Intel Atom Z2760 - PC v jediném čipu a konkurence ARMu
20. 2. 2013 07:00 Rubrika: Technologie Autor: Jiří Zima
Zvětšující se prodeje tabletů vybavených procesory architektury ARM donutily Intel k odpovědi. Tou je nový Atom: x86 procesor schopný spustit klasické Windows, avšak v prostorově a energeticky nenáročném provedení.
Podnět pro vznik prvního procesoru Atom se datuje do roku 2007, kdy ASUS představil svým způsobem převratné zařízení ASUS Eee PC, tedy malý 1kg notebook se 7“ displejem (800x480), nízkonapěťovým procesorem Celeron 900 MHz, 4GB SSD, výdrží necelé 4 hodiny a titěrnou klávesnicí. Důvodem velké obliby Eee PC se stala nízká cena, necelých 8000 Kč. Dnes to již nevypadá tak zajímavě, ale v roce 2007 malé levné notebooky neexistovaly. Kdo chtěl nějaký 11“ mini notebook, ten za něj zaplatil klidně 40 tisíc a levnější alternativy se nevyskytovaly. Kdo měl málo peněz, musel volit spíše z klasických (především 15“) notebooků.
Intel Atom N270 - první v řadě
Ukázalo se, že lidé mají o malé, levné a nevýkonné notebooky velký zájem a v souvislosti s tím se objevila odpověď Intelu na potřeby levného, avšak energeticky úsporného řešení (rok 2008). Stal se jím Atom N270, který nabízel jedno jádro s pevným taktem 1,6 GHz. Atom byl (a dodnes je) primitivním procesorem, který se v mnoha ohledech blížil stařičkému procesoru 486 (in-order zpracování instrukcí), a jeho takt jádra nevypovídal nic o skutečném výkonu. Fakticky 1,6GHz Atom byl výkonný jen jako 800MHz Pentium-M, což v době rozmachu dvoujádrových Core2 Duo již nebylo nic obdivuhodného. Pro potřeby levných mini notebooků to ovšem stačilo a těmi se následně zaplavil trh.
Zpomalený vývoj
Zprvu zajímavý procesor se od první generace vyvíjel pouze minimálně. Přecházelo se postupně na lepší výrobní procesy a původní integrovaná grafika GMA 950 z čipové sady byla nahrazena primitivnějším čipem PowerVR (ovšem schopným akcelerovat HD video), který se vestavěl přímo do procesoru.
V posledních krocích ještě došlo k navýšení výpočetního výkonu přidáním druhého procesorového jádra. Takty a efektivita vykonávání instrukcí se ovšem neměnily, takže výkon na jedno jádro zůstal po několik let téměř nezměněn. Místo toho klesla cena a procesor se dostal do ještě levnějších zařízení.
Nižší spotřeba a system-on-chip Atom Z2760
Poslední Atom do nejnovějších úsporných zařízení se od předchozích výrazně liší. Jen jeho odlišnost opět nepřichází v přepracování výpočetních jader k dosažení vyššího výkonu. Úkol byl jiný. Vzít původní Atom a snížit jeho spotřebu tak, aby mohl konkurovat procesorům architektury ARM v tabletech a mobilních telefonech.
Trh s ARMovými zařízeními je velký a navíc se stále zvětšuje. Strategicky je pro Intel nevýhodné, aby si jej nevšímal. Dnes je pro řadu lidí centrem počítač a nejspíš ještě chvíli bude, ale kdo ví, jak budeme pracovat třeba za pět nebo deset let.
Dlouho si můžete na internetu číst o tom, jak ARMové procesory v prémiových tabletech a mobilech zvyšují výkon a mají čím dál tím více výpočetních jader. Někdo by si z toho chybně mohl vyvodit, že výkon dosahuje na klasické procesory počítačů. Fakticky se ani ty nejvýkonnější tablety výkonem nepřibližují třeba k procesorům Intel Core v úsporné verzi.
Dokonce ani Atom, který je v očích mnoha lidí brán jako pomalý, není pomalejší než většina z nich. Předělat tedy Atom, aby měl nižší spotřebu, bylo logickým krokem. Cílem Intelu bylo spojení výhod platformy ARM, kde mají zařízení nízkou spotřebu, pasivní chlazení a výdrž okolo 10 hodin s malou baterií, a platformy x86, se kterou můžete spouštět libovolné komplexní programy pro „velké“ počítače.
