Tegra - szanse i zastosowania

Witryny internetowe w dzisiejszych czasach często zawierają złożone elementy języka Java, treści wideo w wysokiej rozdzielczości czy gry napisane we Flashu. W Internecie zamieszczono do tej pory sto milionów witryn, a każdego miesiąca użytkownicy serwisu Youtube™ oglądają w nim ponad sześć miliardów klipów. Gry napisane we Flashu również cieszą się ogromną popularnością. Jedną z nich jest flashowa Farmville – gra w nią ponad 78 milionów użytkowników serwisu Facebook. Obsługa takich elementów była do niedawna domeną komputerów PC, lecz obecnie użytkownicy chcą coraz częściej korzystać z tych multimedialnych treści mając do dyspozycji urządzenia mobilne, takie jak tablety lub smartfony. Dzisiejszy użytkownik oczekuje od urządzenia mobilnego zarówno długiego czasu pracy na akumulatorze, jak i pełnej obsługi sieci, o tych samych funkcjonalnościach co co komputer klasy PC. Przeglądarka internetowa to jednak nie wszystko. Użytkownicy często wykorzystują urządzenia mobilne do obsługi wielu innych aplikacji, np. do gier, odtwarzania muzyki, nawigacji, robienia zdjęć czy nagrywania filmów.

Większość urządzeń architektury mobilnej została zaprojektowana na podstawie jednego centralnego procesora CPU. Procesor tego typu jest doskonały do obliczeń ogólnych, lecz ta wydajność nie sprawdza się przy obsłudze wyspecjalizowanych zadań audiowizualnych, takich jak dekodowanie obrazu wideo w wysokiej rozdzielczości, gry 3D lub odtwarzanie obrazu wideo w formacie Flash. Nieefektywny energetycznie procesor centralny może osiągnąć wyższą wydajność kosztem czasu pracy na zasilaniu akumulatorowym, a gdy producent urządzenia potraktuje czas pracy, zastosowany procesor zapewni niedostateczną jakość pracy z urządzeniem. Napisano wiele artykułów z poradami dotyczącymi wydłużenia czasu pracy na zasilaniu akumulatorowym, ale większość z nich zaleca wyłączenie wielu przydatnych funkcji smartfona w celu zmniejszenia zużycia energii. Nazywamy to efektem paradoksu między mocą a wydajnością.

Wieloprocesorowa architektura NVIDIA Tegra
Procesor NVIDA Tegra stanowi rozwiązanie tego paradoksu. Architektura tego układu została zoptymalizowana z myślą o realizowaniu konkretnych zadań, dlatego urządzenia oparte procesorach Tegra umożliwiają wyświetlanie pełnych witryn internetowych i plików wideo w wysokiej rozdzielczości (1080p), a jednocześnie mogą pracować nawet kilka dni na raz naładowanym akumulatorze – przy normalnym użytkowaniu. Heterogeniczna architektura tego nowego rozwiązania została oparta na ośmiu niezależnych procesorach. Każdy z nich został stworzony z myślą o realizacji konkretnego zdania, np. kodowania lub dekodowania plików wideo, przetwarzania obrazu, przetwarzania dźwięku, zarządzania zasilania urządzenia bądź obliczeń ogólnych. Zarządzanie mocą procesorów jest realizowane w trybie niezależnym przez mechanizmy sterowania na poziomie lokalnym i na poziomie urządzenia, w które wyposażono wszystkie procesory. Mechanizm monitorowania mocy na poziomie systemu sprawia, że platforma Tegra może włączać i wyłączać poszczególne procesory odpowiednio do sytuacji – zasilając tylko te procesory, które są potrzebne. Zoptymalizowane zadaniowo procesory Tegra przypominają pod tym względem zestaw narzędzi stolarskich. W takim zestawie znajdziemy narzędzia do różnych zadań – młotek, piłę, śrubokręt czy wiertło. Wiemy, że stolarz nie użyje młotka do wkręcania śrub, a także nie będzie ciąć drewna za pomocą wiertła. Każde z jego narzędzi zostało przystosowane do wykonywania konkretnego zadania lub realizuje konkretną funkcję. Podobnie do narzędzi w zestawie stolarza, procesory Tegra również zostały dostosowane do konkretnych zadań.
Procesor graficzny: Zapewnia wyjątkową wydajność w grach 3D dla urządzeń mobilnych, a także obsługuje atrakcyjne wizualnie, wysoce responsywne, dotykowe i trójwymiarowe interfejsy użytkownika,

Procesor dekodujący wideo: przelicza algorytmy makroblokowe, w tym algorytm odwróconej transformacji cosinusowej (IDCT), dekodowania zmiennowartościowego (VLD), konwersji przestrzeni kolorów (CSC) oraz przetwarzania strumienia bitów, zapewniając w ten sposób możliwość płynnego odtwarzania materiałów wideo w wysokiej rozdzielczości (1080p) oraz materiałów w odtwarzaczach Flash bez nadmiernego zużycia energii akumulatora.

Procesor kodujący wideo: przelicza algorytmy kodowania wideo, tworząc strumienie obrazu w pełnej wysokiej rozdzielczości (1080p) dla funkcji nagrywania obrazu wideo i telekonferencji.

