Delle caratteristiche del System on a Chip Nvidia Tegra 3, meglio conosciuto col nome in codice Kal-El, e delle sue prestazioni davvero straordinarie vi abbiamo già parlato in più occasioni. Per i più distratti ci limiteremo a ricordare sinteticamente che Kal-El è conosciuto come un SoC dotato di quattro core ARM Cortex A9 e core clock di 1.5 GHz e 1 MB di cache L2. Integrerà anche il supporto per NEON MPE, che estende le funzionalità del Cortex A9 con i set di istruzioni Advanced SIMD e Vector Floating-Point v3 (VFPv3), utili soprattutto nello svolgimento di calcoli legati al gaming, come nel caso della fisica implementata nei giochi. Anche la GPU di Kal-El sarà più potente di quelle attuali avendo ben 12 core invece dei 4 o 8 di Tegra 2. Il risultato sarebbe stato un SoC cinque volte più potente del precedente Tegra 2.
Abbiamo usato intenzionalmente il condizionale perché questo è ciò che tutti sapevamo fino a poco tempo fa. Ora invece il Green Team, con un annuncio a sorpresa, ha sparigliato le carte in tavola, annunciando lo slittamento del debutto di Kal-El, ora posizionato nella parte finale del 2011, quello consecutivo del suo successore Wayne, che non arriverà prima della fine del 2012 o l'inizio del 2013 e l'apparizione, nel mezzo, di un Kal-El+, di cui non si sa ancora se sarà un die shrink della prima versione o un modello con die più grande e maggior frequenza di lavoro. Ma non è tutto, perché gli annunci più importanti sono quelli legati ad alcuni aspetti chiave di Kal-El, come ad esempio il consumo energetico e, soprattutto, la presenza di non più quattro core per Kal-El, bensì cinque, di cui uno di tipo Low Power, implementato in maniera interessante e originale. Andiamo a vedere dunque più nel dettaglio in cosa consistono queste novità appena rivelate da Nvidia.
Partiamo dalle soluzioni che Nvidia ha adottato per limitare il consumo energetico del suo nuovo SoC. Sin dall'inizio infatti, affianco all'entusiasmo per le prestazioni mostrate da Tegra 3, ci sono sempre stati i timori per le previsioni sui possibili consumi di questa soluzione. Kal-El infatti avrebbe dovuto adottare ben quattro core di tipo ARM Cortex A9, funzionanti a 1.5 GHz, ma realizzati ancora con processo litografico a 40 nm, quando invece Qualcomm, ARM e altri produttori di processori RISC sono in procinto di passare ai 32 nm e poi ai 28 nm entro il 2013, proprio per poter produrre CPU più potenti ma con consumi più contenuti. Ma Nvidia si era tenuta degli assi nella manica e li ha mostrati solo ora. L'esperienza nel campo dei processori da parte del Green Team è infatti troppo grande perché non fossero coscienti di questo limite. La soluzione pensata è classica, ma perfetta: introdurre il power gating in Tegra 3.
Quando uno dei quattro core principali sarà in stato di idle infatti esso sarà power gated e quindi effettivamente in stato di off. In questo modo non assorbirà elettricità, limitando i consumi. Tegra 2 ad esempio non ha questa capacità, non potendo spegnere dinamicamente i core inutilizzati, ma solo scegliere se spegnere l'intero processore o il sottosistema grafico. Infine, sempre grazie all'introduzione del power gating, sarà possibile per Nvidia permettere un contemporaneo innalzamento della frequenza operativa del o dei core attivi, una soluzione molto simile all'AMD Turbo Core che abbiamo analizzato in passato per quanto riguarda le APU Llano.
Come detto l'altra grande novità è il quinto core di tipo Low Power, che Nvidia chiama Companion Core. Chiariamo brevemente questo primo aspetto. Entrambe le versioni di core sono realizzate a 40 nm, ma TSMC ne produce due versioni, una appunto normale e una di tipo Low Power. La prima è in grado di raggiungere frequenze elevate, ma presenta fenomeni di leakage, ossia di dispersione del segnale elettrico attraverso lo strato dielettrico isolante su cui poggiano i transistor veri e propri, portando così a un aumento dei consumi. La versione Low Power non soffre di questo problema, ma non può nemmeno raggiungere frequenze particolarmente elevate. Nvidia ha già usato questa soluzione in Tegra 2, dove i core della CPU usavano la prima versione, mentre sottosistema grafico e tutto il resto usava transistor di tipo Low Power. In Kal-El il Companion Core potrà raggiungere i 500 MHz e sarà indipendente dal punto di vista dell'alimentazione. Nvidia definisce questa soluzione a cinque core misti come vSMP (Variable Symmetric Multiprocessing) e lo schema riportato qui in basso è molto esplicativo riguardo il funzionamento.
