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Retroscena 2629

Davide contro Golia: SoC dello smartphone vs. CPU del PC

Anche se quotidianamente gestiamo computer e smartphone, spesso non ci rendiamo conto che la tecnologia dei due dispositivi differisce in modo significativo. Non solo in termini di prestazioni, ma anche di struttura dei componenti principali.

Se il computer classico dispone di un processore integrato, lo smartphone possiede un SoC. Le tre lettere stanno per «System on a Chip» (sistema su chip o sistema su circuito integrato). Esso rappresenta un sistema informatico racchiuso in un solo chip. Quindi racchiude processore centrale, scheda grafica, blocchi di memoria e altri componenti come interfacce input/output (Ethernet, Bluetooth ecc).

Architettura del processore

Forse ti sei già chiesto perché il tuo telefono cellulare con più core di processore e possibilmente con una frequenza di clock più alta non offra più prestazioni del tuo vecchio notebook. Ciò è dovuto all'architettura del processore. Le due architetture più comuni al mondo sono x86 e ARM. I notebook e i sistemi desktop possiedono l'architettura x86, gli smartphone e i tablet hanno processori con architettura ARM integrati nel SoC.

Anche se conosciamo i processori ARM della famiglia RISC tramite smartphone e tablet, erano già stati sviluppati negli anni Ottanta. Nel 1983, la società britannica Arcon ha lanciato il suo primo prototipo da 32 bit e 4 MHz. A quel tempo ancora con la denominazione di «Acorn Risc Machine», oggi ARM sta per «Advanced RISC Machines». Il successo non si è fatto attendere a lungo e la produzione seriale con una frequenza di clock di 8 MHz seguì già nel 1986.

L'architettura x86, invece, vide la luce già alla fine degli anni Settanta. Il primo processore con architettura x86 sotto forma di Intel i8086 fu lanciato nel 1978. Alcuni di noi potevano già gioire ai tempi, vedi termini come «Intel 80286», «Intel 80386» (AMD Am386) o «Intel 486» (AMD Am486). Anche io ho fatto i miei primi esperimenti al computer su un 286, ho imparato i comandi DOS ed ero felice con giochi dall'aspetto grottesco.

Architetture differenti

I processori ARM sono progettati con particolare attenzione ai bassi consumi energetici e alla semplicità dei set di istruzioni. Al contrario, i processori x86 sono progettati principalmente per ambienti ad alte prestazioni ed elevata produttività. Le differenze tra le famiglie di processori sono molteplici e riguardano la potenza di calcolo, il consumo energetico e l'eventuale software dell'utente.

Potenza di calcolo: a cosa sono destinati i processori?

Nei processori ARM persino il nome dice molto: RISC è l'acronimo di «Reduced Instruction Set Computing» (set di istruzioni ridotto). Il processore si concentra quindi sul mantenere il numero di comandi più basso e semplice possibile. La semplicità ha diversi vantaggi per gli ingegneri hardware e software. Con semplici istruzioni, il circuito richiede meno transistor, lasciando maggiore spazio per i chip. Tuttavia, i comandi semplici presentano anche degli svantaggi: ad esempio, sono necessarie più istruzioni per eseguire i task, con conseguente aumento del consumo di memoria e dei tempi di esecuzione. Il processore ARM cerca di compensare questa situazione con una maggiore velocità di clock e con una pipeline dati intelligente (elaborazione dei comandi macchina suddividendoli in sottoattività).

Al contrario, i processori x86 appartengono alla famiglia CISC. «Complex Instruction Set Computing» significa «set di istruzioni complesso» ed è progettato per eseguire compiti complessi con grande flessibilità. Per i sistemi basati su CISC, ad esempio, è possibile eseguire calcoli tra diversi registri dei processori senza che il software debba caricare le variabili richieste in precedenza. Altre operazioni comuni sono la moltiplicazione con numeri in virgola mobile, complesse manipolazioni della memoria, conversioni di dati e molto altro ancora.

Inoltre:

a differenza di x86, le CPU ARM comprendono solo tre categorie di comandi.

  • Comandi per l'accesso alla memoria (Carica/Salva)
  • Comandi aritmetici o logici per i valori nei registri
  • Comandi per modificare il flusso del programma (salti, chiamate ai sottoprogrammi)

Consumo elettrico

Poiché la capacità della batteria dei dispositivi mobili è relativamente limitata a causa delle loro dimensioni, il consumo di energia di un SoC è uno dei criteri più importanti. Il SoC dello smartphone consuma meno di 5 watt. Inoltre, è possibile (quasi sempre) rinunciare al raffreddamento attivo, che consente inoltre di risparmiare energia.

