Tegra - szanse i zastosowania

Witryny internetowe w dzisiejszych czasach czÄ™sto zawierajÄ… zÅ‚ożone elementy jÄ™zyka Java, treÅ›ci wideo w wysokiej rozdzielczoÅ›ci czy gry napisane we Flashu. W Internecie zamieszczono do tej pory sto milionów witryn, a każdego miesiÄ…ca użytkownicy serwisu Youtube™ oglÄ…dajÄ… w nim ponad sześć miliardów klipów. Gry napisane we Flashu również cieszÄ… siÄ™ ogromnÄ… popularnoÅ›ciÄ…. JednÄ… z nich jest flashowa Farmville – gra w niÄ… ponad 78 milionów użytkowników serwisu Facebook. ObsÅ‚uga takich elementów byÅ‚a do niedawna domenÄ… komputerów PC, lecz obecnie użytkownicy chcÄ… coraz częściej korzystać z tych multimedialnych treÅ›ci majÄ…c do dyspozycji urzÄ…dzenia mobilne, takie jak tablety lub smartfony. Dzisiejszy użytkownik oczekuje od urzÄ…dzenia mobilnego zarówno dÅ‚ugiego czasu pracy na akumulatorze, jak i peÅ‚nej obsÅ‚ugi sieci, o tych samych funkcjonalnoÅ›ciach co co komputer klasy PC. PrzeglÄ…darka internetowa to jednak nie wszystko. Użytkownicy czÄ™sto wykorzystujÄ… urzÄ…dzenia mobilne do obsÅ‚ugi wielu innych aplikacji, np. do gier, odtwarzania muzyki, nawigacji, robienia zdjęć czy nagrywania filmów.

WiÄ™kszość urzÄ…dzeÅ„ architektury mobilnej zostaÅ‚a zaprojektowana na podstawie jednego centralnego procesora CPU. Procesor tego typu jest doskonaÅ‚y do obliczeÅ„ ogólnych, lecz ta wydajność nie sprawdza siÄ™ przy obsÅ‚udze wyspecjalizowanych zadaÅ„ audiowizualnych, takich jak dekodowanie obrazu wideo w wysokiej rozdzielczoÅ›ci, gry 3D lub odtwarzanie obrazu wideo w formacie Flash. Nieefektywny energetycznie procesor centralny może osiÄ…gnąć wyższÄ… wydajność kosztem czasu pracy na zasilaniu akumulatorowym, a gdy producent urzÄ…dzenia potraktuje czas pracy, zastosowany procesor zapewni niedostatecznÄ… jakość pracy z urzÄ…dzeniem. Napisano wiele artykuÅ‚ów z poradami dotyczÄ…cymi wydÅ‚użenia czasu pracy na zasilaniu akumulatorowym, ale wiÄ™kszość z nich zaleca wyÅ‚Ä…czenie wielu przydatnych funkcji smartfona w celu zmniejszenia zużycia energii. Nazywamy to efektem paradoksu miÄ™dzy mocÄ… a wydajnoÅ›ciÄ….

