Procesadores móviles de 2018: el auge de las funciones de aprendizaje automático

No es sorprendente que los teléfonos inteligentes de este año tengan procesadores más rápidos que los del año pasado, eso sucede todos los años. Pero lo nuevo de este año es el predominio de las características de aprendizaje automático que casi todos los proveedores de procesadores están promocionando como una forma de diferenciar sus dispositivos. Esto es cierto para los vendedores de teléfonos que diseñan sus propios chips, los vendedores de chips independientes o comerciales que venden procesadores a los vendedores de teléfonos, e incluso los fabricantes de IP que diseñan los núcleos que van a los procesadores.

Antecedentes

Primero un poco de historia: todos los procesadores de aplicaciones modernos incluyen diseños (a menudo denominados propiedad intelectual o IP) de otras compañías, especialmente firmas como ARM, Imagination Technologies, MIPS y Ceva. Dicha IP puede aparecer en varias formas: por ejemplo, ARM vende de todo, desde una licencia básica para su arquitectura de 32 bits y 64 bits, hasta núcleos específicos para CPU, gráficos, procesamiento de imágenes, etc., que los diseñadores de chips pueden usar para crear procesadores Por lo general, los diseñadores de chips mezclan y combinan estos núcleos con sus propios diseños, y toman varias decisiones con respecto a la memoria, las interconexiones y otras características, en un esfuerzo por equilibrar el rendimiento con los requisitos de energía, el tamaño y el costo.

En el frente de la CPU, la mayoría de los chips tienen una combinación de núcleos más grandes que son más potentes y funcionan más rápido y más caliente, y núcleos más pequeños que son más eficientes. Por lo general, los teléfonos usarán los núcleos más pequeños la mayor parte del tiempo, pero para tareas exigentes cambiarán a los núcleos de mayor rendimiento y usarán una combinación de núcleos y GPU y otros núcleos para gestionar mejor las necesidades de rendimiento y las consideraciones térmicas (no puede ejecute los núcleos de alto rendimiento durante mucho tiempo, porque se sobrecalentarían, y generalmente no es necesario). Los ejemplos más conocidos para los núcleos grandes son los núcleos Cortex-A75 y A73 de ARM; los núcleos más pequeños coincidentes serían el A55 y el A53. En los teléfonos de gama alta de hoy en día, a menudo verá cuatro de cada uno, en lo que se conoce como un diseño octa-core, aunque algunos proveedores han adoptado otros enfoques.

Para los gráficos, hay más diversidad: algunos proveedores eligen la línea Mali de ARM, otros eligen PowerVR de Imagination Technologies y otros optan por diseñar sus propios núcleos gráficos. Y hay aún más diversidad cuando se trata de cosas como el procesamiento de imágenes, el procesamiento de señales digitales y, últimamente, las funciones de IA.

manzana

Apple comenzó a impulsar sus capacidades de inteligencia artificial en sus anuncios telefónicos de otoño, incluido el chip "A11 Bionic" utilizado en el iPhone 8 y 8 Plus, así como el iPhone X.

El A11 Bionic es una arquitectura de seis núcleos, con dos núcleos de alto rendimiento y cuatro núcleos de eficiencia. Apple diseña sus propios núcleos (bajo una licencia de arquitectura ARM) y tradicionalmente ha impulsado el rendimiento de un solo subproceso. Esto es un paso adelante del A10 Fusion de cuatro núcleos, y Apple dijo que los núcleos de rendimiento en el A11 son hasta un 25 por ciento más rápidos que en el A10, mientras que los cuatro núcleos de eficiencia pueden ser hasta un 70 por ciento más rápidos que el chip A10 Fusion. También dijo que el procesador de gráficos es hasta un 30 por ciento más rápido.

Apple habla sobre el chip que tiene un "Neural Engine" de doble núcleo, que puede ayudar con el reconocimiento de escena en la aplicación de la cámara, y Face ID y Animoji en el iPhone X. La compañía también lanzó una API llamada CoreML, para ayudar a terceros Los desarrolladores crean aplicaciones que aprovechan esto.

Apple generalmente no brinda mucha información sobre sus procesadores, pero dice que el motor neural Bionic A11 es un diseño de doble núcleo que puede realizar hasta 600 mil millones de operaciones por segundo para el procesamiento en tiempo real.

