all’interno un processore disegnato e progettato da ARM.

ARM è sempre stata vista come una architettura destinata a prodotti capaci di consumare poco e con poche pretese, ma non è proprio così. 

Amazon, non l’ultima arrivata, ha introdotto nei mesi scorsi il suo secondo processore basato su architettura ARM, il Graviton2, e lo sta già utilizzando sui server degli Amazon Web Services per fornire ai clienti un ventaglio più ampio di istanze di calcolo.

Dove fino ad oggi c’erano solo Intel con gli Xeon e AMD con gli Epyc, ora arriva anche ARM con soluzioni per datacenter che possono offrire a parità di prestazioni consumi relativamente ridotti, elemento fondamentale se pensiamo a enormi rock di server che macinando calcoli consumano energia e richiedono avanzati sistemi di dissipazione. 

il Graviton2, creato dalla israeliana Annapurna Labs, azienda acquisita da Amazon nel 2015, ha all’interno una CPU progettata da ARM, la Neoverse N1. Una cpu che, messa a confronto con le migliori soluzioni Intel e AMD per server non sfigura affatto, anzi, riesce a competere senza problemi pur mantenendo un impatto termico e energetico inferiore.

La rivoluzione ARM inizia da qui, perché grazie alla crescita enorme e quindi anche agli introiti nel settore dei datacenter ARM può investire sul segmento consumer e cambiare il suo modello di business.

Obiettivo: colmare il gap con Apple, AMD e Intel

Gli annunci del TechDay 2020, le due IP ARM Cortex A78 e Cortex-X1, non sono solo due nuove CPU, rappresentano una vera svolta perché perché permetteranno di ribaltare, o di equilibrare, due trend che regolano oggi il mondo dei computer e quello degli smartphone. 

Il primo è che oggi i processori per computer con architettura x86 fatti da Intel e AMD, e non si parla solo di notebook ma anche di desktop, sono più potenti di quelli basati su architettura ARM. 

ARM si è affacciata nel mondo notebook e dei super portatili con gli Snapdragon 8cx (a brevissimo la prova del Galaxy Book), all’interno dei quali si trovano core ARM Cortex A77, ma non è andata oltre, perché non esistono soluzioni ARM per notebook di fascia alta o per desktop.

Il secondo riguarda l’ambito “mobile”, dove oggi il più potente processore per smartphone Android, lo Snapdragon 865, ha una CPU più lenta di quella del processore montato sugli iPhone di due anni fa. Il divario in termini di prestazioni tra i core usati nei SoC “A” di Apple e i Cortex usati nei SoC per smartphone Android è enorme. 

Apriamo subito una parentesi perché, considerando le tifoserie, questo è sicuramente argomento tipo da scatenare flame: si parla di velocità dei singoli core della CPU, non del SoC nella sua interezza. E soprattutto non si usano i benchmark che si scaricano dagli store, ma benchmark più seri come lo Spec CPU che permette di ottenere valori confrontabili. Qui si possono consultare i risultati di tutti i processori misurati negli ultimi anni.

Per capire il motivo che ha portato a certe situazioni si deve capire il modello di business di ARM, ne abbiamo parlato poco sopra. Per farlo usiamo esempi pratici, abbiamo parlato di Apple, e ci aggiungiamo anche Qualcomm, Mediatek e Samsung, utilizzi diversi della licenza ARM. 

Apple usa l’architettura ARM, ma da ARM ha acquisito solo la licenza per le istruzioni e poco altro. Nel 2008 Apple ha comprato l’azienda californiana PA Semi, azienda fondata nel 2003 dal capo progettista dei processori DEC Alpha 21064 e StrongARM, Daniel W. Dobberpuhl. Una sorta di “genio” dei processori, che poteva contare su altri 150 bravissimi ingegneri capaci di disegnare da zero una CPU e così hanno fatto. Al posto di prendere le IP realizzate da ARM, quindi processori già progettati e solo da integrare, gli ingegneri di PA Semi (Apple) hanno deciso di progettare da zero la CPU da usare sui loro SoC, usando le sole istruzioni ARM. 

Per ogni generazione di processore A hanno saputo creare la CPU in base a esigenze specifiche in termini di prestazioni, consumi e area occupata all’interno del SoC, perché esistono delle dimensioni da rispettare. Un “core” infatti non è altro che un blocchetto che dev’essere posizionato nel chip, di fianco agli altri core e agli altri componenti che vanno poi a comporre quello che è il SoC, o System on Chip. 

Samsung ha fatto un percorso simile: all’interno dell’Exynos 990 utilizza due core custom realizzati in casa insieme a due core Cortex-A76 progettati da ARM e quattro core Cortex-A55 sempre di ARM.

I due core custom sono stati creati dalla divisione CPU di Samsung, chiusa di recente proprio perché il gioco non valeva la candela: i core custom by Samsung non offrivano le prestazioni desiderate. Sui nuovi processori Samsung userà esclusivamente IP ARM originali, un po’ come fa Mediatek.

Mediatek è il caso più semplice, si limita a comporre i SoC usando tutte IP originali senza modifica: prende i blocchetti il licenza, li inserisce nel chip e collega le parti per far funzionare il tutto. 

