Chips ARM: Entendendo as diferenças entre o Hummingbird, Snapdragon, OMAP e Tegra

Diferente dos processadores x86, que são produzidos pela Intel e pela AMD (e em menor volume também pela VIA), os chips ARM não são produzidos por uma única empresa, mas sim licenciados e produzidos por diversos fabricantes.

A ARM Ltd., que é a responsável pelo desenvolvimento dos chips e detentora dos direitos sobre a arquitetura, não produz os processadores, se limitando a licenciar os projetos a preços módicos para outros fabricantes, que podem optar por diversos tipos de licença, que vão de simples licenças para produzir os chips, a opções que permitem modificar os chips, incluir componentes adicionais, ou até mesmo ter acesso completo ao microcódigo e desenvolver chips compatíveis.

Este é o caso de fabricantes como a QualComm, a Texas Instruments e a Samsung, que desenvolvem soluções próprias, incluindo controladores auxiliares e frequentemente otimizações dentro do próprio núcleo de processamento.

Com exceção do Tegra 2, que inclui dois processadores ARM Cortex A9 não-modificados, combinados com a GPU desenvolvida pela nVidia e outros componentes, praticamente todos os SoCs para smartphones high-end que temos no mercado incluem modificações nas unidades de processamento que influenciam o desempenho e o consumo elétrico. Embora seja comum dizermos que o Qualcomm Snapdragon inclui um processador Cortex A8, do ponto de vista técnico isso não é inteiramente correto, já que ele inclui um processador desenvolvido pela própria Qualcomm, o Scorpion, que apesar de ser baseado no Cortex A8 e compatível com ele, inclui muitas modificações e um desempenho ligeiramente diferente. Vamos então aos detalhes as peculiaridades de cada chip:

TI OMAP

A Texas Instruments saiu na frente na ascensão dos super-phones com o Android, equipando tanto o Motorola Droid original quando o Droid X e o Droid 2. Apesar disso, eles acabaram perdendo terreno daí em diante, assistindo à ascensão dos chips da Qualcomm e da Samsung, que passaram a ser usados na grande maiores dos novos modelos.

Assim como a Qualcomm e a Samsung, a Texas possui uma licença de arquitetura para o Cortex A8, que permite a ela realizar modificações no projeto do processador, além de agrupá-lo com outros componentes conforme desejado. Apesar disso, a Texas não realiza modificações consideráveis no projeto do chip, preferindo oferecer SoCs com versões vanila do A8.

Dois dos SoCs de maior sucesso da TI são o OMAP 3430 (o chip de 65 nm usado no Milestone) e o OMAP 3630, o sucessor de 45 nm usando no usado no Droid 2.

Embora seja capaz de operar a até 1.2 GHz em overclock (como no caso do Motorola Milestone), o OMAP 3430 apresenta um console elétrico muito elevado a essas frequências, o que faz com que os fabricantes tenham optado por usá-lo a apenas 550 ou 600 MHz. O OMAP 3630 por sua vez é fabricado em uma técnica de 45 nm e é capaz de operar a 1.0 GHz, mantendo um consumo elétrico similar ao antecessor de 65 nm a apenas 600 MHz. Ele é um SoC que inclui também um processador gráfico PowerVR SGX 530, controlador de memória, 64 KB de cache L1 e 256 KB de L2, processador de sinais, interfaces e assim por diante:

Estes dois chips possuem diversas variações, que mantém o uso do Cortex A8 como unidade de processamento, mas variam nos componentes internos incluídos no pacote. Embora a TI tenha sido a primeira a produzir SoCs baseados no Cortex A8 em grande volume, os chips da da séria OMAP 3xxx já podem ser considerados obsoletos em relação aos concorrentes, já que são SoCs single-core e são ainda baseados no PowerVR SGX530, um acelerador gráfico bastante inferior ao do Hummingbird ou mesmo do Snapdragon, com um desempenho 3D limitado e sem suporte à decodificação de vídeos 720p e 1080p via hardware.

O principal diferencial do A8 (e do Scorpion, usado no Snapdragon) em relação aos antigos ARM11 é o fato de ele ser um processador dual-issue, que processa duas instruções por ciclo, contra uma única instrução do ARM11. A grosso modo, o ARM11 oferece uma arquitetura similar à do 486 (embora com um melhor desempenho por clock devido ao conjunto otimizado de instruções), enquanto o Cortex A8 utiliza uma arquitetura mais similar à do Pentium e à do Atom.

Para os próximos meses, é esperado o lançamento do OMAP 4xxx, um SoC dual-core baseado no Cortex A9, que inclui também um acelerador gráfico atualizado, o PowerVR SGX540. Ele vai chegar ao mercado como um concorrente para o Tegra 2, mas dessa vez a TI é que estará em desvantagem, chegando atrasada ao páreo.