A diferencia de la mayoría de los otros fabricantes de procesadores, Apple no integra el módem en sus procesadores de aplicaciones, y en su lugar utiliza módems independientes Qualcomm o Intel. Ha habido cierta controversia sobre si Apple solo admite las características de sus módems Qualcomm que también son compatibles con Intel; en la práctica, esto significa que los iPhones admiten la agregación de operadores de 3 vías, pero no algunas de las características más avanzadas.

Huawei

Huawei también fue temprano en el impulso de la IA, y llamó a su Kirin 970, que anunció en el show de IFA el otoño pasado, "la primera unidad de procesamiento de IA móvil del mundo". El Kirin 970 se usa en este momento en el Huawei Mate 10. Incluye cuatro núcleos de CPU Cortex-A73 que funcionan a hasta 2.4 GHz y cuatro A53 que funcionan a hasta 1.8 GHz, junto con la GPU Mali G72 MP12 de ARM.

Lo que es particularmente nuevo en el 970 es lo que Huawei llama su NPU, o Unidad de Procesamiento Neural. La compañía ha dicho que las tareas que se pueden descargar a este procesador pueden ver 25 veces el rendimiento y 50 veces la eficiencia en comparación con las que se ejecutan en el clúster de la CPU. Esto está dirigido en particular a un reconocimiento de imagen más rápido y una mejor fotografía. En el show, Huawei dijo que el teléfono puede procesar 1.92 TeraFLOP de 16 bits.

El Kirin 970 tiene un procesador de señal de doble imagen, un módem LTE Categoría 18 con agregación de 5 portadoras y MIMO de 4 por 4 que debería permitir una velocidad máxima de descarga de 1.2Gbps.

En el Mobile World Congress, Huawei anunció su primer módem 5G, el Balong 5G01, que según dijo sería el primer módem 5G en enviarse. Parece probable que algunos futuros procesadores de aplicaciones también adopten este módem, pero eso aún no se ha anunciado. Técnicamente, todos estos productos son creados por la filial HiSilicon de la firma.

Qualcomm

El chip que probablemente esté en el corazón de la mayoría de los teléfonos Android emblemáticos en los Estados Unidos este año es el Snapdragon 845 de Qualcomm. Esta es una actualización del Snapdragon 835, que se usó en la mayoría de los teléfonos Android premium de 2017, y ya se usa en Las versiones norteamericanas del Galaxy S9.

Al igual que con la mayoría de los otros proveedores, Qualcomm está impulsando las redes neuronales y la inteligencia artificial como una de las mayores áreas de mejoras en el chip de este año, junto con un mayor enfoque en la "inmersión", lo que esencialmente significa una mejor imagen.

En el área de IA, a Qualcomm le gusta hablar de tener un motor de procesamiento neuronal (NPE) de múltiples núcleos, que utiliza una nueva versión de su DSP Hexagon, así como la CPU y la GPU para hacer inferencias.

El chip tiene el DSP Hexagon 685, que Qualcomm dice que puede más que duplicar el rendimiento del procesamiento de AI; una CPU Kryo 385, que dice proporciona un aumento del rendimiento del 25 al 30 por ciento para sus núcleos de rendimiento (cuatro núcleos ARM Cortex-A75 que funcionan a hasta 2, 85 GHz), y un aumento del rendimiento de hasta el 15 por ciento para sus "núcleos de eficiencia (cuatro Núcleos Cortex-A55 que funcionan a hasta 1.8 GHz), y todos comparten un caché L3 de 2 MB; y una GPU Adreno 630, que Qualcomm dice que admitirá una mejora del rendimiento del 30 por ciento o una reducción de energía del 30 por ciento, así como hasta 2.5 veces pantallas más rápidas

En el área de IA, el chip admite una gran cantidad de marcos de aprendizaje automático diferentes, y la compañía dice que esto funciona para cosas como la clasificación de objetos, detección de rostros, segmentación de escenas, reconocimiento de altavoces, etc. Dos aplicaciones destacadas son efectos de bokeh en vivo (para producir retratos con un fondo borroso) y detección activa de profundidad y luz estructurada, lo que debería permitir un mejor reconocimiento facial. Al pasar la inferencia de la nube al dispositivo, Qualcomm dice que obtiene los beneficios de baja latencia, privacidad y confiabilidad mejorada.