Wieloprocesorowa architektura NVIDIA Tegra
Procesor NVIDA Tegra stanowi rozwiÄ…zanie tego paradoksu. Architektura tego ukÅ‚adu zostaÅ‚a zoptymalizowana z myÅ›lÄ… o realizowaniu konkretnych zadaÅ„, dlatego urzÄ…dzenia oparte procesorach Tegra umożliwiajÄ… wyÅ›wietlanie peÅ‚nych witryn internetowych i plików wideo w wysokiej rozdzielczoÅ›ci (1080p), a jednoczeÅ›nie mogÄ… pracować nawet kilka dni na raz naÅ‚adowanym akumulatorze – przy normalnym użytkowaniu. Heterogeniczna architektura tego nowego rozwiÄ…zania zostaÅ‚a oparta na oÅ›miu niezależnych procesorach. Każdy z nich zostaÅ‚ stworzony z myÅ›lÄ… o realizacji konkretnego zdania, np. kodowania lub dekodowania plików wideo, przetwarzania obrazu, przetwarzania dźwiÄ™ku, zarzÄ…dzania zasilania urzÄ…dzenia bÄ…dź obliczeÅ„ ogólnych. ZarzÄ…dzanie mocÄ… procesorów jest realizowane w trybie niezależnym przez mechanizmy sterowania na poziomie lokalnym i na poziomie urzÄ…dzenia, w które wyposażono wszystkie procesory. Mechanizm monitorowania mocy na poziomie systemu sprawia, że platforma Tegra może wÅ‚Ä…czać i wyÅ‚Ä…czać poszczególne procesory odpowiednio do sytuacji – zasilajÄ…c tylko te procesory, które sÄ… potrzebne. Zoptymalizowane zadaniowo procesory Tegra przypominajÄ… pod tym wzglÄ™dem zestaw narzÄ™dzi stolarskich. W takim zestawie znajdziemy narzÄ™dzia do różnych zadaÅ„ – mÅ‚otek, piÅ‚Ä™, Å›rubokrÄ™t czy wiertÅ‚o. Wiemy, że stolarz nie użyje mÅ‚otka do wkrÄ™cania Å›rub, a także nie bÄ™dzie ciąć drewna za pomocÄ… wiertÅ‚a. Każde z jego narzÄ™dzi zostaÅ‚o przystosowane do wykonywania konkretnego zadania lub realizuje konkretnÄ… funkcjÄ™. Podobnie do narzÄ™dzi w zestawie stolarza, procesory Tegra również zostaÅ‚y dostosowane do konkretnych zadaÅ„.
Procesor graficzny: Zapewnia wyjÄ…tkowÄ… wydajność w grach 3D dla urzÄ…dzeÅ„ mobilnych, a także obsÅ‚uguje atrakcyjne wizualnie, wysoce responsywne, dotykowe i trójwymiarowe interfejsy użytkownika,

Procesor dekodujÄ…cy wideo: przelicza algorytmy makroblokowe, w tym algorytm odwróconej transformacji cosinusowej (IDCT), dekodowania zmiennowartoÅ›ciowego (VLD), konwersji przestrzeni kolorów (CSC) oraz przetwarzania strumienia bitów, zapewniajÄ…c w ten sposób możliwość pÅ‚ynnego odtwarzania materiaÅ‚ów wideo w wysokiej rozdzielczoÅ›ci (1080p) oraz materiaÅ‚ów 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 sygnaÅ‚u obrazu (ISP): obsÅ‚uguje algorytmy balansu oÅ›wietlenia, wyostrzania krawÄ™dzi i redukcji szumów, umożliwiajÄ…c zwiÄ™kszanie jakoÅ›ci zdjęć w czasie rzeczywistym.

Procesor dźwiÄ™ku: obsÅ‚uguje algorytmy przetwarzajÄ…ce analogowy sygnaÅ‚ dźwiÄ™kowy, umożliwiajÄ…c odtwarzanie plików dźwiÄ™kowych MP3 w jakoÅ›ci 128kbps przez 140 godzin bez przerwy – na jednym akumulatorze.

Dwurdzeniowy procesor centralny ARM Cortex A9: procesor do zastosowaÅ„ ogólnych, który zapewnia pÅ‚ynniejszÄ… pracÄ™ przeglÄ…darek internetowych podczas wyÅ›wietlania witryn wykorzystujÄ…cych elementy napisane w jÄ™zyku Java.

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

Każdy z tych procesorów zostaÅ‚ wyposażony w zestaw instrukcji, pamiÄ™ci podrÄ™cznych, zegary oraz ukÅ‚ady zoptymalizowane pod realizowanie konkretnych zadaÅ„, a także w mechanizmy monitorujÄ…ce ich dziaÅ‚anie. Zestaw procesorów zadaniowych sprawia, że urzÄ…dzenie może z Å‚atwoÅ›ciÄ… obsÅ‚ugiwać wiele zadaÅ„ jednoczeÅ›nie, np. realizować naraz funkcje wyÅ›wietlania efektów 3D, odtwarzania plików wideo, obsÅ‚ugi funkcji komunikacyjnych i odtwarzania dźwiÄ™ku. Jeżeli w danej chwili obciążenie urzÄ…dzenia nie wymaga stosowania wielozadaniowoÅ›ci, urzÄ…dzenie bÄ™dzie korzystać wyÅ‚Ä…cznie z procesora przeznaczonego dla obecnie pracujÄ…cej funkcji, a pozostaÅ‚e ukÅ‚ady zostanÄ… wyÅ‚Ä…czone. W ten sposób osiÄ…gniÄ™to tak najniższy możłiwy pobór mocy urzÄ…dzenia.

