Schwerpunkte

Test von Qualcomms Snapdragon-845

Schneller, sparsamer und überragende GPU

15. Februar 2018, 14:07 Uhr   |  Frank Riemenschneider


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Adreno-630: Die GPU vom anderen Stern

Qualcomm
© DESIGN&ELEKTRONIK

Vergleich der Videopräsentation auf einem Altgerät mit Snapdragon-835 (links) und einem neuen Gerät mit Snapdragon-845 (rechts).

Wenn die Marketing-Mitarbeiter von konkurrierenden Herstellern wie z.B. Samsung oder auch ARM diesen Artikel bis hier noch entspannt gelesen haben dürften, wird sich dies spätestens jetzt ändern. Hinsichtlich seiner von Grund auf neu designten GPU Adreno-630 wurde eine um 30 % höhere Rechenleistung und eine um 30 % reduzierte Leistungsaufnahme im Vergleich zum Snapdragon-835 versprochen, natürlich nicht beides gleichzeitig. Die reduzierte Leistungsaufnahme bezieht sich auf einen Betriebspunkt, bei dem die Adreno-630 die identische Rechenleistung liefert wie ihr Vorgänger Andreno-540. Man kann daher vielmehr annehmen, dass bei Vollast die Leistungsaufnahme identisch bleibt und die Rechenleistung um 30 % höher liegt. Selbst das wäre überragend, da das beste nicht-Snapdragon-Gerät, das iPhone X, gerade soeben mit dem Google Pixel XL 2 mithalten kann und die ARM-Mali-GPU-Geräte ohnehin schon vom Snapdragon-835 deutlich abgehängt waren.

Tatsächlich treten die schlimmsten Befürchtungen der Konkurrenz auch tatsächlich ein. Der Benchmark 3DMark Sling Shot 3.1 Extreme Unlimited Test zeigt hauptsächlich die GPU-Verbesserungen eines Systems und hier erreicht der Snapdragon 845 einen um 31% höheren Wert im Vergleich zum Snapdragon 835 im Pixel 2 XL.

Das iPhone 8/X wird damit um mehr als 30 % übertroffen und was die Sache noch schlimmer aus Apple-Sicht macht, der A11 kann aus thermischen Gründen diese Werte nur erreichen, wenn die Geräte kalt sind. Ansonsten fängt er an zu „throtteln“, d.h. die GPU wird immer wieder heruntergetaktet, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren, womit natürlich auch die Rechenleistung abnimmt. Der Snapdragon-845 scheint die maximale GPU-Rechenleistung viel länger bereitstellen zu können als Apple, dazu später mehr.

Der bekannte AnTuTu-Benchmark ist in drei Bereiche eingeteilt: Im ersten wird die Performance des RAMs geprüft, dazu werden ein paar kontinuierliche Daten-Streams durchs Gerät geschickt. In der zweiten Phase wird zweidimensionale Grafik geprüft, dazu wird das Display mit verpixelten Figuren gefüllt. In der dritten und letzten Phase wird das Gerät mit 3D-Grafik getestet. Eine erhebliche Steigerung des Ergebnisses um 30 % gegenüber dem Wert des Google Pixel XL 2 ist größtenteils der GPU zu verdanken.

Qualcomm
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Für Messungen der Leistungsaufnahme stand ein entsprechenes Mess-Setup zur Verfügung.

Überragende Energieeffizienz

Bei GFXBench kamen T-Rex und Manhattan 3.1 zum Einsatz, da beide Tests unterschiedliche Aspekte der GPU-, Füllrate- und Texturing-gebundenen Workloads gegenüber arithmetisch gebundenen Workloads hervorheben. In T-Rex zeigt der Snapdragon 845 eine Steigerung von 30 % gegenüber dem Snapdragon 835, was allerdings 15 % unter dem Apple A11 liegt. Durch das „Throtteln“ beim A11 ist jedoch im realen Dauerbetrieb ein umgekehrtes Bild zu erwarten. Manhattan 3.1 belastet die Schattierer und damit die ALU-Pipelines der GPU mehr als T-Rex. Hier übertrifft die Adreno-630 die Adreno 540 um fast 50 %. Apples A11 liegt zwar auf gleichem Level, hier gilt jedoch das oben gesagte – im Dauerbetrieb kann er die Rechenleistung aus thermischen Gründen nicht halten.

GFXBenchs synthetische Mikrotests sind insofern interessant, als dass man aus ihren Ergebnissen gewisse architektonische Veränderungen ableiten kann.

Ein Grafikprozessor besteht aus verschiedenen Komponenten. Die wichtigsten davon sind die Schattierer. Sie berechnen 3D-Elemente, einerseits die Farbe mit Fragment-Schattierern, andererseits geometrische Formen (Dreiecke) mit Vertex-Schattierern. Anschließend zerteilen Tesselations-Schattierer die Primitive (Dreiecke) erneut, Geometrie-Schattierer können, wenn vorhanden, weitere Elemente hinzufügen. Danach wird die Szene rasterisiert und vom Pixel-Schattierer und den TMUs (Textur-Mapping-Einheiten) mit Texturen versehen und interpoliert. Im ROP (Raster Operation Processor) werden die Daten noch einmal gerastert und ausgegeben. Grundsätzlich werden diese Berechnungen immer Parallel vorgenommen, was bedeutet, dass mehr Schattierer, TMUs und ROPs eine schnellere Verarbeitung und daher eine höhere Framerate bedeutet.