In pratica quando il device dotato di Tegra 3 sarà in uno stato di stand by attivo, ossia quando lo schermo sarà spento ma il terminale starà ad esempio scaricando aggiornamenti software o social network, i quattro core principali saranno completamente spenti e il terminale sarà gestito dal Companion Core Low Power a 500 MHz. In realtà questa situazione potrebbe verificarsi anche a display acceso, se non si staranno effettuando operazioni troppo complesse, perchè gli altri quattro core si attiveranno solo man mano che le richieste da parte del sistema diventeranno più impegnative e che si supererà quindi la soglia di assorbimento prestabilita. Come detto le due isole non potranno essere mai attive contemporaneamente, o lavorerà il Companion Core e gli altri saranno spenti, o si spegnerà il primo e si attiveranno da 1 a 4 core a seconda del carico di lavoro. Il tempo di switch tra le due isole è inferiore ai 2 ms.
Infine Nvidia ha pensato anche alla compatibilità software. Una soluzione del genere infatti avrebbe potuto richiedere una riscrittura parziale del sistema operativo Google Android, normalmente adottato su device con piattaforma ARM, rallentando quindi significativamente, se non ostacolando del tutto, la diffusione di questo nuovo SoC. Per evitare ciò Nvidia ha fatto in modo che Android non abbia necessità di sapere come funziona Kal-El. Il sistema operativo vedrà infatti sempre e solo quattro core, sarà quindi unicamente lo scheduler interno alla CPU, a seconda del workflow, a decidere se accendere il Companion Core o gli altri quattro.
Nei documenti ufficiali rilasciati da Nvidia a seguito degli annunci che abbiamo appena discusso, sono presenti anche diversi benchmark preliminari, sia per quanto riguarda i consumi che le prestazioni. Ovviamente, essendo benchmark riportati dal produttore e non verificabili al momento, vanno presi con beneficio di inventario. Nvidia si aspetta comunque molto dall'implementazione del power gating e del vSMP e infatti i benchmark divulgati mostrano un significativo calo dei consumi rispetto a Tegra 2 ma anche a soluzioni concorrenti del mondo RISC, nonostante un consistente aumento delle prestazioni.
Anche le performance sembrano notevoli, come ad esempio mostrato in CoreMark, un benchmark per CPU del mondo mobile, che misura le prestazioni dei processori con applicativi multimediali impegnativi. Le prestazioni di Kal-El rispetto ad altri competitor dual core sono infatti superiori di circa il doppio.
Il settore multimediale è un ambito molto importante per i device che adottano piattaforme RISC based, per cui riportiamo anche i risultati rilevati con Handbrake, un applicazione molto diffusa per il transcoding video, ossia per la traduzione dei filmati da un formato all'altro. I punteggi ottenuti mostrano ancora una volta un incremento prestazionale di circa il 60% rispetto a una soluzione dual core.
Infine molta importanza riveste anche la componente videoludica. Nvidia quindi ha riportato un grafico che paragona la resa di Kal-El con diversi titoli di ultima generazione, a quella ottenuta da Tegra 2 e la differenza si attesta sempre attorno a un gap di 2 o 3 volte, ovviamente a favore della nuova soluzione. Tutto questo, ricorda infine Nvidia, senza dimenticare le maggiori capacità di Tegra 3 di gestire tutta una serie di nuovi effetti video, come texture dinamiche, illuminazione in tempo reale, applicazione di filtri etc. e una fisica real time più complessa, permettendo quindi un realismo maggiore dei titoli giocati.
Insomma, con questi due annunci Nvidia sembra proprio avere ora tutte le carte in tavola per ribadire la sua leadership in questo segmento di mercato. Bisognerà vedere però ora all'atto pratico cosa accadrà sul mercato poiché, a differenza di quanto accaduto con Tegra 2 nei confronti di Android Honeycomb, il debutto di Tegra 3 non coinciderà questa volta con quello della futura versione di Android denominata Ice Cream Sandwich e non potrà quindi godere del traino dovuto a questa coincidenza, ma dovrà invece battersi ad armi pari con gli altri competitor, dimostrando sul campo di essere effettivamente superiore.