Poniżej przedstawiono trzy przykÅ‚ady ilustrujÄ…ce dziaÅ‚anie mechanizmu optymalizacji pracy procesorów i zarzÄ…dzania energiÄ… architektury NVIDIA Tegra.Odtwarzanie muzyki: Podczas odtwarzania muzyki urzÄ…dzenie wykorzystuje wyÅ‚Ä…cznie dedykowany procesor dźwiÄ™kowy i energooszczÄ™dny procesor ARM7, natomiast pozostaÅ‚e ukÅ‚ady sÄ… wyÅ‚Ä…czone. Mimo, że pozostaÅ‚e procesory zostaÅ‚y zdezaktywowane, ukÅ‚ad ARM7 pobiera listy odtwarzania i dekoduje strumienie dźwiÄ™kowe, zużywajÄ…c przeciÄ™tnie zaledwie 30 mW mocy. Jeżeli urzÄ…dzenie zostanie przeÅ‚Ä…czone w tryb funkcji aparatu, mechanizm zarzÄ…dzania energiÄ… urzÄ…dzenia może wyÅ‚Ä…czyć procesor dźwiÄ™kowy i uruchomić wyÅ‚Ä…cznie procesor przetwarzania obrazu (ISP), który umożliwi pobranie danych obrazu z matrycy aparatu. Procesor ISP przetworzy i oczyÅ›ci pobrany obraz, a nastÄ™pnie przekaże go do gÅ‚ównego procesora, uwalniajÄ…c pamięć na nastÄ™pne zadania.

OglÄ…danie filmów: W przypadku obsÅ‚ugi plików, urzÄ…dzenie wykorzystuje dedykowany procesor dekodujÄ…cy wideo. Ten procesor obsÅ‚uguje treÅ›ci skompresowane kodekiem H.264, nawet te w wysokiej rozdzielczoÅ›ci 1080p, a także może przekazywać zdekodowany strumieÅ„ do wbudowanego gniazda HDMI, aby użytkownik mógÅ‚ wyÅ›wietlić obraz z urzÄ…dzenia mobilnego na dużym telewizorze. W takim przypadku mechanizm zarzÄ…dzania energiÄ… może wyÅ‚Ä…czyć procesor wyÅ›wietlania obrazu i sam ekran urzÄ…dzenia, znacznie zmniejszajÄ…c zużycie energii. PrzykÅ‚adem może być odtwarzacz Zune HD firmy Microsoft, który zostaÅ‚ oparty na architekturze Tegra. Po wyÅ‚Ä…czeniu ekranu w sposób opisany powyżej, to urzÄ…dzenie może odtwarzać materiaÅ‚ HD nawet przez osiem godzin na jednym akumulatorze o pojemnoÅ›ci porównywalnej z przeciÄ™tnym akumulatorem telefonu komórkowego.

Granie w gry: Po uruchomieniu gry, system zarzÄ…dzania energiÄ… uruchamia wysoce zoptymalizowany procesor graficzny NVIDIA, wyÅ‚Ä…czajÄ…c przy tym procesory dekodowania i kodowania wideo oraz procesory przetwarzania obrazu. DziÄ™ki temu procesory zapewniajÄ…ce najwyższÄ… wydajność pracujÄ… (i pobierajÄ… prÄ…d) wyÅ‚Ä…cznie wtedy, gdy sÄ… potrzebne. PrzeÅ‚omowa wydajność i doskonaÅ‚y 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 zostaÅ‚a stworzona zgodnie z filozofiÄ… „zapewnijmy wÅ‚aÅ›ciwe narzÄ™dzie do danego zadania”. Dedykowane procesory o wysokiej wydajnoÅ›ci zapewniajÄ… pÅ‚ynnÄ… pracÄ™ z przeglÄ…darkami internetowymi, doskonale pÅ‚ynne odtwarzania plików wideo w wysokiej rozdzielczoÅ›ci i odtwarzaczach Flash, a także wyjÄ…tkowo dobrÄ… obsÅ‚ugÄ™ gier 3D. PozostaÅ‚e energooszczÄ™dne procesory realizujÄ… funkcje obsÅ‚ugi obrazu i dźwiÄ™ku, umożliwiajÄ…c dużo dÅ‚uższÄ… pracÄ™ z urzÄ…dzeniem.