Un processore high-end x86, d'altra parte, può rapidamente consumare 130 watt di potenza a causa della sua complessità.

Davide contro Golia: confronto della conversione video

Normalmente, un confronto tra le due architetture di processori non ha senso. Ogni architettura ha i suoi vantaggi e i suoi campi di applicazione. Tuttavia, vorrei farti notare quanto siano diverse le prestazioni dei due processori. Così ho preso il DVD di «Sleepy Hollow» e convertito il filmato da MPEG-2 a H264. In breve: ho ridotto un film di circa 6,3 GB a 1400 MB mantenendo la stessa qualità.

I seguenti dispositivi concorrono tra di loro:

  • Notebook Lenovo X220 (2012) con Intel Core i5-2520M, 2 core, 2.50 GHz di frequenza clock di base (max. frequenza di clock turbo di 3.20 GHz)

  • Smartphone Blackberry Priv (2015) con Qualcomm Snapdragon 808, 6 core, frequenza di clock fino a 2.0 GHz

Naturalmente, mi assicuro che lo stesso bit rate sia preimpostato su entrambi i dispositivi oltre allo stesso codec. Converto (software decoding) il filmato con 1400 kbps, per scopi di test solo in un passaggio (di solito, per convertire i video occorrono almeno due passaggi per garantire una qualità migliore). Lascio le tracce audio intatte nel formato DTS.

Conversione su notebook

Per la conversione con il notebook uso VirtualDub. Lascio le barre nere intorno al video al fine di creare le stesse condizioni come più tardi sullo smartphone (non è possibile ritagliare).

La configurazione del codec: per scopi di test, convertiamo eccezionalmente in «Single-Pass-Modus».

Con il Core i5-2520M, un po' superato, il processo dura circa un'ora. Nel 2002 il mio Pentium avrebbe richiesto circa 8 ore. A quel tempo lasciavo il PC tutta la notte acceso per convertire i film.

La conversione con il notebook richiede circa un'ora.

Conversione su smartphone

Per convertire un file da 6,3 GB con il mio smartphone, devo cercare un software che non si arresti in modo anomalo o che non visualizzi messaggi di errore durante l'elaborazione dei dati. Alla fine, l'applicazione «A/V Converter» funziona.

Il mio smartphone avvia la conversione e riesce a rendere circa 10 fotogrammi al secondo. Attendo cinque minuti e il tempo totale suggerito è di 4 ore e 3 minuti.

La conversione con lo smartphone è quattro volte più lunga di quella con il notebook.

Conclusione

L'esempio di conversione mostra bene che un SoC per smartphone non può essere paragonato a una CPU per PC convenzionale. Il tempo che ne consegue per la stessa operazione, quattro volte superiore, ci rende consapevoli di quanto siano deboli i nostri compagni di viaggio quotidiani.

Considerando il consumo energetico molto basso di soli 5 watt con un SoC smartphone, l'asino zoppo si trasforma rapidamente in un mulo laborioso. Il mio i5 consuma circa 35 watt, che potrebbero alimentare sette SoC. Se fossero collegati, la conversione sarebbe più veloce con lo stesso consumo di energia che con la CPU del PC.

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La mia musa ispiratrice si trova ovunque. Quando non la trovo, mi lascio ispirare dai miei sogni. La vita può essere vissuta anche sognando a occhi aperti.

26 Commenti

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User fumo

Und wie lange hat der SoC dann schlussendlich wirklich gebraucht? Dass man die vorangeschlagene Zeiten nicht ernst nehmen kann sollte man wissen wenn man sich schon seit der 286er Generation in der Szene bewegt...

05.04.2018
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User Löchliwasser

Und wieso unbedingt das BlackBerry Priv gewählt wurde, ist mir auch fraglich. Der Snapdragon 808 war ja auch beim Erscheinen nicht das Topmodell.

05.04.2018
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User Martin Jud

@fumo
Habe den Prozess bei 53 Prozent nach 2 Stunden und 15 Minuten abgebrochen. Bei «Time left» standen noch 1 Stunde und 55 Minuten. Und ja, schnelle Szenen benötigen mehr Rechenleistung als langsame. Man kann keine exakte Voraussage machen, jedoch eine ungefähre. Der Vergleich macht nur insofern Sinn, dass er ein Gefühl für den Unterschied der Power der CPU-Architekturen vermittelt.

05.04.2018
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User Martin Jud

@Löchliwasser
Weil ich keine Lust hatte mit dem Schreiben und Vergleichen zu warten. Die Muse hat mich gleich nach der Idee zum Artikel gepackt. Da habe ich kurzerhand mein privates Notebook und Smartphone benutzt.

