Qualcomm è protagonista del fenomeno del mobile gaming 3D su Android (smartphone, tablet e mini-PC), con le GPU Adreno 4x integrate nei suoi SoC Snapdragon ed una serie di tecnologie innovative che permettono un'esperienza di gioco che non ha nulla da invidiare alle console.
Da qualche anno a questa parte Android si sta proponendo con forza e credibilità crescenti come piattaforma di gaming alternativa a quelle tradizionali, con un tasso di crescita composto del fatturato annuo previsto tra il 2013 e il 2015 del 30%. Forte di una base di utenti enorme e in costante aumento, infatti, il sistema operativo mobile di Google ha fornito in questi anni agli sviluppatori gli strumenti per consegnare ai consumatori tantissimi titoli di gioco sempre più avanzati dal punto di vista degli effetti supportati e della qualità grafica, tra i quali Real Soccer, Asphalt, Real Racing e Modern Combat, giusto per citare quelli più recenti, raggiungendo mediamente già lo scorso anno un livello paragonabile a quello di molti titoli per le console di vecchia generazione.
La crisi del settore delle console portatili testimonia non a caso questa evoluzione, repentina e inarrestabile. Tuttavia i tantissimi possessori di mini-console da gioco Android come ad esempio le varie ZTE FunBox, Ouya, GameStick, MadCatz Mojo e Huawei Tron, per non parlare ovviamente di Nvidia Shield, ASUS Gamebox, dei tanti TV-stick e mini-PC e di tutto l'ampio universo di smartphone e tablet, richiedono giochi ancora più evoluti e Google, di concerto con i propri partner hardware come Nvidia e Qualcomm, non sembra intenzionato a disattendere queste aspettative, del resto sempre più allettanti anche per le softwarehouse, che vedono i propri introiti crescere costantemente.
I ricavi totali attesi dal settore mobile gaming per tutte le piattaforme ammontano infatti a ben 9 miliardi di dollari, dai 13 del 2013 ai 22 previsti entro il 2015 e all'interno di questa categoria è proprio la piattaforma Android ad offrire le migliori opportunità di crescita, visto che il 75% degli utenti di Android giocano regolarmente, generando il 90% delle entrate del Google Play Store. Ultimamente dunque abbiamo assistito a un aumento drastico della capacità computazionale da parte dei sottosistemi grafici integrati nei System on a Chip di ultima generazione, al fine di consentire agli sviluppatori di sfruttare a pieno le tante funzionalità messe a disposizione dalle API di Android. Di Nvidia e del suo Tegra K1 con GPU Kepler a 192 core abbiamo già ampiamente parlato, oggi quindi ci concentreremo sulle soluzioni Qualcomm.
L'APPROCCIO DI QUALCOMM PER UN GAMING IMMERSIVO
L'immersività desiderata dai giocatori su Android richiede però molto di più della sola grafica, seppur capace di rivaleggiare con quelle ottenibili su PC o console tradizionali. Gli altri elementi indispensabili a fornire un'esperienza di gioco soddisfacente infatti riguardano la possibilità di contare su un audio di qualità cinematografica, su effetti realistici, su una reattività elevata con latenze bassissime e soprattutto sulla possibilità di giocare ovunque.
Tuttavia riuscire a garantire una tale esperienza di gioco su un device mobile per periodi prolungati è impegnativo, visti i tanti paletti imposti dalla natura stessa dei prodotti. Console e PC infatti possono contare sulla presenza di ventole e grandi dissipatori di calore e su alimentazioni elettriche con potenze a tre cifre, prelevate dalla rete esterna. I dispositivi mobili invece sono raffreddati passivamente e alimentati da una batteria con potenza assai limitata, integrando tutto questo in dispositivi sottilissimi e leggeri. Qualcomm sta quindi affrontando questa difficile sfida con i suoi processori Snapdragon, realizzati secondo alcuni principi di base come l'architettura eterogenea, in grado di unire efficienza e prestazioni.
HETEROGENEOUS COMPUTING
Per quanto riguarda il computing eterogeneo, si tratta di un approccio che ben conosciamo, essendo stato reso celebre in ambito x86 soprattutto da AMD con le sue APU. Tuttavia si tratta di una soluzione che da sempre ha le sue radici proprio in ambito RISC e quindi sulle piattaforme ARM, architetturalmente più adatte, visto il loro alto parallelismo, ad evolversi in questa direzione. Senza addentrarci eccessivamente negli aspetti tecnicistici, si può dire che esso prevede l'adozione di tanti processori specializzati, come CPU, GPU, DSP, display engine etc. in luogo della tradizionale CPU generica, al fine di offrire per ogni tipologia di funzione la soluzione più appropriata, migliorando l'efficienza complessiva del sistema grazie a una maggior flessibilità, dove invece la rigidità di un processore tradizionale richiede alternativamente ai programmatori di adattare le proprie routine al proprio modo di lavorare o una potenza di calcolo enorme, data da clock rate elevatissimi, in grado di attenuare l'incapacità architetturale di tali soluzioni ad adattarsi al meglio a ogni scenario d'uso.