En el área de imágenes, el chip tiene una nueva versión del Spectra ISP de Qualcomm, captura de video Ultra HD mejorada con reducción de ruido de fotogramas múltiples, la capacidad de capturar video de 16 megapíxeles a 60 fotogramas por segundo y video de cámara lenta de 720p a 480 cuadros por segundo. Para la realidad virtual, el 845 admite pantallas con una resolución de 2K por 2K a 120 cuadros por segundo, un gran avance desde el 1.5K por 1.5K a 60 cuadros por segundo admitido por el 835.

Otras características incluyen una unidad de procesamiento segura, que utiliza su propio núcleo para almacenar información de seguridad fuera del núcleo, y funciona con la CPU y la capacidad TrustZone de Qualcomm.

El 845 integra el módem X20 que Qualcomm presentó el año pasado, que es capaz de admitir la Categoría 18 de LTE (con velocidades de hasta 1.2 Gbps), hasta 5 agregaciones de operadores y 4X4 MIMO, y utiliza técnicas como Acceso asistido con licencia para acelerar velocidades posibles en más áreas.

El chip se fabrica en el proceso de baja potencia de 10 nm de Samsung.

Qualcomm también fabrica la familia de procesadores de aplicaciones Snapdragon 600, liderada por el 660, que es utilizada por muchos proveedores chinos, incluidos Oppo y Vivo. En el período previo al Mobile World Congress, presentó la familia Snapdragon 700, que tiene muchas de las mismas características que la familia 800, incluyendo Hexagon DSP, Spectra ISP, Adreno Graphics y Kryo CPU. En comparación con el 660, Qualcomm dice que ofrecerá una mejora del doble en las aplicaciones de inteligencia artificial en el dispositivo y una mejora del 30 por ciento en la eficiencia energética.

Samsung

Si bien utiliza procesadores Qualcomm en la mayoría de sus teléfonos norteamericanos, en muchos otros mercados, Samsung usa sus propios procesadores Exynos, y está comenzando a poner dichos procesadores a disposición de otros fabricantes de teléfonos.

Su nuevo tope de gama es el Exynos 9810, que Samsung usará en versiones internacionales del Galaxy S9 y S9 +.

Nuevamente, Samsung está impulsando nuevas funciones para el "software basado en el aprendizaje profundo", que dice que ayuda al procesador a identificar con precisión elementos o personas en los teléfonos, y admite un sentido profundo para el reconocimiento facial.

El 9810 también es un chip de ocho núcleos, con cuatro núcleos A55 para la eficiencia energética y cuatro diseños de CPU personalizados para el rendimiento. Samsung dice que estos nuevos núcleos, que pueden funcionar a hasta 2.9GHz, tienen una tubería más amplia y una memoria caché optimizada, dándoles el doble del rendimiento de un solo núcleo y un 40 por ciento más de rendimiento de múltiples núcleos en comparación con su predecesor, el 8895 del año pasado. Los puntos de referencia publicados muestran mejoras en el mundo real, pero no tanto como se afirma; sigo siendo escéptico de todos los puntos de referencia móviles en este momento).

Otras características incluyen gráficos Mali-G72 MP18, soporte para pantallas de hasta 3840 por 2400 y pantallas de 4096 por 2160, un procesador de señal de imagen dual (ISP) y soporte para captura 4K a 120 cuadros por segundo. El 9810 también tiene un módem de Categoría 18 con 6 agregaciones de portadora y MIMO de 4 por 4 para enlace descendente (2 CA para enlace ascendente), con una velocidad máxima de enlace descendente de 1, 2 Gbps y cargas de 200 Mbs. En el papel, esto coincide con los módems de la Categoría 18 que Qualcomm y Huawei tienen en sus chips principales actuales. Al igual que el Snapdragon 845, está fabricado en el proceso FinFET de 10nm de segunda generación de Samsung.

MediaTek

MediaTek ha sido más un jugador en teléfonos de gama media e inferior, y el mes pasado presentó un nuevo chip llamado Helio P60 dirigido al mercado "New Premium": teléfono de gama media en el rango de $ 200- $ 400 que ofrece todo el características básicas de los teléfonos de gama alta. El primer teléfono anunciado que usará este chip es el Oppo R15.

