Qualcomm Snapdragon 865 è "the beast", il cuore degli smartphone del 2020

La prima giornata del Qualcomm Snapdragon Tech Summit ha visto le discussioni incentrate sulla diffusione del 5G e sugli strumenti, in termini di SoC, che Qualcomm prevede di avere a disposizione per alimentare l'adozione del 5G da parte del maggior numero di utenti. L'obiettivo dichiarato dell'azienda di San Diego è quello di rendere accessibile, nel corso del 2020, la connettività 5G ad un numero sempre più ampio di utenti a livello globale: fondamentale per questo risultato è ovviamente l'utilizzo di smartphone compatibili, basati sui nuovi SoC annunciati nel corso del primo keynote del Summit.

Snapdragon 865 e Snapdragon 765

Nella seconda giornata è la volta di un'analisi approfondita delle soluzioni Snapdragon 865 e Snapdragon 765, alla scoperta delle novità implementate da Qualcomm in questi due nuovi chi che verranno adottati dagli smartphone attesi al debutto nel corso del 2020. La strada che ha portato a Snapdragon 865, il nuovo top di gamma per gli smartphone del 2020, è lunga 3 anni: è stato infatti nel corso del quarto trimestre 2016 che Qualcomm ha iniziato a sviluppare IP che sarebbero state poi integrate all'interno di questo nuovo SoC. 12 mesi dopo, nel corso del quarto trimestre 2017, Qualcomm ha completato la definizione delle specifiche mentre circa 1 anno fa l'azienda ne ha completato il design ufficiale. Oggi questo prodotto è pronto per la produzione con tecnologia a 7 nanometri, ad opera della taiwanese TSMC, con debutto sul mercato nei primi smartphone atteso per i primi mesi del 2020. Per Snapdragon 765 Qualcomm adotta la stessa tecnologia a 7 nanometri di Snapdragon 865, in questo caso servendosi però di Samsung quale partner per la produzione.

Snapdragon 865 è una vera e propria piattaforma, fatta da diversi componenti che sono funzionali ad esprimerne tutte le capacità. In molti casi, lo vedremo molto chiaramente con gli ambiti di intelligenza artificiale, queste parti operano in parallelo per contribuire con le proprie specifiche caratteristiche ad offrire le più elevate prestazioni possibili. L'elemento collante del tutto è proprio quello della connettività 5G, qui gestita dal modem X55 che è montato su un componente esterno e non integrato nel SoC Snapdragon 865. Differiscono in questo i due SoC di fascia più bassa, Snapdragon 765 e Snapdragon 765G, in quanto integrano al proprio interno il modem X52: questa scelta è pensata proprio nella strategia di voler rendere disponibile la connettività 5G anche in smartphone posizionati nel segmento di fascia media e in questo modo incentivare la diffusione di questa tecnologia.

La scelta di mantenere il modem all'esterno del SoC Qualcomm 865 e non integrarlo è legata a considerazioni sulla densità complessiva del chip e le rese produttive, anche con tecnologia produttiva a 7 nanometri. Per Qualcomm l'eventuale integrazione del modem X55 all'interno di Snapdragon 865, alla luce delle tecnologie ora a disposizione, avrebbe richiesto compromessi in termini di caratteristiche tecniche e funzionalità, tanto del SoC come del modem stesso. Le dimensioni e le specifiche di Snapdragon 765 hanno invece permesso di raggiungere questo livello di integrazione senza per questo limitare le specifiche tecniche volute per questo SoC.

Qualcomm offrirà Snapdragon 965 come piattaforma abbinata al modem X55: la funzionalità 5G verrà quindi sempre offerta, unitamente al supporto agli standard precedenti come 4G e 3G che sono supportati da questo modem. Non solo: Qualcomm conferma che il modem X55 sia il migliore in commercio al momento attuale anche per quanto riguarda la connettività 4G. I produttori di smartphone offriranno quindi i propri modelli tutti con connettività 5G, anche per quelle regioni che al momento attuale non offrono connettività 5G con le proprie reti. Per questo motivo è presumibile che gli smartphone verranno proposti come "5G-Ready" in quelle nazioni ancora dotate di sola connettività 4G, di fatto assicurando che nel momento in cui le reti 5G saranno implementate il proprio smartphone basato su SOC Snapdragon 865 sarà in grado di sfruttare tutta la potenzialità di questa tecnologia.

