Samsung Exynos 2100. Caratteristiche e confronto con Qualcomm Snapdragon 888

Samsung Exynos 2100 è il superprocessore ARM che affianca il Qualcomm Snapdragon 888 sui nuovi smartphone flagship della serie Galaxy S21. Quali sono le sue caratteristiche tecniche e come si differenzia al confronto con l'omologo SoC Qualcomm?

Samsung ha lanciato al CES 2021 i suoi nuovi smartphone flagship Galaxy S21, S21+ ed S21 Ultra, destinati a rappresentare il punto di riferimento per l'intero settore su tutti i profili, dalle capacità fotografiche alle prestazioni del processore. Mentre in USA e Cina saranno basati su piattaforma Qualcomm Snapdragon 888, presentata a dicembre e condivisa con altri brand sul mercato, in Italia e nel resto del mondo monteranno gli ultimi superprocessori proprietari di Samsung LSI.

Ci riferiamo ai Samsung Exynos 2100, chip dichiaratamente fondati su tre pilastri: CPU potente, GPU fulminea e approccio ultra-efficiente ai consumi. Samsung ne va particolarmente orgogliosa tanto da avergli dedicato una presentazione ad hoc due giorni prima dell'evento Unpacked di lancio dei Galaxy S21.

E infatti gli Exynos 2100 rappresentano un importante punto di svolta nella storia di Samsung Semiconductors per più ragioni:

• Sono i primi processori ultramobile della Casa coreana basati su processo produttivo Samsung 5nm EUV
• Sanciscono l'abbandono dei core ad alte prestazioni Mongoose che erano stati alla base di tutti i SoC flagship Samsung degli ultimi 5 anni
• Segnano il ritorno ad una configurazione monoblocco con modem 5G integrato

Si chiude un ciclo che è stato punteggiato da alcuni episodi non particolarmente felici, come la campagna di richiamo dei Samsung Galaxy Note 7 che erano equipaggiati proprio con il primo processore a core Mongoose M1, Samsung Exynos 8890, e che è culminato a fine 2019 nella decisione di smantellare la divisione che si occupava dello sviluppo dei core proprietari Samsung's Austin R&D Center (SARC).

Sviluppare una propria architettura custom sulla base delle specifiche ARM ha dei costi in termini economici e di tempo; Samsung ha preferito redistribuire quelle risorse sulla progettazione del SoC nel suo complesso, che può ora vantare non solo un boost in termini di prestazioni della CPU, ma anche considerevoli miglioramenti su tutte le altre componenti, GPU, NPU, ISP e modem 5G.

CPU tri-cluster con Cortex-X1 e confronto con Qualcomm Snapdragon 888

Messi da parte i core proprietari, per la CPU di Samsung Exynos 2100 è stata scelta una struttura tri-cluster con 1 core ad altissime prestazioni Cortex-X1, 3 core ad alte prestazioni Cortex-A78, e 4 core ad alta efficienza Cortex-A55. In realtà quindi, Samsung Exynos 2100 non adotta unicamente Core ARM Cortex stock, ma continua ad impiegare core custom perché il Cortex-X1 per sua natura viene personalizzato da ARM sulla base del livello di performance richiesto dal cliente, secondo le linee guida del nuovo programma Cortex-X Custom (CXC) del quale Samsung è stato uno dei primi partner.

A sostenere le prestazioni, soprattutto in multi-core, sono però i tre Cortex-A78, le CPU ARM di categoria premium più efficienti mai realizzate, dove per efficienza non si intende soltanto il rapporto fra prestazioni e consumi, come siamo abituati sui processori per PC, ma anche la relazione con l'area del die.

I Cortex-A78 riescono ad assicurare un incremento fino al 20% delle performance nonostante vadano ad occupare un'area ridotta. All'opposto, il core Cortex-X1 ha un'area maggiore del 15% ma permette di ottenere un incremento di performance di picco fino ad un massimo del 23%. Valori che vanno sommati a quelli risultanti dallo shrinking del processo litografico dovuto al passaggio dai 7nm ai 5nm EUV e che, a detta di Samsung, corrispondono ad un incremento del 20% dell'efficienza energetica o in un incremento del 10% delle frequenze di clock.

Questi dati teorici sembrano trovare una conferma nei benchmark comparativi ufficiali fra Samsung Exynos 2100 ed il suo predecessore Exynos 990 che indicano prestazioni in multithreading migliori del 33%. È invece un po' inferiore a quanto ci saremmo aspettati, il boost delle prestazioni in single threading, con un +19% che non rispecchia completamente le potenzialità, almeno sulla carta, del Cortex-X1.

Completano il quadro uno scheduler più potente ed un controller di voltaggio più efficiente con lo scopo di sfruttare al massimo la nuova configurazione della CPU senza alcuno spreco in termini di consumi.

Confrontando la CPU del Samsung Exynos 2100 con quella del Qualcomm Snapdragon 888, si nota subito che hanno la stessa configurazione, ma esaminando le specifiche tecniche con più attenzione emergono alcune importanti differenze. Mentre la frequenza massima sul super-core Cortex-X1 è simile per entrambi (2,9GHz per Samsung, 2,84 per Qualcomm che di solito si riserva quel piccolo step di frequenza aggiuntivo per una variante per gaming del suo processore), invece c'è una differenza di ben 400MHz sia sui core ad alte prestazioni sia sui core ad alta efficienza a favore di Exynos. È un dato di difficile interpretazione perché una maggiore frequenza di clock potrebbe tradursi in un migliore livello di prestazioni soprattutto in multi-threading ma a dispetto di consumi più alti.