Ovviamente come sappiamo però non si tratta soltanto di giustapporre tante diverse tipologie di co-processori ma di fonderli al meglio in un'unica soluzione che ne armonizzi le differenti architetture, unificandoli anche per mezzo di pool di memoria e bus dati condivisi, in modo da smistare efficientemente i task in base alla loro natura. I giochi infatti sono formati da diversi componenti, a loro volta implementati sotto forma di uno o più task. Se si cerca la massima efficienza ciascuno di essi dovrebbe essere elaborato da un engine specifico, così da migliorare l'esperienza di gioco massimizzando al tempo stesso l'autonomia della batteria e l'efficienza termica.
In un SoC Qualcomm la CPU distribuisce i carichi di lavoro verso l'engine specializzato più appropriato, occupandosi al contempo di svolgere singole funzioni come ad esempio tutti i calcoli legati all'intelligenza artificiale, alle animazioni, alla fisica e in generale al gameplay, che richiedono una precisione matematica elevata e possono quindi essere processati efficacemente dalle unità in virgola mobile del processore principale. I task inoltre non sono solo separati ma anche indipendenti e possono quindi essere compilati come tanti thread separati, che è possibile eseguire in parallelo migliorando ulteriormente prestazioni e latenza.
GPU ADRENO SERIE 4X
Quando si parla di grafica però ovviamente la prima cosa che viene in mente è la GPU e Qualcomm è all’avanguardia anche in questo settore, grazie alle proprie soluzioni Adreno completamente programmabili, a basso consumo e ad alta efficienza. Gli ultimi modelli in particolare, come la Adreno 320 o la 420 del recente Snapdragon 805, offrono supporto a tutte le ultime librerie grafiche come le OpenGL ES 3.0 e le ancora più avanzate specifiche DirectX11FL_11_2 e soprattutto alle specifiche Khronos OpenGL ES, le API primarie per il gaming su Android.
Molto interessante è anche il supporto fornito dalle Adreno 4x alla tecnologia di rendering dinamico FlexRender, che consente alle GPU di scegliere tra due modalità di rendering, immediate/direct mode e deferred/tile-based, così da elaborare i diversi task, come ad esempio l'interfaccia grafica piuttosto di un gioco, in maniera più efficiente.
Al fine di supportare tutte le nuove funzioni previste dalle ultime librerie, i sottosistemi grafici della famiglia Adreno 4x hanno esteso la propria architettura a shader unificati aggiungendo diverse nuova unità, come ad esempio quelle dedicate a geometria e tassellatura. Quest'ultima è una tecnica che consente di ottenere un più elevato livello di dettaglio nei giochi consumando al contempo meno bandwidth e assorbendo meno energia: con la tassellatura i poligoni vengono infatti aumentati durante il rendering finale, con un risparmio di risorse di calcolo notevole perché i dati iniziali da trasmettere sono relativamente pochi.
Ma una GPU ha anche bisogno di ricevere costantemente i dati da elaborare, pena un calo spesso vistoso nel framerate. Per questo motivo il controller di memoria adottato dagli Snapdragon è pensato per supportare il throughput e le latenze dei diversi engine, massimizzando al contempo l'utilizzo della banda e contenendo i consumi. Un impiego intelligente dei meccanismi di cache inoltre consente di ridurre gli accessi diretti alle DRAM da parte della maggior parte dei vari engine.
Vi sembra eccezionale? Preparatevi a ricredervi perché Qualcomm ha già annunciato una nuova GPU, Adreno 430, integrata nei prossimi processori Snapdragon top di gamma, che assicurerà supporto per le API OpenGL ES 3.1 e prestazioni del 30% superiori all'Adreno 420 nella grafica 3D e del 100% superiori nel GPGPU nonostante consumi inferiori del 20%.
DISPLAY ENGINE, VIDEO ENGINE e AUDIO DSP
Come dicevamo però all'interno dei SoC Qualcomm la GPU non è l'unico componente specializzato. Per la gestione dello schermo, o di monitor esterni, troviamo infatti anche un display engine. Uno schermo di qualità con una risoluzione elevata è infatti capace di migliorare decisamente l'esperienza di gioco, per questo il chipmaker californiano ha adottato un engine dedicato esclusivamente al miglioramento delle immagini, alla loro composizione e al supporto per pannelli di risoluzione elevata, fino a 3840 x 2160 pixel.