05.04.2018
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User fumo

Achso, der Test wurde abgebrochen. Somit ist also das ganze hier wieder Mal nur unbrauchbares Datenmüll den ihr bei euch produziert habt. Absolut keine verwertbaren Informationen.

05.04.2018
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User Felix8952

@Fumo
Also, dass das hier keine professionelle wissenschaftliche Studie sein soll ist dir hoffentlich klar... Es ging ja nur darum einen ungefähren Vergleich zwischen den beiden Chips zu demonstrieren.

Vermutlich ist das SoC wegen Temperaturproblemen mit der Zeit sowieso langsamer geworden, was aber nichts über die Leistungsfähigkeit des Chips aussagt.

20.04.2018
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User Hannes2000

Laut dem Bild wurde auf dem PC mit Preset Medium konvertiert und am Handy mit Preset Slow?
x264 codec vermutlich bei PC und Handy.
Preset Slow ist einiges langsamer als Medium, bringt aber bei gleicher Dateigrösse eine bessere Qualität.

Der Vergleich ist so aber dann auch nicht brauchbar.

06.04.2018
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User drazentomic

Der Vergleich hinkt, auch wenn er für ein besseres SEO gemacht worden ist.
Niemanden kommt im Sinn den Klavier per Kleinwagen zu transportieren. Wieso fahren wir aber alle mit dem Lastwagen zur Migros? Ein Smartphone-SoC reicht doch für Briefe und Surfen, siehe auch Raspberry Pi.

04.04.2018
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User Anonymous

Der Vergleich macht insofern Sinn, weil es momentan gerüchtet, dass Apple künftig die CPUs für ihre Notebooks/Desktops selber herstellen möchte. Da sie aber keine Patente für x86, dafür aber Knowledge zu ARM besitzen, läuft es vermutlich auf letzteres raus. Für mich ist es schwer vorstellbar, dass man mittels ARM-Architektur Intel im Leistungsbereich ernsthaft Konkurrenz machen kann. Insofern ist der Artikel eine weitere Bestätigung dafür, dass an diesen Gerüchten eher nichts dran ist.

05.04.2018
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User fumo

Apple soll, nachdem sie sich mühsam von der eigene Architektur getrennt haben, dem "IBM-Modell" wieder den Rücken kehren? Und dann auch noch selbst Hardware bauen, so ganz ohne eigene Fabriken? Klingt eher nach 1. April Scherz als Gerücht.

06.04.2018
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User Helvetier

Toller Bericht, war sehr informativ und gut verständlich.

05.04.2018
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User Anonymous

Die Einleitung war sehr gut geschrieben, danach ist man aber gar abrupt zu einem Ende gekommen. Ein einzelner Benchmark dürfte auch nicht ausreichen, um ein ernsthaftes Fazit zu einem solch komplexen Vergleich zu ziehen.

05.04.2018
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User lukasgabi6

Dass ausgerechnet ein Chip aus der berüchtigten 810er Zeit genommen wurde ist unglücklich. Dann auch noch ein Dual core Modell anstelle der heute gängigen Quadcores (4 grosse, 4 kleine). Bei gleicher Taktrate und IPC unter optimalen Bedingungen würde man die hälfte der Zeit erwarten.

15.04.2018
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User Anonymous

Der Vergleich hinkt u.A. auch, weil der i5-2520M damals basierend auf der 32nm Lithographie gebaut wurde und auch 3 Jahre älter ist als der Snapdragon 808. Es würde mich mal sehr wundern, was die Leistung bei gleicher Lithografie und bei ähnlichem Erscheinungsdatum ist ; bitte mindestens 2017.

05.04.2018
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User fumo

Es würde aufs selbe Ergebnis hinauslaufen, nur die Zeiten wären anders.

05.04.2018
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User Anonymous

Da wäre ich mir gar nicht so sicher. Ich könnte mir vorstellen, dass das Ergebnis einiges enger ist.

05.04.2018
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User Waxer_R6

du meinst wohl eher, dass der neure CPU dem Snapdragon den Ar*** aufreisst?
Aber wie schon so oft gesagt, der Vergleich macht keinen Sinn.

05.04.2018
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User Anonymous

ZB. Snapdragon 821 (zB. Google Pixel XL, ca. 1.875 GHz) vs i5-8350U (limit auf TDP Up 1.9 GHz) - zwar ist der i5 ca. 1 Jahr jünger, aber der Vergleiche sollte einiges besser passen, als der im Artikel!

05.04.2018
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User Anonymous

Hyperthreading müsste man da aber deaktivieren

05.04.2018
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