El procesador principal de la compañía, anunciado el año pasado, es el Helio X30, que es un procesador deca-core destinado a teléfonos premium. Esto incluye dos núcleos de CPU ARM Cortex-A73 que funcionan a hasta 2.5 GHz, cuatro núcleos Cortex-A53 que funcionan a hasta 2.2 GHz y cuatro núcleos A35 que pueden funcionar a hasta 1.9 GHz, junto con los gráficos PowerVR Series 7XT Plus de Imagination 800 GHz y un módem LTE Categoría 10 capaz de agregar 3 portadoras en el enlace descendente. Es un chip interesante, producido en el proceso de 10 nm de TSMC, e impulsa la idea de que más núcleos pueden ser más flexibles. Entre los teléfonos anunciados que usan esto se encuentran el Meizu Pro 7 Plus con pantallas duales y el Vernee Apollo 2 (cámara frontal de 8MP, cámaras traseras de 16MP + 13MP).

El año pasado, MediaTek anunció dos procesadores de mercado medio, el Helio P23 y P30, dirigidos específicamente a los mercados globales y a China, cada uno con ocho núcleos Cortex-A53 funcionando a 2.53 GHz y gráficos Mali G71 MP2. Estos son los chips que el P60 está diseñado para reemplazar, y ofrecen más potencia y permiten una serie de nuevas características.

El P60 ofrece más rendimiento y es un retorno a la configuración big.LITTLE ARM y MediaTek empujados en años anteriores, combinando cuatro de los ARM Cortex-A73 más potentes a hasta 2.0 GHz con cuatro de los Cortex-A53 más eficientes núcleos, también a 2.0 GHz. A estos se une una GPU ARM Mali G72 NMP3 a hasta 800 MHz, y todos están controlados por la cuarta versión de la tecnología CorePilot de MediaTek para programar dónde se ejecutan las tareas. En comparación con el P23 y el P30, MediaTek dice que el P60 ofrece una mejora del rendimiento del 70 por ciento en las operaciones de CPU y GPU.

MediaTek también se está subiendo al tren de la IA, con el P60 que incluye su plataforma NeuroPilot para la aceleración del hardware de la red neuronal. Esto es compatible con la red neuronal de Google Android (NN) y los marcos de AI comunes, incluidos TensorFlow, TensorFlow Lite, Caffe y Caffe 2. Este es efectivamente un procesador de señal digital especializado capaz de 280 GMAC (miles de millones de operaciones de acumulación múltiple por segundo). Está diseñado para usarse para cosas como el reconocimiento facial para desbloquear un teléfono (algo que hemos visto en teléfonos de gama alta pero no en teléfonos de gama media hasta ahora) y el reconocimiento de objetos, incluso en videos, a 60 cuadros por segundo.

Además, el P60 tiene una serie de nuevas características de imagen, incluidos tres procesadores de sensores de imagen que pueden admitir una configuración de cámara dual de sensores de 16 y 20 MP o una sola cámara de hasta 32 MP. (Todavía no he visto un teléfono en producción con un sensor de cámara con tantos megapíxeles, pero supuestamente están llegando). Estos sensores agregan funciones de reducción de ruido, junto con bokeh en tiempo real (el desenfoque del fondo utilizado en los modos de retrato).

El chip incluye un módem que admite descargas de Categoría 7 (hasta 300 Mbps) y cargas de Categoría 13 (hasta 150 Mbps con agregación de 2 operadores). Se fabrica en el proceso FinFet de 12 nm de TSMC, que según la compañía le ayuda a ofrecer un ahorro de energía del 25 por ciento para aplicaciones intensivas en energía, como juegos, y un ahorro de energía del 12 por ciento en general.

Spreadtrum

Spreadtrum, que fabrica módems que se venden principalmente en el mercado chino, anunció una asociación con Intel que utilizará el módem 5G de Intel y las CPU compatibles con ARM. Todavía faltan algunos años, por lo que aún no hay detalles disponibles.

Tenga en cuenta que si bien Spreadtrum no es muy visible en los Estados Unidos, solo sigue a Qualcomm y MediaTek en el mercado comercial de procesadores de aplicaciones. Principalmente vende productos con CPU ARM y su propio módem 4G, pero tiene un acuerdo con Intel y es propiedad de una minoría. Esto ha resultado en un chip con CPU de Intel y el módem de Spreadtrum (lo opuesto al nuevo anuncio).

BRAZO

Por supuesto, no son solo los fabricantes de chips los que ven a la IA como la próxima gran ola, y las compañías que hacen la IP también han estado haciendo un gran esfuerzo en esta área.

ARM, el más exitoso de los fabricantes de IP, anunció un paquete de IP para aprendizaje automático el mes pasado, que incluye hardware y software, y lo promovió en el Mobile World Congress.