Hexagon 698

Hexagon 698 è il nuovo processore integrato nel SoC Snapdragon 865, dotato al proprio interno di un nuovo engine per l'intelligenza artificiale, la quinta generazione per Qualcomm. Il tensor accelerator è stato completamente rivisto ed è in grado di fornire più di 4 volte le prestazioni in termini di TOPs rispetto alla precedente generazione oltre ad un miglioramento del 35% dell'efficienza energetica.

Qualcomm indica in 15 miliardi di operazioni al secondo la potenza di elaborazione di picco di cui è capace questo engine AI di quinta generazione, più del doppio rispetto a quanto ottenibile con Snapdragon 855 e ben 5 volte prendendo come riferimento quello del SoC Snapdragon 845 presentato sul mercato esattamente 24 mesi fa.

Qualcomm ha fornito alcuni risultati prestazionali di riferimento per Snapdragon 865 rispetto a due piattaforme concorrenti, non direttamente indicate ma che possiamo immaginare siano quelle sviluppate da Apple e da Huawei. Il vantaggio in termini di capacità di elaborazione con intelligenza artificiale è netto secondo questi dati, anche prendendo quale riferimento il consumo complessivo.

L'engine di intelligenza artificiale permette a Snapdragon 865 di operare la fotocamera con un consumo inferiore a 1mW, mantenendo un consumo estremamente ridotto in idle anche per la parte audio. Quest'ultima caratteristica permette di creare scenari applicativi molto particolari: Qualcomm ha eseguito una demo durante la quale viene convertito in tempo reale non solo il testo da una lingua all'altra, ma anche trasformare il parlato in altra lingua in tempo reale. Questa funzionalità apre lo spazio a conversazioni telefoniche fatte tra persone che non parlano una lingua comune, le cui parole vengono convertite automaticamente e in tempo reale nella lingua dell'altro interlocutore.

Completano le caratteristiche di Hexagon 698 la cache di sistema da 3 Mbytes, mentre il controller memoria integrato implementa supporto sia per lo standard LPDDR4 a 2133MHz sia per quello LPDDR5 a 2750MHz. Quest'ultimo, se adottato dal produttore OEM dello smartphone, permette di ottenere un positivo impatto sulle prestazioni in virtù della superiore bandwidth della memoria di sistema.

Kyro 585

La nuova componente CPU prende il nome di Kyro 585, mantenendo rispetto al predecessore Kyro 485 lo stesso tipo di design con 3 distinte tipologie di core di elaborazione:

• 1 core Prime a 2,8 GHz di clock di tipo Cortex-A77, con un quantitativo di cache L2 di 512 Kbytes che è doppio rispetto a quello degli altri core
• 3 core Performance a 2,4 GHz, di tipo Cortex-A77 con cache L2 da 256 Kbytes per ogni core
• 4 core Efficiency a 1,8 GHz di clock, di tipo Cortex-A55, ciascuno con 128 Lbytes di cache L2

E' questo il classico design big.LITTLE della proposte ARM, con 4 core di più elevata potenza di calcolo (di cui uno più spinto degli altri 3) dedicati alle elaborazioni più gravose che si alternano a 4 core a più basso consumo.

Rispetto a quanto implementato nei core Kyro di Snapdragon 855,  Qualcomm dichiara con la nuova generazione un aumento delle prestazioni medie quantificato nel 25%, con un incremento dell'efficienza energetica sempre pari al 25%. La peculiarità di questi risultati è che arrivano a parità di frequenza di clock rispetto alla precedente generazione e mantenendo lo stesso processo produttivo a 7 nanometri, per quanto quello attualmente offerto da TSMC rappresenti una evoluzione di quello disponibile 12 mesi fa. Qualcomm nn ha fornito specifiche informazioni a riguardo ma riteniamo che i miglioramenti indicati siano dipendenti sia da affinamenti a livello architetturale grazie ai nuovi core arm, sia dall'adozione di memoria di sistema con una superiore bandwidth di circa il 30% rispetto a Snapdragon 855.

Adreno 650

Adreno 650 è il nome della nuova GPU integrata in Snapdragon 865: offre una potenza di rendering superiore del 20% rispetto al predecessore Adreno 640, adottato in Snapdragon 855, unitamente ad un aumento dell'efficienza energetica del 35%. Questo implica superiori prestazioni con i giochi e con le applicazioni che mettono sotto stress la componente GPU del dispositivo mobile, mantenendo i consumi sotto controllo.

