Processori smartphone: perché ARM domina e quali sono i SoC migliori?

Quando si parla di processori per smartphone si parla generalmente di architettura ARM. La società inglese detiene infatti il 95% del mercato globale e i suoi processori (che in realtà sono SoC ovvero System-on-a-Chip) vengono utilizzati non solo negli smartphone ma anche in molte altre categorie di prodotti.

Processori smartphone: ARM domina il mercato SoC

Diversamente rispetto alle CPU tradizionali, i SoC contengono – in un unico chip – il processore centrale, chipset e controller accessori come quello per la memoria RAM, la circuiteria input/output, il sottosistema video, i moduli per la connettività (modem 3G/LTE, moduli WiFi/Bluetooth e così via), il DSP (Digital Signal Processor) per l’elaborazione in hardware di stream di dati multimediali.

ARM non produce in proprio i processori per smartphone e per gli altri dispositivi ma concede ad altre aziende, a fronte del versamento di royalties, i diritti di licenza per realizzare in massa i SoC progettati e sviluppati in laboratorio.
Qualcomm, MediaTek, Samsung, HiSilicon (quest’ultima direttamente controllata da Huawei), Apple, NVidia e Texas Instruments sono solo alcune delle tantissime aziende che utilizzano la proprietà intellettuale ARM per realizzare fisicamente i processori.

Nell’articolo Differenza tra processori ARM e x86 abbiamo già spiegato perché ARM domina il mercato dei processori per smartphone e dispositivi mobili in generale mentre l’architettura x86 ancora spopoli su desktop, notebook e dispositivi similari.

L’evoluzione della tecnologia, nel caso dei processori basati su architettura ARM, è saldamente nelle mani (e nelle teste) degli ingegneri della società inglese (acquista lo scorso anno dal colosso delle telecomunicazioni giapponese SoftBank) che continuano a migliorare la piattaforma e che, contemporaneamente, stanno guardando ad altri segmenti di mercato considerati, in ottica futura, assai remunerativi: ARM presenta un chip per la visione artificiale, destinato al mercato automotive.

Perché ARM è in prima fila quando si parla di processori per smartphone

1) Diversamente rispetto ai processori x86 (CISC, Complex Instruction Set Computer), i SoC ARM sono di tipo RISC (Reduced instruction set computer) e poggiano quindi su un set di istruzioni limitato. Una caratteristica che facilita la realizzazione di un’architettura semplice e lineare.
Le architetture RISC sono definite load-store perché esse permettono di accedere alla memoria unicamente tramite delle istruzioni specifiche; provvedono a leggere e scrivere i dati nei registri del microprocessore, mentre tutte le altre istruzioni manipolano i dati contenuti all’interno del microprocessore.

2) I processori RISC usano insiemi ottimizzati di istruzioni che permettono di eseguire le operazioni con un ridotto consumo energetico rispetto all’approccio CISC ma, ovviamente, con una minore dinamicità. Le istruzioni, infatti, riducono le operazioni da espletare in attività le più semplici possibile cosicché la maggior parte delle stesse venga eseguito in egual tempo.
Esse hanno poi la stessa lunghezza in bit e usano metodi di indirizzamento non complessi aumentando la velocità di esecuzione.

3) Il numero inferiore di transistor che contraddistingue un processore RISC permette di realizzare SoC di dimensioni contenute, quindi adatte per l’installazione in uno smartphone, meno famelico di energia e contraddistinti da un’inferiore produzione di calore.

4) La serie di SoC Cortex-A di ARM è stata appositamente progettata per quelle applicazioni che richiedono potenza di calcolo e flessibilità. Rispetto alle serie Cortex-R e Cortex-M, la gamma Cortex-A (“A” sta per Application) è quella che si trova oggigiorno in tutti i dispositivi mobili perché è la più completa ed è in grado di gestire, oltre al set di istruzioni standard, anche istruzioni Thumb-2 e Thumb-EE (entrambe usate per velocizzare l’esecuzione del codice all’interno di macchine virtuali; si pensi alla virtual machine Java…), include le unità Vector Floating Point (unità di calcolo in virgola mobile) e NEON (unità che è composta da registrati e vettori dedicati, capace di eseguire calcoli simultaneamente con la pipeline principale; usato per accelerare l’elaborazione di segnali digitali). Il processore è dotato di cache di primo e secondo livello, PMMU (unità di gestione della memoria) e tecnologia TrustZone (tecnologia che consente di attivare verifiche di sicurezza in hardware).

5) Attualmente i processori Cortex-A di ARM più performanti possono arrivare a disporre di 10 core fisici (ma possono essere anche a 4, 6 oppure 8 core) e possono eventualmente sfruttare, ove previsto, la configurazione big.LITTLE.
Presentata nel 2011, big.LITTLE è ormai presente nella stragrande maggioranza dei SoC ARM che “spingono” i dispositivi oggi in commercio: questa tecnologia permette di abbinare – in unico SoC – core meno prestazionali ma più parsimoniosi in termini di consumi energetici con core più performanti e, ovviamente, maggiormente impattanti sull’autonomia della batteria.
Ecco perché, molto spesso, quando si leggono le specifiche hardware di uno smartphone ci si trova dinanzi a un SoC ARM che – ad esempio – integra 4 core che lavorano a una certa frequenza e altri 4, di diversa tipologia, che operano a frequenza inferiore.
Nel caso di un ARM octa-core big.LITTLE, di norma vengono usati i quattro core (cluster) meno prestazionali così da ridurre al minimo i consumi energetici (e, di conseguenza, aumentare la durata della batteria dello smartphone…).
Al bisogno, però, nel caso in cui l’utente avviasse applicazioni particolarmente pesanti, il SoC potrà immediatamente invocare l’uso dei core più prestazionali.
La cache L2 viene utilizzata come canale di comunicazione comune in modo da consentire l’uso istantaneo dell’uno o dell’altro cluster di core.