Spotřeba není jediným parametrem, který bránil v použití Atomů (a obecně x86 procesorů) v tenkých tabletech. Dalším je prostorová náročnost. Implementace většiny x86 procesorů vyžaduje řadu podpůrných obvodů - čipovou sadu, samostatnou operační paměť, SATA řadič na straně disku a další. To všechno se při návrhu nového Atomu muselo eliminovat a výsledné řešení integruje většinu počítače do jediného čipu tak, jak je zvykem u ARMů.
Poprvé bez PCIe
Atom Z2760 v čipu integruje dvě výpočetní jádra s taktem 1,8 GHz, 1 MB L2 cache, grafické jádro PowerVR, obvody čipové sady a řadič nízkonapěťové paměti LPDDR2.
Místo potřebné pro operační paměť se uspořilo přípravou na PoP (package-on-package) konstrukci, kdy se paměťový čip umisťuje na pouzdro procesoru a nezabírá místo na plošném spoji. Paměťový řadič je omezen na 512MB a 1GB čipy a na procesor lze umístit dva v režimu dual-channel. Maximálně jsou tedy podporovány 2 GB operační paměti a z použité konstrukce vyplývá, že není možná jakákoli uživatelská výměna.
Jedním z faktorů vyšší spotřeby platformy x86 je obsluha výkonné univerzální sběrnice PCIe, přes kterou se připojují ostatní obvody. Pokud chce Intel bojovat s ARMy na poli spotřeby, je jasné, že se jim bude muset konstrukčně přizpůsobit, a z tohoto důvodu již Atom Z2760 nemá tuto sběrnici vyvedenou ven.
Klasické sběrnice šly jednoduše pryč a místo toho je procesor vybaven několika jednoúčelovými komunikačními rozhraními pro připojení základních obvodů. Jde především o primitivní sběrnice I2C pro komunikaci s ostatními čipy (GPS, gyroskop a další), tři sériové linky UART (4 Mb/s), speciální komunikační rozhraní I2S pro připojení zvukového čipu, přenos dat z webkamer a jednoúčelové výstupy (interní displej, HDMI). Vedle toho všeho je řada vodičů vyhrazena pro GPIO (General Purpose I/O), tedy univerzální komunikační cestu pro připojení specializovaných zařízení.
I2C v Atomu nahradili také PS/2, které se stále používalo pro připojení interní klávesnice a myši notebooků. U klávesnice v podstatě není problém. Touchpad je podstatně komplexnější zařízení, nicméně výrobci jako Synaptics již s předstihem oznámili výrobu I2C verzí svých touchpadů.
Další změnou je odstranění SATA, za kterým stojí stejný důvod jako v případě PCIe. Snahou Intelu bylo nahrazení zbytečné komunikační cesty nativní komunikací s paměťovým čipem. Pro připojení úložných zařízení jsou připravena rozhraní SD I/O (SD HC) a eMMC. První je připraveno pro paměťové karty a mimo jiné se využívá také k připojení Wi-Fi modulů. Druhé je přímo určené k připojení paměťového NAND čipu, který bude sloužit jako vnitřní úložiště. Standard paměťových karet MMC je méně známý než SD, ale jeho karty mají podobný tvar a většina SD čteček přečte také MMC. Implementace eMMC se liší 8bit zapojením (místo 1bit) a tím i vyšší rychlostí podobnou SATA-2 (teoreticky 200-250 MB/s).
Jiné sběrnice vedoucí k odlišnému zapojení základních komponent snižují kompatibilitu zařízení s novým Atomem s různými operačními systémy, takže v současné době je plně podporován pouze Windows 8. Na rozdíl od zařízení s Windows RT však není blokována instalace čehokoli jiného. Jde o x86 procesor s možností zavádět systém z externích zařízení a nainstalovat si cokoli. Pouze v jiných systémech nejsou potřebné ovladače.