Queste aziende non hanno una divisione in grado di progettare CPU da zero, e non ce l’hanno perché alla fine non devono realizzare un processore che funziona su un singolo dispositivo o su un ristretto numero di dispositivi specifici, devono fare un processore che deve poi essere venduto ad altri clienti. 

Qualcomm rientra in questo caso, ma usa all’interno dei processori Snapdragon CPU con core Kryo, versioni leggermente diverse rispetto alla IP ARM originale: la licenza di chiama “Built on ARM Cortex Technology” e permette a Qualcomm di prendere i progetti delle CPU Cortex di ARM, modificarli leggermente e cambiare poi nome. 

Come Qualcomm, Mediatek e Samsung creano processori per i loro clienti, anche ARM crea le CPU per i suoi clienti, e non avendo budget infinito ha sempre realizzato un’unica CPU che potesse soddisfare un po’ tutti, seguendo una logica di progettazione denominata PPA, Perfomance, Power e Area. Performance sono le prestazioni, Power sono i consumi e Area è l’area che il processore occupa all’interno del chip, tre variabili legate tra loro da un filo: se aumentano le prestazioni aumentano anche i consumi e aumenta l’area, per ridurre i consumi si devono ridurre le prestazioni, se si aumenta l’area ci stanno meno “core”. Tutto collegato. 

Le CPU di tipo Cortex A77 e A76, oggi presenti su tutti gli smartphone Android, sono progettate con questa logica: cpu universali che possano andare bene a tutti i clienti, senza soddisfare esigenze specifiche. Lo stesso progetto di CPU viene comprato da Qualcomm, da Mediatek, da HiSilicon, da Samsung e da tutti gli altri clienti, senza modifiche.

La nuova “IP” Cortex A78, presentata nel corso dell’Arm 2020 TechDay, segue questo filone: un core universale che accontenta un po’ tutti.

Per la prima volta però ARM annuncia anche la Cortex-X1 Custom, una IP che rompe il paradigma PPA e permette ai clienti, come Qualcomm, di spingere su un vertice del triangolo senza preoccuparsi degli altri. Ed è questa la vera novità che cambierà tutto.

Cortex A-78, la soluzione universale

Vediamo prima la Cortex A78, evoluzione dell’attuale Cortex A77 usata sui processori che oggi spingono smartphone e tablet top di gamma. ARM ha fatto una stima delle prestazioni, stima che possiamo vedere nella tabella qui sotto: a parità di consumo un core Cortex A78 offre prestazioni del 20% superiori rispetto ad un core Cortex A77.

Il confronto è stato però fatto ipotizzando un core Cortex A77 realizzato con architettura a 7 nanometri e spinto a 2.6 Ghz contro un nuovo Cortex A78 realizzato con la nuova architettura a 5 nanometri, che vedrà la luce nel 2021, spinto a 3 Ghz. 

Se si confrontano invece i vecchi core con i nuovi core, e ci si pone come obiettivo il raggiungimento delle identiche prestazioni, un Cortex A78 a 2.1 Ghz, sempre a 5 nanometri, consuma il 50% di un Cortex A77 a 2.3 Ghz e 7 nanometri. 

Questo però non vuol dire che gli smartphone dureranno il doppio, ma semplicemente che nel caso in cui ad un produttore non interessi aumentare ulteriormente le prestazioni può ottenere, per i soli core della cpu, un risparmio energetico del 50%. Nonostante uno smartphone sia un sistema complesso fatto da un display, dai modem, da altri componenti dove la CPU del SoC è solo un piccolo blocco, quando al processore viene richiesto di gestire grossi calcoli sono proprio i core a consumare tanto quindi un aumento dell’autonomia, di riflesso, ci sarà sicuramente.

Se si confrontano Cortex A77 e Cortex A78 sullo stesso processo produttivo, ci si accorge che alla fine il Cortex A78 è solo del 7% più veloce della versione attuale, che consuma il 4% in meno e che occupa anche meno spazio, 5% in meno sul die. Un miglioramento, ma non così drammatico. 

Solitamente ARM usa i Cortex A77 come core ad “alte prestazioni” e li affianca a core ad alta efficienza, come i Cortex A55. Non sono stati annunciati nuove IP per la serie ad alta efficienza, quindi per i prossimi anni chi userà i nuovi Cortex A78 li affiancherà, inizialmente, ai Cortex A55. 

Il Cortex X1 Custom cambierà le carte in tavola

La vera novità però non è il Cortex A78, che rappresenta il core fatto per soddisfare le esigenze  di tutti i clienti, la vera novità è il Cortex X1. Lo abbiamo scritto all’inizio: il gap di prestazioni tra i core creati da Apple per prodotti specifici e quelli usati sugli smartphone Android è molto ampio, e se ARM avesse continuato a proporre una IP generica costruita seguendo il triangolo “prestazioni - efficienza e area” nessun produttore sarebbe mai riuscito ad avvicinarsi ad Apple. O a Intel e AMD, nel caso di processori per notebook e desktop.