Come accennavamo in precedenza, però, sebbene ARM non produca in proprio i processori, i suoi tecnici sono costantemente al lavoro sullo sviluppo dell’architettura.
Di recente ARM ha presentato l’evoluzione di big.LITTLE, chiamata DinamIQ: ARM presenta la tecnologia DinamIQ, evoluzione di big.LITTLE.
Con DinamIQ, i produttori di SoC ARM potranno usare core di differente potenza per ciascun cluster selezionandoli tra i vari Cortex-A che la società inglese ha a catalogo.
Il numero massimo di core per cluster passa inoltre da quattro a otto e grazie al sistema per la gestione della memoria completamente riprogettato, si potrà contare su una maggior velocità nell’accesso alle informazioni e su consumi energetici ulteriormente ridotti.

I SoC oggi più potenti sono quelli che usano core Cortex-A73 o suoi derivati come il Qualcomm Kryo 280, che è cuore pulsante dell’attuale top di gamma dell’azienda californiana, lo Snapdragon 835 (usato, per il momento, nei Samsung Galaxy S8, Sony XZ Premium, Xiaomi Mi 6 e OnePlus 5).

I Cortex-A73 sono usati, oltre che nello Snapdragon 835 di casa Qualcomm (Snapdragon 835, SoC per i dispositivi Android più veloci), anche nel Mediatek Helio X30 a 10 core (MediaTek descrive il SoC Helio X30 e si allea con Samsung) e nel Kirin 960 di HiSilicon (Kirin 960, Huawei lancia il suo processore più veloce), SoC che spinge gli smartphone Huawei P10 e P10 Plus.

Di recente ARM ha poi annunciato una svolta epocale: presto sarà possibile eseguire anche codice x86 (ARM annuncia il supporto ufficiale per l’architettura x86).
Si tratta di una novità che fa il paio con la stretta collaborazione avviata tra Qualcomm e Microsoft per rendere Windows 10 direttamente installabile anche sui dispositivi dotati di SoC Snapdragon 835: Qualcomm svela i piani futuri: Snapdragon 835 sui PC Windows 10.

Classifica dei processori per smartphone

Quando si valuta un processore per smartphone, un dispositivo che integra un SoC sulla carta meno performante non necessariamente deve comportarsi peggio in tutti i test rispetto a un device che usa un SoC più “prestante”.
Molto dipende infatti dalle ottimizzazioni applicate a livello di sistema operativo, dal surriscaldamento del chip (quando il processore scalda, le prestazioni iniziano a decadere) e da altri fattori che non permettono di stilare una classifica dal valore assoluto.

Fascia medio-alta

Il SoC Snapdragon 835 di Qualcomm è indiscutibilmente diventato il top di gamma dell’azienda californiana. Delle sue caratteristiche abbiamo già parlato nell’articolo citato in precedenza ed è realizzato con un processo costruttivo FinFET a 10 nm.
Se la gioca praticamente alla pari il Samsung Exynos 8895 che viene infatti montato nella versione internazionale del Galaxy S8 (in alternativa, Samsung ha comunque scelto lo Snapdragon 835).

Un gradino più in basso si pongono gli l’A10 Fusion di Apple e gli Snapdragon 820 e 821: entrambi quad-core, nel primo caso si usano due cluster di core Kryo a 2,4 e 2 GHz. La GPU Adreno lavora a una frequenza di clock 653 MHz. Secondo Qualcomm, gli Snapdragon 821 offrono il 10% di performance in più rispetto agli 820 (basati su due core a 2,15 GHz e due da 1,6 GHz). Oltre all’Helio X30 di MediaTek.

Più staccato il già menzionato Kirin 960 di HiSilicon(usato, per esempio, negli Huawei P10 e Plus così come nei Mate 9 e Mate 9 Pro) e, ancor più, l’Exynos 8890 di Samsung che “sovrintende” il funzionamento dei Galaxy S7 e S7 Edge.
A seguire, per prestazioni, il Apple A9, Helio X25 e Kirin 955.

Fascia media

Per i dispositivi di fascia media, uno dei SoC migliori in assoluto resta lo Snapdragon 652, octa-core con quattro core Cortex-A72 a 1,8 GHz e quattro Cortex-A53 a 1,4 GHz; la GPU è una Adreno 510.
Anche lo Snapdragon 625 rimane un’ottima scelta con prestazioni sostanzialmente in linea (se non addirittura inferiori rispetto al 650) ma contraddistinto da consumi energetici notevolmente inferiori (grazie anche al processo costruttivo a 14 nm, rispetto ai 28 nm del 650).

Non troppo distaccati Helio P20 di MediaTek e Kirin 650 di HiSilicon, quest’ultimo presente in alcuni tra i migliori smartphone di fascia media dello scorso anno come Honor 5C e Huawei P9 Lite.

Chi volesse confrontare un processore per smartphone con un altro, troverà un valido aiuto in questo sito web.