Qualcomm ha lavorato con Google per implementare, in Adreno 650, una nuova modalità di aggiornamento software dei driver video che sia indipendente dagli update del sistema operativo Android. L'aggiornamento software di questo chip avviene ora attraverso il Play Store di Google, al pari di quanto avviene con le app, permettendo a Qualcomm di aggiornare più spesso i driver e in questo modo fornire migliorie prestazionali oltre a correzioni dei bug. Si tratta di un approccio speculare a quanto avviene nel mondo dei PC e che permette a un componente fondamentale come la GPU di essere sempre al passo con le innovazioni implementate dalle varie applicazioni eseguite.

La nuova GPU è inoltre in grado di venir abbinata a schermi specifici per i videogiocatori caratterizzati da una frequenza di refresh verticale di 144Hz: anche questa caratteristica replica l'evoluzione che è stata portata avanti negli ultimi anni nel mondo delle soluzioni gaming per PC ed estende quanto visto negli ultimi 2 anni da parte di produttori specializzati in smartphone per gaming come ad esempio ASUS e Razr. Driver con aggiornamento indipendente dalle release di aggiornamento del sistema operativo e supporto a schermi con risoluzioni sino a 144 Hz rappresentano due caratteristiche fondamentali per la prossima generazione di smartphone specificamente dedicati ai videogiocatori che vedremo in commercio nel corso del 2020.

Game Color + 2.0 è una funzionalità implementata in Snapdragon 865 che permette con i giochi che non sono pensati per la modalità HDR di essere eseguiti all'interno dello spazio colore HDR, così da renderne i colori ancora più realistici e vibranti. Questa funzionalità esegue un incremento della saturazione dei colori per ogni frame, eseguendo una analisi intelligente che permette di evidenziare quali componenti di ogni singolo frame possano venir processate e quali sia meglio lasciare invariate per preservare il risultato finale in termini di realismo e fedeltà cromatica.

Spectra 480

L'ultimo fondamentale componente di Snapdragon 865 è l'ISP Spectra 480, componente dal quale dipendono le potenzialità di questo SoC legate alla cattura di immagini e di flussi video. Rispetto al modello Spectra 380 implementato in Snapdragon 855 è stata nettamente incrementata la potenza di elaborazione, grazie ad un importante cambiamento architetturale che permette a questo ISP di essere il primo a 2 Gpixel al secondo. Una così elevata potenza di elaborazione permette di implementare nuove funzionalità, che vanno da risoluzioni sempre più elevate e flussi video più complessi unitamente alla possibilità di sfruttare queste caratteristiche in modo continuativo nel tempo e non solo per un limitato arco temporale.

La principale novità del chip Spectra 480 è quella di essere passato dalla gestione di un pixel per ciclo di clock a ben 4 per ciclo di clock: di fatto questo ha portato a quadruplicare la capacità di elaborazione dei pixel quale picco massimo per ogni ciclo di clock. Questo cambiamento dell'architettura interna ha permesso di ottenere un sensibile aumento delle prestazioni ma anche di poter ridurre la frequenza di clock del chip così da diminuirne il consumo complessivo e limitarne l'impatto termico.

Gli smartphone che adotteranno questo nuovo SoC potranno, grazie alla superiore potenza di elaborazione dell'ISP Spectra 480, registrare flussi video e contemporaneamente scattare fotografie con due differenti profili di risoluzione e qualità: sono infatti due i canali paralleli gestiti dall'ISP nello stesso momento. A oggi scattare una fotografia mentre si registra un video è possibile, ma l'immagine che si ottiene altro non è che un frame del flusso video con risoluzione e qualità che sono le stesse del video che si sta registrando. Snapdragon 865 permetterà di andare oltre, ad esempio offrendo la possibilità di registrare un flusso video 4K di tipo HDR e contestualmente scattare una foto da 64 Mpixel.