Procesor sygnału obrazu (ISP): obsługuje algorytmy balansu oświetlenia, wyostrzania krawędzi i redukcji szumów, umożliwiając zwiększanie jakości zdjęć w czasie rzeczywistym.

Procesor dźwięku: obsługuje algorytmy przetwarzające analogowy sygnał dźwiękowy, umożliwiając odtwarzanie plików dźwiękowych MP3 w jakości 128kbps przez 140 godzin bez przerwy – na jednym akumulatorze.

Dwurdzeniowy procesor centralny ARM Cortex A9: procesor do zastosowań ogólnych, który zapewnia płynniejszą pracę przeglądarek internetowych podczas wyświetlania witryn wykorzystujących elementy napisane w języku Java.

Procesor ARM7: obsługuje funkcje zarządzania urządzeniem i firmowe mechanizmy oszczędzania energii wbudowane w architekturę NVIDIA Tegra.

Każdy z tych procesorów został wyposażony w zestaw instrukcji, pamięci podręcznych, zegary oraz układy zoptymalizowane pod realizowanie konkretnych zadań, a także w mechanizmy monitorujące ich działanie. Zestaw procesorów zadaniowych sprawia, że urządzenie może z łatwością obsługiwać wiele zadań jednocześnie, np. realizować naraz funkcje wyświetlania efektów 3D, odtwarzania plików wideo, obsługi funkcji komunikacyjnych i odtwarzania dźwięku. Jeżeli w danej chwili obciążenie urządzenia nie wymaga stosowania wielozadaniowości, urządzenie będzie korzystać wyłącznie z procesora przeznaczonego dla obecnie pracującej funkcji, a pozostałe układy zostaną wyłączone. W ten sposób osiągnięto tak najniższy możłiwy pobór mocy urządzenia.

Poniżej przedstawiono trzy przykłady ilustrujące działanie mechanizmu optymalizacji pracy procesorów i zarządzania energią architektury NVIDIA Tegra.Odtwarzanie muzyki: Podczas odtwarzania muzyki urządzenie wykorzystuje wyłącznie dedykowany procesor dźwiękowy i energooszczędny procesor ARM7, natomiast pozostałe układy są wyłączone. Mimo, że pozostałe procesory zostały zdezaktywowane, układ ARM7 pobiera listy odtwarzania i dekoduje strumienie dźwiękowe, zużywając przeciętnie zaledwie 30 mW mocy. Jeżeli urządzenie zostanie przełączone w tryb funkcji aparatu, mechanizm zarządzania energią urządzenia może wyłączyć procesor dźwiękowy i uruchomić wyłącznie procesor przetwarzania obrazu (ISP), który umożliwi pobranie danych obrazu z matrycy aparatu. Procesor ISP przetworzy i oczyści pobrany obraz, a następnie przekaże go do głównego procesora, uwalniając pamięć na następne zadania.

Oglądanie filmów: W przypadku obsługi plików, urządzenie wykorzystuje dedykowany procesor dekodujący wideo. Ten procesor obsługuje treści skompresowane kodekiem H.264, nawet te w wysokiej rozdzielczości 1080p, a także może przekazywać zdekodowany strumień do wbudowanego gniazda HDMI, aby użytkownik mógł wyświetlić obraz z urządzenia mobilnego na dużym telewizorze. W takim przypadku mechanizm zarządzania energią może wyłączyć procesor wyświetlania obrazu i sam ekran urządzenia, znacznie zmniejszając zużycie energii. Przykładem może być odtwarzacz Zune HD firmy Microsoft, który został oparty na architekturze Tegra. Po wyłączeniu ekranu w sposób opisany powyżej, to urządzenie może odtwarzać materiał HD nawet przez osiem godzin na jednym akumulatorze o pojemności porównywalnej z przeciętnym akumulatorem telefonu komórkowego.

Granie w gry: Po uruchomieniu gry, system zarządzania energią uruchamia wysoce zoptymalizowany procesor graficzny NVIDIA, wyłączając przy tym procesory dekodowania i kodowania wideo oraz procesory przetwarzania obrazu. Dzięki temu procesory zapewniające najwyższą wydajność pracują (i pobierają prąd) wyłącznie wtedy, gdy są potrzebne. Przełomowa wydajność i doskonały czas pracy na akumulatorach. 

Tabela przedstawiona poniżej ilustruje przeciętny czas pracy na akumulatorach dla urządzenia typu tablet opartego na architekturze NVIDIA Tegra (wyposażonego w akumulator o pojemności 2000 mAh i ekran zużywający 400 mW mocy).

Wnioski
Zadaniowa, wieloprocesorowa architektura platformy NVIDIA Tegra została stworzona zgodnie z filozofią „zapewnijmy właściwe narzędzie do danego zadania”. Dedykowane procesory o wysokiej wydajności zapewniają płynną pracę z przeglądarkami internetowymi, doskonale płynne odtwarzania plików wideo w wysokiej rozdzielczości i odtwarzaczach Flash, a także wyjątkowo dobrą obsługę gier 3D. Pozostałe energooszczędne procesory realizują funkcje obsługi obrazu i dźwięku, umożliwiając dużo dłuższą pracę z urządzeniem.