Der Textur-Test des GFXBench schießt dabei mit 50 % Zuwachs den Vogel ab. Um solche Pixel-Füllraten auf der Seite der GPU zu erreichen, muss Qualcomm die Anzahl der ROPs und TMUs erhöht haben, anders ist dieser Zuwachs nicht zu erklären.

Der ALU2-Test zeigt eine Leistungssteigerung von 30 % gegenüber dem Snapdragon 835, aber die Tatsache, dass der Wert von Manhattan 3.1 um bis zu 50 % gestiegen ist, bedeutet, dass die ALU-Pipelines offenbar derart verändert wurden, dass eine höhere Auslastung im Backend erreicht wird.

Die identischen Tesselation-Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Geometrie-Pipelines keine großen Verbesserungen erfahren haben. Angenommen, man hat diese unverändert gelassen, könnte man daraus schließen, dass die Taktfrequenz der Adreno-630 im Snapdragon-845 identisch zur Adreno-540 im Snapdragon-835 geblieben ist: 710 MHz.

Schließlich zeigt der um mehr als 50 % gestiegene Overhead-Score sowohl die erhöhte reine CPU-Leistung des Snapdragon-845 als auch eine Verbesserung der Qualcomm-Treiber an.

Was die Adreno-630 jedoch so sensationell macht, ist nicht nur die pure Leistung, sondern die Energieeffizienz. Bei Strommessungen während der Benchmark-Läufe am Power-Managament-IC konnte festgestellt werden, dass beim T-Rex rund 4 W und beim Manhattan 3.1. rund 4,4 W aufgenommen wurden. Wenn man nun die Energieeffizienz in Frames/Ws messen möchte (beide Benchmarks liefern Absolutwerte in Frames/s, je höher der Wert, desto besser), kommt der Snapdragon-845 auf fast 40 respektive 14 Frames/Ws. Diese Werte liegen grob gesagt 3 bis 3,5x über den Werten der besten ARM-Mali-Implementierungen in Geräten von Samsung oder Huawei – ein nahezu unfassbares Ergebnis. Wenn man noch bedenkt, dass es sich beim QRD um „early Silicon“ handelt und die absoluten Zahlen hinsichtlich der Leistungsaufnahme noch sinken werden, könnte aus 3 bis 3,5x in zudem optimierten Smartphones auch schnell ein Faktor 4 oder sogar 5 werden.

Ehrlich gesagt fehlt mir jede Fantasie, anzunehmen, wie die Konkurrenz – genannt sei insbesondere ARM, da Imagination ja nicht mehr als Wettbewerber in Erscheinung tritt - diese Lücke schließen will – vermutlich müssen grundlegend neue GPU-Architekturen für zukünftige Mali-GPUs her, immer mehr Schattierer, TMUs und ROPs alleine werden nicht mehr helfen können, um diese Lücke zu schließen. Gegenüber Apple profitiert Qualcomm sicher auch davon, dass man schon seit Jahren eigene GPUs designt, während Apple diese vom IP-Hersteller Imagination lizensiert hatte und erst kürzlich auf eigene Designs umgestiegen ist. Der Erfahrungsvorsprung von Qualcomm beim Design einer GPU ist eben auch von Apple nicht mit einer Geräte-Generation einzuholen.

Wenn man berücksichtigt, dass die Leistungsaufnahme der CPUs mit etwa 1 W pro Core gehalten werden konnte, versprechen zukünftige Geräte mit Snapdragon-845-SoCs vor allen Dingen wegen der überragend energieeffizienten GPU lange Batterielaufzeiten. Dies wird man auch im Hause Samsung registriert haben, wo man sich ja zuletzt zunehmend von Qualcomm abgewendet und auf die eigenen Exynos-SoCs gesetzt hatte. Ob der Exynos 9810 mit der dritten Generation von selbstdesignten ARMv8-CPUs, den sogenannten „M3“, diesbezüglich konkurrenzfähig sein wird, bleibt abzuwarten. Schon auf Grund der massigen M3-CPUs mit gleich 6 Befehlsdekodern im Frontend und neun Ausführungseinheiten im Backend habe ich meine Zweifel, die GPU des Typs ARM Mali G72MP18 kann diese nicht zerstreuen, ganz im Gegenteil. Gleiches gilt prinzipiell für Huawei und seine Kirin-SoCs. So könnte sich der Snapdragon-845 für Qualcomm als Weg zurück in schon verloren geglaubtes Terrain erweisen. Ich bin gespannt, was wir auf dem Mobile World Congress geboten bekommen.

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