Samsung inoltre dichiara miglioramenti sulla cache dell'Exynos 2100 che secondo alcuni commentatori indicherebbero la presenza di un ammontare di 8MB di cache L3 in Dynamic Shared Unit (DSU) a fronte dei 4MB L3 dello Snapdragon 888. È uno spunto interessante ma in mancanza di informazioni ufficiali ci dobbiamo riservare di tornare sull'argomento appena avremo conferme. Update: report più recenti hanno chiarito che anche Exynos 2100 ha 4MB di cache L3.

GPU, AI, capacità fotografiche e multimediali

Il secondo pilastro dell'Exynos 2100 è la GPU che deve garantire quella fluidità di performance nel gaming 3D che ci si aspetta da uno smartphone flagship nel 2021. Samsung ha stretto una collaborazione com AMD che porterà a processori flagship con GPU RDNA integrata e, a metà 2020, sono stati anche pubblicati alcuni benchmark che mostravano le potenzialità di questa architettura in ambito ultramobile, però gli Exynos 2100 montano ancora una GPU ARM.

Ovviamente la notizia avrà raffreddato gli entusiasmi dei mobile gamer più accaniti che speravano di poter sperimentare la potenza di queste GPU già sui Galaxy S21, ma l'attesa sta per terminare. Samsung ha annunciato ufficialmente che integrerà una GPU RDNA sui suoi prossimi processori per smartphone flagship.

Nel frattempo ha inserito una GPU top di gamma ARM Mali-G78 MP14 nell'Exynos 2100 con la promessa di un +40% di prestazioni di gioco rispetto all'Exynos 990. Difficile fare un confronto sulla carta con l'Adreno 660 per via della differente architettura, ma al riguardo vi segnaliamo una curiosità: Adreno è un anagramma di Radeon, scelto da Qualcomm per le sue GPU dopo l'acquisizione della divisione mobile AMD ex ATI nel 2008.

Con un SoC composto da blocchi così potenti, diventa fondamentale avere una tecnologia che permetta di distribuire la potenza fra i vari sottosistemi che per Samsung prende il nome di AMIGO, acronimo di Advanced Multi-IP Governor. Fa da tramite con il driver DVFS Dynamic Voltage and Frequency Scaling, monitorando, profilando ed ottimizzando i task.

Con Exynos 2100 debutta anche una nuova NPU tri-core dedicata ad accelerare i calcoli delle inferenze per l'Intelligenza Artificiale che riveste ormai un ruolo fondamentale negli smartphone odierni. Combinando NPU e DSP si riescono ad eseguire 26 TOPS trilioni di operazioni al secondo, contro i 15 TOPS dell'Exynos 990. Un incremento di prestazioni che si traduce nella capacità di elaborare tre volte più frame al secondo nonostante l'efficienza migliori di due volte rispetto alla generazione precedente.

Fra le varie funzioni della NPU c'è l'amatissima fotografia assistita che ci permette di fare foto punta e scatta con qualità di livello professionale anche in situazioni ambientali difficili come low-light, zoom e soggetti in movimento. La NPU aiuta l'ISP nell'individuazione degli elementi presenti sulla scena con l'obiettivo di raggiungere un bilanciamento ottimale di colori, esposizione, gamma dinamica, bilanciamento del bianco, rumore e definizione.

Parlando di ISP, anche questo coprocessore è stato aggiornato con nuovo hardware e nuovi algoritmi. Regge configurazioni in singolo sensore fino a 200MP e in dual camera fino a una coppia di sensori da 32MP, inoltre include un Multi-Camera and Frame Processor (MCFP) che permette di gestire fino a 6 sensori individualmente o di combinare gli stream di 4 sensori simultaneamente per dare libero spazio alla creatività dell'utente che può passare da un sensore all'altro diventando il regista dei suoi video.

Un avanzato codec multiformato permette la registrazione di video 4K a 120 fps e la riproduzione video 8K a 60 fps. Samsung dichiara che Exynos 2100 è il primo SoC ad incorporare un decoder AV1 per riproduzione di video 4K/8K (ma solo perché la decodifica AV1 sul Mediatek Dimensity 1000 si ferma a 4K).

Samsung Exynos 2100 supporta display HDR10+ e risoluzione massima 4K a 120Hz o risoluzione massima QHD+ a 144Hz. Sorprendentemente nessuno dei nuovi Samsung Galaxy S21 monta un pannello a 144Hz; potrebbe essere un indizio di qualche futuro smartphone per il gaming marchiato Samsung?

Design monoblocco con 5G mmWave integrato

Il gaming su smartphone del resto è uno degli scenari che riceve maggiore beneficio dal 5G con bande di frequenza mmWave, che hanno minore portata ma permettono di raggiungere velocità più elevate. Un modem 5G con supporto di mmWave insieme alle bande sub-6GHz è quindi essenziale per uno smartphone moderno, non solo per il mobile gaming, ma per accedere a tutte le funzionalità delle reti ultramobile broadband.

Nel 2021 il 5G entra nella sua seconda fase che prevede una maggiore copertura del servizio su mmWave ed un maggior numero di device connessi mmWave-enabled. Gli smartphone flagship Samsung sono un concentrato di anteprime tecnologiche e quindi sono pienamente compatibili con queste tecnologie già dall'anno precedente. La novità è che ora il modem 5G non è più su un chip companion, ma è integrato direttamente nel SoC Samsung Exynos 2100 con tutti i vantaggi che ne conseguono in termini di riduzione della complessità del design e dei consumi. Samsung dichiara velocità massime in download di 5,1Gbps in sub-6GHz, e di 7,35Gbps su mmWave.

Non mancano funzionalità hardware dedicate alla sicurezza e all'immagazzinamento delle chiavi cifrate secondo lo schema Strongbox Keymaster di Android, per completare quello che si preannuncia davvero come il processore per smartphone Exynos migliore di sempre.