Snapdragon 888 im Detail: Qualcomm vereint Cortex‑X1 und X60‑Modem in 5 nm

tl;dr: Der Snapdragon 888 aus moderner 5-nm-Fertigung wird im kommenden Jahr in ersten Smartphones zum Einsatz kommen. Mit dem Cortex-X1 schraubt Qualcomm deutlich an der Single-Core-Performance. Einzug halten aber auch der Cortex-A78, eine neue Adreno-GPU, ein Triple-ISP, ein neuer DSP und nicht zuletzt wieder das Modem.

Diese Smartphone-Hersteller sind dabei

Im Verlauf des ersten Quartals 2021 sollen die ersten Smartphones mit dem neuen Snapdragon 888 auf den Markt kommen. Wie bereits gestern zur Ankündigung des neuen Namens bekannt gegeben wurde, ist unter anderem von Asus, Black Shark, Lenovo, LG, Meizu, Motorola, Nubia, Realme, OnePlus, Oppo, Sharp, Vivo, Xiaomi und ZTE mit entsprechend ausgestatteten Modellen zu rechnen. Sony hat ebenfalls in Aussicht gestellt, auch künftig auf aktuelle SoCs von Qualcomm setzen zu wollen.

Snapdragon 888 vs. Snapdragon 865 im Vergleich

Nachdem gestern nur einige Eckdaten des Chips von Qualcomm angerissen wurden, stand heute die vollständige Ankündigung mit allen Details auf dem Programm des Snapdragon Tech Summit. Neuerungen und Verbesserungen gibt es in beinahe allen Bereichen des Systems on a Chip. Einen ersten Überblick der Ausstattung des Snapdragon 888 im Vergleich zum Snapdragon 865 liefert die nachfolgende Tabelle.

		Qualcomm Snapdragon 888	Qualcomm Snapdragon 865
Prozess		Samsung 5LPE	TSMC N7P
Core-Design		1 + 3 + 4	1 + 3 + 4
CPU		1 × Kryo 680 Prime (Cortex-X1) @ 2,84 GHz 1 × 1 MB L2 3 × Kryo 680 Gold (Cortex-A78) @ 2,40 GHz 3 × 512 KB L2 4 × Kryo 680 Silver (Cortex-A55) @ 1,80 GHz 4 × 128 KB L2	1 × Kryo 585 Prime (Cortex-A77) @ 2,84 GHz 1 × 512 KB L2 3 × Kryo 585 Gold (Cortex-A77) @ 2,42 GHz 3 × 256 KB L2 4 × Kryo 585 Silver (Cortex-A55) @ 1,80 GHz 4 × 128 KB L2
GPU		Adreno 660 @ ? MHz „+35 % Leistung“	Adreno 650 @ 587 MHz
Speicher		LPDDR5 @ 3.200 MHz LPDDR4X @ 2.133 MHz	LPDDR5 @ 2.750 MHz LPDDR4X @ 2.133 MHz
ISP		Spectra 580 Triple 14-Bit ISP 2,7 GP/s 1 × 200 MP Foto 3 × 28 MP @ 30 FPS ZSL 1 × 64 MP/1 × 25 MP @ 30 FPS ZSL 1 × 84 MP @ 30 FPS ZSL 10 Bit HDR/Rec. 2020 Foto + Video 4K Video + 64 MP Foto 4K Video @ 120 FPS 8K Video @ 30 FPS 720p Video @ 960 FPS HDR10(+), HLG, Dolby Vision	Spectra 480 Dual 14 Bit ISP 2 GP/s 1 × 200 MP Foto 2 × 25 MP @ 30 FPS ZSL 1 × 64 MP @ 30 FPS ZSL 10 Bit HDR/Rec. 2020 Video 4K Video + 64 MP Foto 4K Video @ 120 FPS 8K Video @ 30 FPS 720p Video @ 960 FPS HDR10(+), HLG, Dolby Vision
DSP		Hexagon 780 26 TOPS (CPU+GPU+DSP)	Hexagon 698 15 TOPS (CPU+GPU+DSP)
Modem	Integriert	Snapdragon X60	×
	Extern	×	Snapdragon X55

Qualcomm wechselt zur Fertigung in 5 nm

Qualcomm vollzieht mit dem Snapdragon 888 den Wechsel zur 5-nm-Fertigung, die derzeit unter anderem bei Apple im A14 Bionic und im Kirin 9000 von HiSilicon Verwendung findet. Nachdem der Snapdragon 865 (N7P) und der Snapdragon 855 (N7) bei TSMC gefertigt wurden, ist die Wahl der Foundry diesmal auf Samsung und somit 5LPE gefallen. Die Fertigungsstufe 5LPE soll keine so großen Boni wie N5 bei TSMC bieten, dafür jedoch kompatibel zur 7-nm-Produktion sein. Keine Details gibt es zur Anzahl der Transistoren, wenngleich selbst ohne eine Zahl davon auszugehen ist, dass es aus mehreren Gründen mehr geworden sind – mehr dazu im Verlauf des Artikels.