Výpočetní výkon
Od procesoru, který má za cíl minimální spotřebu a pasivní chlazení nelze očekávat výkonovou konkurenci moderních procesorů z klasických notebooků. Obě jádra pracují s taktem 1,8 GHz a o vyšší efektivnost v rámci výpočetních jednotek jádra se stará technologie Hyper-Threading. Tato technologie zdvojuje části potřebné pro zpracování instrukcí v každém jádře, díky čemuž se každé jádro v operačním systému hlásí jako dvě. Vzhledem k tomu, že instrukční jednotky Atomu neumí instrukce programu seřadit tak, aby využily maximum výpočetních jednotek, je Hyper-Threading jednoduchým způsobem, jak tento nedostatek z části smazat.
Single-Thread mód (zatíženo jen jedno jádro)
- Test výpočtů s pevnou řádovou čárkou: 12 111
- Test výpočtů s pohyblivou řádovou čárkou: 35 307
Multi-Thread mód (zatížena obě jádra)
- Test výpočtů s pevnou řádovou čárkou: 6487
- Test výpočtů s pohyblivou řádovou čárkou: 23 978
Cinebench R10
- Rendering (Single CPU): 600 CB-CPU
- Rendering (Multiple CPU): 1696 CB-CPU
- Multiprocessor Speedup: 2,83
Cinebench R11.5
- Rendering (Multiple CPU): 0,56 pts
Atom Z2760 nabízí výkon na úrovni čtyři roky starého úsporného procesoru Core2 Solo SU3500 s taktem 1,4 GHz. V praxi tedy téměř jakýkoli starší procesor Core2 Duo bude výkonnější. Výkonnější je také nezřídka používaný úsporný procesor AMD E-350 s dvěma jádry na 1,6 GHz (o 40%), nebo nejslabší úsporný Celeron 847 1,1 GHz (o 50%). V případě velmi rozšířeného úsporného procesoru Intel Core i5-3317 (1,7-2,6 GHz) je výkon rovnou 5x vyšší.
Na druhou stranu všechny tyto procesory spojuje výrazně vyšší spotřeba energie a často nutnost aktivního chlazení. Kdybych měl srovnávat s ARMovými procesory, taková loňská čtyřjádrová NVIDIA Tegra 3 (procesor v zařízeních s Windows RT) má výkon pouze poloviční, přičemž celková spotřeba zařízení s ní se příliš neliší od zařízení s tímto Atomem. Novější výkonné procesory s architekturou ARM nabízí obvykle hrubý výpočetní výkon mírně nižší než Z2760.
V praxi je výkon Atomu dostatečný pro práci ve Windows 8. V novém dotykovém rozhraní dříve nazývaném Metro je vše plynulé a počítač nikdy nedá znát, že by neměl dostatek výkonu. Prostředí klasické plochy, kde funguje více komplexních aplikací vedle sebe, je náročnější, ale základní kancelářskou práci zvládá Atom rozumně rychle. Až u složitějších webových stránek přeplněných Flashem může dojít k zadýchávání (Flash běží pouze v desktopových verzích prohlížečů). Také bych měl uvést, že pro jakékoli výpočetně náročné činnosti se Atom nehodí.
Grafické jádro PowerVR
Intel do procesoru integroval grafické jádro, které nazval GMA 3600. Fakticky jde ovšem o přejmenovaný PowerVR SGX 545, který se používá v mnoha ARMových zařízeních. Technicky zvládá DirectX 10.1 a OpenGL ES 2.0, v praxi však umí ovladače využít v rámci DirectX pouze technologií verze 9.0c. Kromě 3D akcelerace se nabízí také akcelerace videa, u kterého si obvody poradí s běžnými formáty HD videa do rozlišení 1080p a zvládají hardwarově jak dekódování, tak také enkódování (kvůli nahrávání videa z webkamery).
Přímo v čipu Atomu je implementován výstupní obvod pro HDMI ve verzi 1.3a, která zvládá rozlišení připojeného displeje do 1920x1080 (1080p). K připojení interního displeje lze použít DSI sběrnici, kterou si výrobce musí zpravidla převést na standardní rozhraní LVDS používané displeji mobilních zařízení. K Atomům se obvykle připojují displeje s rozlišením HD (1366x768).
3D část jádra je vybavena čtyřmi pipelines se shadery a dvěma texturovacími jednotkami. Jádro tiká na frekvenci 533 MHz.