Apodado Project Trillium, esto incluye diseños de procesadores (IP) para Machine Learning (ML) y Object Detection (OD), junto con una nueva biblioteca de software.

El procesador ML está diseñado para ubicarse dentro de un procesador de aplicaciones y ejecutarse junto a la CPU, la GPU y el núcleo de la pantalla. La biblioteca de software, conocida como ARM NN (red neuronal), está diseñada para admitir marcos como TensorFlow, Caffe y Android NN. Esto permite que estas aplicaciones se ejecuten solo a través de software en procesadores existentes que tienen CPU y gráficos ARM; aunque, por supuesto, se acelerará considerablemente cuando se ejecute en procesadores que incluyan los núcleos ML. El software de terceros también funcionará en el núcleo del procesador. ARM dice que el núcleo ML fue diseñado desde cero específicamente para ejecutar redes neuronales. Puede ejecutar aplicaciones de 8 y 16 bits, aunque la tendencia es centrarse en 8 bits por simplicidad.

El procesador OD está diseñado para sentarse junto a un procesador de señalización de imagen (ISP), con el fin de proporcionar detección de objetos de baja potencia, específicamente para aplicaciones como la detección de rostros y el movimiento de seguimiento. Este es un bloque de hardware dedicado diseñado para ser utilizado con nuevas tecnologías de sensores, como cámaras estereoscópicas.

ARM dijo que la nueva IP estaría disponible para la vista previa del desarrollador en abril y generalmente estará disponible más adelante este año, pero dado un ciclo de tiempo típico, es poco probable que los nuevos núcleos de procesador aparezcan en chips hasta 2019 o más tarde. Por supuesto, el software, que funciona en núcleos existentes, podría implementarse mucho antes.

ARM también promovió algunas soluciones nuevas para Internet de las cosas, incluida una nueva solución SIM llamada Kigen, diseñada para ser construida dentro de SoCs para dispositivos de baja potencia para reemplazar las tarjetas SIM físicas de hoy.

Tecnologías de imaginación

Imagination, conocida por sus gráficos PowerVR, anunció su IP de redes neuronales el otoño pasado, la aceleración de redes neuronales (NNA) PowerVR 2NX. Esta es una arquitectura flexible con uno a ocho núcleos, cada uno de los cuales puede tener 256 unidades de acumulación múltiple multiplay (MAC) de 8 bits. La imaginación ha dicho que puede realizar más de 3, 2 billones de operaciones por segundo.

Ceva

Otros proveedores de IP también están entrando en el mercado. Ceva, que es conocida por sus núcleos DSP, acaba de anunciar NeuPro, una familia de núcleos de procesador de IA diseñados para dispositivos de borde. Estos se basan en procesadores que la empresa ha vendido en el área de visión por computadora, y utilizan el marco CDNN para una variedad de "procesos de IA". Esto funcionará con los marcos comunes de aprendizaje automático y los convertirá para ejecutarse en procesadores móviles para hacer inferencias. La compañía planea procesadores que van de 2 a 12.5 teraops por segundo (TOPS) diseñados para productos de consumo, vigilancia y ADAS (para vehículos autónomos). Ceva ha dicho que un importante cliente automotriz planea habilitar 100 TOPS de rendimiento utilizando menos de 10 vatios de potencia. Las licencias comenzarán en la segunda mitad de este año.

Ceva también anunció su plataforma PentaG de DSP para módems de banda base 5G. La compañía dice que sus DSP actuales se encuentran en el 40 por ciento de los teléfonos del mundo, que cubren alrededor de 900 millones de teléfonos al año y en módems de Intel, Samsung y Spreadtrum. La nueva plataforma tiene más IA, utilizada particularmente para la "adaptación de enlaces". En el mundo 5G, los teléfonos pueden tener múltiples enlaces a una estación base, y Ceva dice que su hardware y software ayuda a determinar el mejor enlace cada pocos milisegundos. Esto puede ahorrar mucha energía en comparación con el uso de software solo. Este no es un DSP de propósito general o chip de red neuronal, sino más bien uno diseñado específicamente para comunicaciones. Acaba de anunciarse y debería estar disponible en el tercer trimestre.

Ceva también está haciendo un gran impulso para los DSP en el mercado de estaciones base 5G, y ha dicho que hasta el 50 por ciento de la nueva infraestructura de radio 5G utilizará el DSP IP de la compañía, incluidos los sistemas de Nokia y ZTE.

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