Tra le tecnologie gestite dal display engine ne troviamo due in particolare che vale la pena ricordare, TruPalette ed EcoPix, due set di funzioni che includono algoritmi di post-elaborazione che consentono di ottenere un'immagine di qualità superiore, tramite la regolazione del colore, del rapporto di contrasto e il contenimento degli artefatti dovuti allo scaling della risoluzione ma anche di altre tecniche. Ad esempio, EcoPix utilizza una soluzione che, agendo sui toni delle immagini, le rende più visibili anche in piena luce senza per questo andare a incidere negativamente sui consumi complessivi a causa dell’aumento dell'intensità della retroilluminazione, come fanno invece altre tecnologie meno evolute. Il display engine inoltre si occupa anche di processare in maniera efficiente le immagini trasmesse all'esterno, sia tramite connessione cablata, ad esempio HDMI, che wireless, tramite Miracast.
Il DSP Qualcomm Hexagon invece è dedicato all'audio, una componente fondamentale per un'esperienza di gioco immersiva. Grazie alle sue capacità di calcolo in tempo reale Hexagon offre una riproduzione con qualità CD (24-bit/96 kHz), il supporto a sistemi audio fino a 7.1 canali e la capacità di tenere in sincrono audio e video. Qualcomm infine collabora anche con giganti del settore come DTS e Dolby per fornire sempre il miglior supporto a tutte le tecnologie di miglioramento audio.
Un’altra componente dedicata dei SoC Qualcomm è il video engine (VPU), importante non solo nel gaming ma anche nell'intrattenimento quotidiano. Il componente infatti si occupa ad esempio di decodificare via hardware i video pre-renderizzati che inframmezzano il gaming in molti titoli videoludici, ma anche i filmati H.265 HEVC. In tutti questi ambiti l'impiego di un engine specializzato al posto della CPU abbatte i consumi mantenendo inalterato il framerate indispensabile affinché essi appaiano fluidi.
CONNESSIONI WIRELESS E SUPPORTO A INPUT MULTIPLI
Una connessione wireless efficiente è un altro aspetto cruciale quando si parla di gaming online, dove una manciata di millisecondi può fare la differenza tra perdere e vincere. A tal proposito Qualcomm è da sempre all'avanguardia, integrando da tempo moduli wireless di tipo Wi-Fi 802.11ac e 3G/4G-LTE nei propri SoC. L'atteso Snapdragon 810, un octa-core a 64 bit, integrerà ad esempio un modem multimode Cat 6 LTE Advanced con velocità in download fino a 300 Mbps.
E che dire delle modalità di input? Oggi molti titoli consentono di interagire in diversi modi, tramite touch, gesture, movimenti del device o controller e tutti devono avere una latenza bassissima per risultare efficaci. Ancora una volta Qualcomm ha la soluzione vincente poiché ad esempio il suo sensor engine consente di gestire i complessi calcoli legati ai rilevamenti dei vari sensori di movimento in maniera efficiente e con consumi bassi.
TECNOLOGIE DI CONTENIMENTO DEI CONSUMI E DELLE TEMPERATURE
Assorbimenti energetici elevati non solo diminuiscono significativamente la durata della batteria ma producono anche temperature elevate, che vanno a incidere negativamente sul comfort d'uso. Per ridurre entrambi gli inconvenienti i processori Snapdragon sono progettati per utilizzare sofisticati algoritmi che gestiscono l'alimentazione in base alle esigenze del carico di lavoro. Grazie a tecniche di DCVS (Dynamic Clock and Voltage Scaling) è infatti possibile variare dinamicamente le frequenze di clock e le tensioni delle diverse engine.
La GPU Adreno 420 inoltre offre livelli di controllo di potenza molto granulari ed utilizza anche tecniche di Z-Reject, evitando di calcolare i pixel che poi non saranno visibili a schermo perché coperti da altri. Molti dei motori specializzati inoltre utilizzano tecniche di risparmio energetico innovative. Ad esempio, il motore di visualizzazione utilizza anche uno schema di compressione proprietario chiamato frame buffer Compression (FBC), che comprime i dati di visualizzazione fino al 66 % prima della trasmissione, senza perdita di qualità visiva.
ECOSISTEMA QUALCOMM, SUPPORTO AGLI SVILUPPATORI E AI MAGGIORI MOTORI GRAFICI DI ULTIMA GENERAZIONE
Android è la piatatforma più diffusa e Qualcomm è uno dei chipmaker di riferimento in quest'ambito, collaborando con oltre 85 produttori in tutto il mondo ed essendo impiegato sulla maggior parte dei top gamma, come il Samsung Galaxy S5, l'HTC One M8, l'LG G3 e il Sony Xperia Z2.