Parlando di scatti fotografici, i 64 Mpixel rappresentavano il limite massimo che poteva essere gestito dal SoC Snapdragon 855. Con Snapdragon 865 e le innovazioni dell'ISP Spectra 480 Qualcomm offre ora la possibilità di catturare fotografie sino a 200 Mpixel. Per ottenere questo risultato non basta il solo SoC ma è necessario anche un sensore capace di tanto: Qualcomm è al lavoro con un partner per poter rendere questa capacità teorica una realtà all'interno di smartphone top di gamma attesi al debutto nel corso del 2020.

Snapdragon 865 permetterà di catturare flussi video 8K, grazie alle innovazioni di Spectra 480, per un totale di 33 Mpixel. Non solo: questo SoC permetterà di catturare video HDR in formato Dolby Vision. Diminuendo la risoluzione a quella 4K sarà possibile catturare video sino a 120 frames al secondo, caratteristica che si rivela particolarmente interessante pensando alle riprese in slow motion. Il picco masimo di velocità è però quello di flussi video a 960 frames al secondo che Snapdragon 865 permetterà di registrare, senza limitazioni: in precedenza a tale velocità si poteva giungere per un tempo di registrazione di soli 0,4 secondi. Il SoC, grazie alla sua superiore efficienza energetica, è in grado di registrare flussi video a 960 frames al secondo a 720p di risoluzione in modo continuativo senza limiti di tempo.

Da segnalare l'integrazione in Spectra 480 di unità hardware dedicate alla riduzione del rumore degli scatti fotografici e dei video, capaci secondo quanto anticipato da Qualcomm mi incrementare del 40% la capacità di elaborazione dei pixel per la riduzione del rumore durante la registrazione di flussi video. In generale Spectra 480 opera con l'engine di intelligenza artificiale integrato in Snapdragon 865 per migliorare la qualità complessiva di video e immagini catturate, abbinando questo alle superiori caratteristiche in termini di risoluzione e numero di frames al secondo dettagliate poco sopra.

Snapdragon 765 e Snapdragon 765G

Qualcomm ha fornito poche informazioni specifiche sulle caratteristiche dei SoC Snapdragon 765 e Snapdragon 765G; la principale differenza in termini di design rispetto al modello maggiore Snapdragon 865 è ovviamente l'integrazione del modem 5G. Il modem 5G X52 è capace di raggiungere velocità di picco sino a 3,2 Gbps e dotato di funzionalità che sono chiave per la diffusione della connettività a larga scala. Al pari di quanto presente nel modem X55 dynamic spectrum sharing, mmwave e sub-6 sono implementate in questo prodotto e assicureranno secondo Qualcomm la diffusione del 5G su larga scala a livello globale.

L'engine di intelligenza artificiale implementato in Snapdragon 765 è di fatto lo stesso implementato in Snapdragon 865 in termini di funzionalità, ovviamente scalato verso il basso in considerazione del posizionamento di prezzo di questo prodotto. Il risultato finale è un prodotto in grado di elaborare 5,5 miliardi di operazioni al secondo.

Snapdragon 765 reference design

Kryo 475 è la componente CPU integrata in Snapdragon 765, con una frequenza di clock che tocca come picco i 2,3 GHz, mentre la componente GPU Adreno 620 che è in grado di offrire un incremento delle prestazioni del 20% rispetto alla componente integrata nel SoC Snapdragon 730 di precedente generazione. L'ISP Computer Vision implementato in Snapdragon 765 permette di ottenere un contenimento dei consumi sino a 4 volte rispetto al modello di precedente generazione; è integrato per la prima volta il supporto HDR 10+ per questo segmento di prezzo.

Il SoC Snapdragon 765G è proposto in modo specifico al mondo dei videogiocatori, con GPU e CPU più veloci rispetto al modello standard e una serie di funzionalità specifiche legate all'intelligenza artificiale e al gaming. Una di queste caratteristiche è il supporto a schermi con frequenza di refresh verticale di 120Hz a risoluzioni HD o superiori, unitamente ad un aumento delle prestazioni della componente GPU pari al 20% rispetto a quella implementata in Snapdragon 765.

Nella terza giornata dello Snapdragon Tech Summit Qualcomm mostrerà i propri piani di sviluppo legati ai dispositivi di realtà virtuale, realtà aumentata e mixed reality oltre a toccare un tema molto caro all'azienda di San Diego: quello del mondo PC, con la prossima generazione di Always Connected n PC a definire una nuova categoria di dispositivi mobile sempre connessi alla rete anche grazie alla tecnologia 5G.