Testy 3D Mark
- 3DMark 2001: 4740
- 3DMark 03: 2024
- 3DMark 06 (1280x720): 454
- 3DMark Vantage: (nedoběhl)
- 3DMark 11: (chybí podpora DX11)
Testy 3D Mark (2013)
- Ice Storm (DX9): 2425 (Graphics: 2869, Physic: 1574)
Cinebench (OpenGL)
- Cinebench R10: 436 CB-GFX
- Cinebench R11.5: (chyba) fps
3D výkon je hluboko pod dnešními integrovanými řešeními a při práci se shadery nepřekoná ani pět let starou integrovanou grafiku GMA X3100. Hrubý výkon je dokonce ještě nižší. Když se k tomu připočte špatná kompatibilita, omezená GMA 950 z prvních netbooků s Atomem odvedla ve 3D někdy lepší práci. Plynule si nezahrajete ani stařičké pecky jako Unreal Tournament 2004. U většiny Direct3D her (bez ohledu na stáří) dochází k chybám ve vykreslování, což je dáno tím, že je s jádrem PowerVR nikdo nikdy netestoval (zde se situace může časem změnit).
Grafické jádro PowerVR v tabletech s Androidem a iOS odvádí svou práci dobře. Hry pod Windows jsou ovšem často složitější a detailnější a na ně jednoduše nestačí.
Pokud vynechám hraní 3D her, nepředstavuje grafika žádná omezení. Akcelerovaná plocha Windows 8 je překvapivě plynulá, HD video funguje a primitivní hříčky z Microsoft Store také.
Diskový výkon
V redakci jsme již měli možnost otestovat několik zařízení s Atomem Z2760, abychom si udělali jasnou představu o konkrétních implementacích. Zmínil jsem, že interní paměť se připojuje pomocí rozhraní eMMC, které má teoretické přenosové rychlosti podobné SATA-2. V praxi je ovšem nutné dodat, že výrobce obvykle tímto způsobem připojí jeden NAND flash čip bez dalších řadičů, u kterého je rychlost logicky nižší než u běžných SSD složených z několika vzájemně se doplňujících čipů.
Všechna testovaná zařízení nabízela rychlosti 50-60 MB/s při sekvenčním čtení a pouhých 30 MB/s při sekvenčním zápisu. Při práci s malými 4kB bloky rychlost klesá na 15 MB/s pro čtení, resp. 5 MB/s pro zápis.
Při práci s programy v dotykovém rozhraní Metro není výkon disku limitující, ale jako brzdu jej poznáte u některých náročnějších programů v prostředí klasické plochy. Také činnosti jako instalace nových programů dokážou pěkně zpomalit chod operačního systému.
Výdrž a chlazení
Spotřeba se posunula výrazně k lepšímu a jiné x86 procesory z nabídky Intelu se k ní ani nepřibližují. S 25Wh baterií lze dosáhnout výdrže až 10-11 hodin. Při kancelářské práci je výdrž okolo 7-8 hodin, což je úroveň podobná tabletům s ARMem.
Procesor je vybaven přímou podporou pro druhou baterii a některé konvertibilní počítače/tablety této možnosti využívají. S druhou baterií v modulu s klávesnicí pak některá z nich vydrží až 20 hodin.
Došlo také ke snížení produkovaného tepla. Nejen, že Atom Z2760 nepotřebuje aktivní chlazení (tj. ventilátor), dokonce se při pasivním chlazení téměř nezahřívá.
Závěr
Procesor Atom Z2760 je ukázkou snahy Intelu dostat se také do mobilních zařízení s nízkou spotřebou, pasivním chlazením a dlouhou výdrží na baterie. Mohu říct, že pro tento účel se mu jeho výtvor povedl. V současné době jde o energeticky nejúspornější procesor, na kterém běží plnohodnotné Windows. Tablety s ním dokážou být stejně tenké a lehké jako tablety s procesory ARM.
Výkon je pochopitelně nižší než u notebooků se standardními procesory, ale pro základní kancelářskou a multimediální práci stačí. Výhodou proti ARMu je možnost spouštět aplikace z klasických počítačů, což v kombinaci s některými konvertibilními zařízeními (možnost připojit klávesnici) vytváří zajímavé řešení na dlouhé cesty.
Intel již ohlásil nový Atom, který bude dostupný na podzim tohoto roku. Při stejné spotřebě by měl přinést čtyři přepracovaná výpočetní jádra a nové grafické jádro vlastní výroby (ořezaná verze Intel HD 4000). Budoucnost úsporných procesorů tedy jistě bude zajímavá.