La vera sfida però è riuscire ad assicurare all'utente la stessa qualità sia con device entry level che premium. Per questo Qualcomm è fortemente impegnata nell'assicurare la massima compatibilità trasversalmente alla propria gamma di SoC: ad esempio la presenza di supporto alle API OpenGL attraverso l'intera famiglia di soluzioni Snapdragon e Adreno consente agli sviluppatori di introdurre funzionalità next-gen, rendendole disponibili al mercato di massa a prescindere dal dispositivo che ciascuno acquisterà, senza dover ottimizzare il gioco per ogni singolo produttore.
Anche gli sviluppatori sono ottimamente supportati, grazie alla disponibilità di una vasta gamma di soluzioni hardware e software, dai driver agli SDK, completissimi visto che comprendono tool, emulatori, librerie, documentazione, sample e tutorial, fino alla disponibilità di dispositivi a loro dedicati. Lavorare fianco a fianco con le più grandi e importanti software house del settore è poi un altro aspetto fondamentale. Qualcomm collabora infatti da anni con nomi del calibro di EA, Gameloft, Activision Blizzard, Ubisoft, Square Enix, Mojang e Take-Two Interactive e soprattutto le ultime GPU Adreno supportano i motori grafici di ultima generazione più importanti e diffusi, tra i quali quelli prodotti da Unity Technologies (Unity Engine) e Epic Games (Unreal 4).
Qualcomm ha aiutato ad esempio la prima ad accelerare l'introduzione del supporto di alcune importanti funzionalità delle API OpenGL ES 3.0 come le texture compresse ETC2 e i multiple render target (MRT), ma la collaborazione continua ancora in prospettiva dell'introduzione del nuovo Unity 5.0 e delle sue feature innovative come il physically based shading, ovviamente supportato dai processori Snapdragon.
La collaborazione con Epic Games invece ha portato all'ottimizzazione delle procedure di illuminazione avanzata e post processing per gli stessi SoC. In questo modo ad esempio i developer, utilizzando questi motori grafici popolari e ottimizzati per una piattaforma così diffusa come quella prodotta da Qualcomm, possono risparmiare diverso tempo sugli aspetti tecnici, dedicandosi maggiormente alla creazione di contenuti originali.
Un'altra testimonianza dei frutti di queste collaborazioni importanti ci arriva anche da Brian McRae, CEO di Fenix Fire, sviluppatore del gioco Gates Of Osiris, anch'esso visibile nel nostro video, che ha dichiarato: "Il processore Qualcomm Snapdragon ci ha permesso di creare una migliore esperienza di gioco nel nostro Gates Of Osiris perché ci ha consentito di sviluppare più velocemente, migliorando l'impatto grafico e aiutandoci a comprendere meglio come ottimizzare al massimo il nostro gioco."
CONCLUSIONI
Qualcomm ha messo radici nell'industria del mobile gaming sviluppando tecnologie innovative. Un esempio recente è la tech demo "Swimmer", che mostra agli sviluppatori come utilizzare le OpenGL ES 3.0 per tecniche di rendering avanzate. La demo si concentra in particolare sul rendering della pelle tramite l'utilizzo di tecniche di subsurface scattering, eseguito a 60 fotogrammi al secondo, con risoluzione 2K.
La piattaforma Android è fiorente e offre agli sviluppatori di giochi una crescente opportunità di generare profitti su scala globale. In quest'ottica il ruolo svolto da Qualcomm è cruciale. Il chipmaker infatti sta aiutando l'industria del mobile gaming ad approfittare di questa opportunità risolvendo tre sfide chiave per gli sviluppatori:
- Supportare esperienze di gioco coinvolgenti restando all'interno dei vincoli dei consumi energetici e delle temperature tipici dei device mobili, creando SoC a basso consumo grazie ad architetture di tipo eterogeneo e alla progettazione di un'architettura efficiente;
- Fornire una piattaforma di sviluppo coerente trasversalmente a produttori e device, così da indirizzare efficacemente un'ampia porzione del mercato del gaming su Android;
- Aiutare gli sviluppatori a sfruttare le funzionalità dei processori Snapdragon per ridurre i tempi di sviluppo e i costi, offrendo un set completo di strumenti, supporto e tecnologie avanzate.
I processori Snapdragon sono appositamente costruiti e progettati per il segmento mobile, con l'intenzione di sostenere tutte le esperienze di gioco, da quelle dei casual gamer con titoli come Candy Crush Saga fino agli hardcore gamer appassionati dei titoli più avanzati, basati sui motori di Epic o Unity, consentendo loro di giocare più a lungo consumando meno risorse e ottenendo una grafica sempre più vicina a quella delle console, per reinventare il mondo mobile in cui viviamo.