Qualcomm Snapdragon

Diferente da TI e da Samsung, que optaram por utilizar o Cortex A8 sem granes modificações, a Qualcomm optou por desenvolver um design próprio, o Scorpion, combinando componentes do Cortex A8 com outros desenvolvidos internamente. A grosso modo, o Scorpion e o Cortex A8 poderiam ser comparados ao Phenom e ao Core 2 Duo. Ambos são compatíveis com o mesmo conjunto de instruções básicas e operam a frequências similares, porém as diferenças na arquitetura fazem com que o desempenho varie de acordo com a tarefa.

De uma forma geral, o Scorpion oferece cerca de 5% mais poder bruto de processamento que o Cortex A8 vanila e oferece melhores funções de gerenciamento de energia. Entretanto, a unidade de processamento é apenas um dos componentes do SoC, que inclui também a GPU, interfaces e aceleradores auxiliares.

Aparelhos como o Nexus One são baseados na versão de 65 nm do Snapdragon, que embora seja capaz de operar a 1.0 GHz, inclui uma GPU Adreno 200, que é bastante desatualizada para os padrões atuais. Aparelhos mais recentes, como o Desire HD são baseados na versão de 45 nm do Snapdragon, que apesar dos clocks similares, oferecem uma GPU Adreno 205, consideravelmente mais rápida, combinada com outras melhorias que o tornaram competitivo em relação ao Samsung Hummingbird e bem superior ao OMAP 3xxx, que praticamente deixou de ser usado pelos fabricantes. O Snapdragon rapidamente se tornou a plataforma dominante, equipando a maioria dos aparelhos lançados ao longo de 2010.

Samsung Hummingbird

A Samsung foi a última a entrar com força no ramo de SoCs ARM de alto desempenho para super-phones, entrando em uma situação desconfortável, entre o final do reinado do Snapdragon e a ascensão do Tegra 2.

O Hummingbird é um SoC de 45 nm, baseado em uma versão modificada do Cortex A8, que é capaz de executar muitas das operações binárias mais usadas com o uso de menos instruções, resultando em ganhos de 5 a 10% em relação ao A8 original, superando o desempenho de um Scorpion do mesmo clock por uma pequena margem na maioria das tarefas.

Outro fator importante é o fato de que ele inclui uma GPU bastante poderosa, a PowerVR 540, que além de um forte desempenho 3D, oferece decodificação via hardware para a maioria dos formatos de vídeo, suportante até mesmo vídeos 1080p, que podem ser exibidos na resolução nativa através da porta HDMI. Ele é também compatível com as extensões ARM NEON, que oferecem ganhos em relação ao processamento de vídeos e áudio para aplicativos otimizados, similar ao que temos nos PCs com as instruções SSE.

O clock padrão do Hummingbird é de 1.0 GHz, como no Galaxy S, mas ele é capaz de operar a frequências mais altas, desde que o fabricante saiba equacionar o maior consumo elétrico. Um bom exemplo é o Infuse 4G, que usa um Hummingbird operando a 1.2 GHz.

O Hummingbird é muito similar ao Apple A4 usado no iPhone 4G e no iPad. A Apple licenciou o design da Samsung, realizando apenas alterações menores dentro do chip, deixando a produção a cargo da parceira.

nVidia Tegra 2

A versão inicial do Tegra, lançada em 208, combinava um processador ARM11 com uma GPU bastante poderosa, que além do forte desempenho 3D era capaz de gravar e exibir vídeos 720p com processamento via hardware, suporte a câmeras de até 12 MP, suporte a saída HDMI e assim por diante. Embora ele fosse um pouco fraco em processamento (devido ao uso de um ARM11 em vez de um Cortex A8 ou similar como nos SoCs usados hoje em dia), ele apresentava um conjunto de recursos muito fortes para a época. Entretanto, ele acabou sendo ignorado pelos fabricantes de smartphones, devido à decisão da nVidia em atrelar fortemente o desempenho do chip ao Windows Mobile, em uma época em que o interesse dos fabricantes já estava no Android.

A volta por cima nVidia veio com o Tegra 2, que inaugurou a era multicore nos smartphones, combinando dois processadores ARM Cortex-A9 com uma GPU duas vezes mais poderosa que a do Tegra original, que supera por uma boa margem tanto a PowerVR GSX540 do Hummingbird quanto o Adreno 205 do Snapdragon, também com suporte a decodificações de vídeos 1080p via hardware.

O Tegra 2 se tornou o chip padrão para os smartphones de alto desempenho lançados a partir do início de 2011 e foi selecionado pelo Google como chip de referência para os tablets com o Android 3.0 (Honeycomb), o que fará com que ele seja usado também na primeira leva de tablets baseados no sistema.