Cortex X1 è la nuova soluzione “semi-custom” che permetterà di creare soluzioni specifiche per andare a competere con i leader in determinati settori. Siamo davanti a core pensati per massimizzare le operazioni single thread, che potranno raggiungere i 3 Ghz di clock e che permetteranno, in base al design, di avere a parità di processo produttivo il 22% di prestazioni in più rispetto alla Cortex A78 e due volte le prestazioni di un Cortex A77/A78 nei calcoli machine learning. 

Un Cortex X1 potrà essere ben più grande dei Cortex A78, si stima che un core possa occupare quasi il doppio dello spazio sul chip di un Cortex A78, e grazie alla frequenza di clock raggiunta e alle prestazioni in single thread potrà avvicinarsi alle prestazioni dei core usati nell’Apple A13 e a quelle di processori AMD e Intel, permettendo così la creazione di SoC ARM da usare su notebook ad alte prestazioni e anche su desktop, senza preoccuparsi dei consumi e dello spazio occupato. Cadono i vincoli.

Quello che ha fatto ARM per la prima volta è offrire ai suoi clienti una soluzione flessibile che possa andare incontro alle esigenze di ogni singolo cliente, tenendo al tempo stesso il nuovo A78 come scelta per chi vuole un prodotto più universale. 

Qualcomm, Samsung e Mediatek continueranno ad offrire processori mainstream, ma potranno ora avere anche processori per categorie specifiche. Pensiamo ad esempio allo Snapdragon 8cx, una versione per notebook ARM dell’865. Qualcomm potrà realizzare un processore ad hoc utilizzando Core X1 senza preoccuparsi dei consumi, e potranno così nascere versioni “pro” di quelli che oggi sono notebook super leggeri business capaci di una elevata autonomia. 

Qualcomm dovrebbe essere la prima ad abbracciare la nuova strategia di ARM: oggi uno Snapdragon 865 con 8 core usa una configurazione 1+3+4, un core “Prime” affiancato da tre core con prestazioni medie e 4 core ad alta efficienza. Il “core” di punta è un Cortex A77 da 2.84 Ghz con 512KB di cache di secondo livello, e questo spiega quello che abbiamo detto prima: il Cortex 77 è inferiore come potenza di calcolo al core Lightning da 2.65 Ghz che Apple usa nell’A13, e nell’A13 di questi core ce ne sono addirittura due. 

Qualcomm potrà sostituire quel core “generico” con un vero core ad altissime prestazioni se vorrà mantenere una configurazione simile a quella attuale, ma potrebbe anche scegliere di usare due core Cortex X1 affiancati da 4 core ad alta efficienza, tornando così ad una più flessibile soluzione a 6 core. In una configurazione simile, secondo le proiezioni fatte da Anandtech usando i benchmark contenuti nel database SPEC2006, un SoC con questo nuovo “core” potrebbe avvicinarsi come performance a quelle di un Apple A13. 

Anche Samsung sembra interessata: "Samsung e Arm hanno da anni una forte partnership tecnologica e siamo molto entusiasti di vedere la nuova direzione che Arm sta prendendo con il programma Cortex-X Custom, che consentirà all'ecosistema Android di soddisfare le esigenze degli utenti” ha dichiarato Joonseok Kim, vice presidente del team di progettazione SoC di Samsung Electronics, quindi non è da escludere un prossimo Exynos con all’interno un Cortex-X Custom.

Mediatek potrebbe essere il terzo cliente, anche se solitamente realizza processori di fascia media. Infine c’è Huawei, ma resta da capire cosa succederà ora: non sappiamo se potrà acquistare nuove licenze da ARM (che non è però americana) ma Huawei ha sempre usato l’architettura più vecchia. Il Kirin 990 usa il Cortex A76, non l’A77, quindi anche in una condizione normale, senza “ban” Usa, Huawei si sarebbe servita almeno per la prossima generazione di Kirin di un A77 salvo poi passare, nei prossimi anni, a soluzioni diverse. Sempre che non abbia deciso in questi mesi, proprio per il ban, di iniziare a disegnare e progettare lei le CPU come ha fatto Apple, che ci è riuscita e Samsung, che ci ha provato ma ha poi abbandonato il progetto. 

Arriveranno i desktop con ARM. E gli smartphone torneranno ad essere diversi

Abbiamo sempre pensato che ARM sarebbe rimasta una architettura per soluzioni mobile ed embedded. Cortex X1 cambia tutto, perché potranno arrivare processori per desktop con 8 core Cortex X1 e sarebbero paragonabili, come potenza, a molte soluzioni AMD e Intel odierne. 

Cambiano anche gli equilibri nel mondo Android: se fino ad oggi tutti hanno usato soluzioni identiche, con Cortex X1 Custom si vedrà molta più varietà e non ci saranno più smartphone tutti uguali. Perché il produttore che si limita ad assemblare uno smartphone come oggi fanno i vari Xiaomi, Realme, Oppo e tanti altri dovrà per forza di cose prendersi la soluzione generica venduta dalla Qualcomm di turno, ma chi come Samsung ha una divisione SoC che può progettare chip per i suoi dispositivi potrà sfornare processori ad alte prestazioni senza necessariamente investire in una divisione CPU.