ARM Cortex-X1 als neuer Prime-Core

Ein System on a Chip ist heutzutage zwar deutlich mehr als nur die CPU und GPU auf einem Package, doch vor allem bei der CPU zieht mit dem Snapdragon 888 eine wichtige Neuerung ein, die die Single-Core-Leistung deutlich steigern dürfte. Qualcomm ist der erste Anbieter, der beim Prime-Core auf den im Rahmen des Cortex-X-Custom-Programms (CXC) entwickelten Cortex-X1 setzt, den ARM im Frühjahr parallel zum Cortex-A78 vorgestellt hatte. Im Snapdragon 888 kommt der Cortex-X1 in einer Konfiguration mit bis zu 2,84 GHz und 1 MB L2-Cache als Teil der Kryo 680 getauften CPU zum Einsatz. Beim Snapdragon 865 war der Prime-Core noch ein „lediglich“ um 420 MHz höher getakteter Cortex-A77 mit doppelt so großem L2-Cache. Der neue Cortex-X1 ist aber deutlich mehr.

50 Prozent größer als der Cortex-A78

Der Cortex-X1 ist eine Hochleistungsvariante des Cortex-A78 und nimmt 50 Prozent mehr Fläche als dieser im SoC ein. Neben dem doppelt so großen L2-Cache (1 MB) sind dafür Veränderungen wie die Fähigkeit, fünf statt vier Befehlen aus dem L1-Instruction-Cache sowie acht statt sechs aus dem Micro-Op-Cache abzurufen, hinzugekommen. Von den 128-Bit-NEON-Pipelines gibt es gleich vier statt der zwei im Cortex-A78, außerdem hat ARM den „L0 Branch Target Buffer“ (BTB) von 48 auf 96 Einträge, den Micro-Op-Cache von 1.536 auf 3.072 Einträge, das Out-of-Order-Fenster von 160 auf 224 Einträge und den „L2 Load Target Buffer“ (LTB) um 66 Prozent auf 2.048 Einträge für den Cortex-X1 vergrößert.

Einem Vergleich von ARM zufolge liegt der Cortex-X1 mit 3,0 GHz, 1 MB L2-Cache und 8 MB L3-Cache bei der Integer-Leistung 22 Prozent vor einem normalen Cortex-A78 und bietet dabei die doppelte Machine-Learning-Performance, die sich von den doppelt so vielen NEON-Pipelines ableiten lässt. Der Cortex-A78 soll bei gleichem Takt und gleicher 7-nm-Fertigung des Cortex-A77 eine 7 Prozent höhere Leistung bei gleichzeitig 4 Prozent reduziertem Verbrauch und 5 Prozent weniger Fläche im SoC erreichen. Wird der Wechsel der Fertigung von 7 auf 5 nm miteinbezogen, könne ein Cortex-A78 im gleichen thermischen Korsett von 1 Watt pro Core 3,0 statt 2,6 GHz und eine 20 Prozent höhere Leistung als der Cortex-A77 liefern.

Kryo-680-CPU soll 25 Prozent schneller sein

Qualcomm selbst nennt für die gesamte Kryo-680-CPU mit erneut acht Kernen eine Leistungssteigerung von 25 Prozent und einen Effizienzgewinn von ebenfalls 25 Prozent. Vom neuen Cortex-A78 bietet der Snapdragon 888 drei Kerne mit jeweils bis zu 2,4 GHz und 512 KB L2-Cache. Auf den Prime-Core und die Performance-Kerne folgen vier Cortex-A55 als Efficiency-Kerne mit bis zu 1,8 GHz und jeweils 128 KB L2-Cache. Den acht Kernen stellt Qualcomm einen L3-Cache von wieder 4 MB zur Seite, während ARM in der Konfiguration mit Cortex-X1 auch bis zu 8 MB erlaubt hätte. Außerdem sind beim Snapdragon 888 erneut 3 MB Systemcache an Bord.

Speichercontroller für LPDDR5 und LPDDR4X

Das Thema Speicher setzt sich beim Speichercontroller für Arbeitsspeicher fort, wo nun schnellerer LPDDR5-Speicher von bis zu 3.200 MHz statt zuvor maximal 2.750 MHz verwendet werden kann. Wie Qualcomm auf Nachfrage wissen ließ, kommt erneut ein viermal 16 Bit breites Quad-Channel-Interface zum Einsatz. Interessanterweise hält Qualcomm weiterhin an der Option auf LPDDR4X fest, die mit LPDDR4X von bis zu 2.133 MHz den Spezifikationen des Snapdragon 865 entspricht. Smartphone-Hersteller können demnach weiterhin den etwas günstigeren älteren Standard verbauen.

Adreno-660-GPU legt um 35 Prozent zu

Richtet sich der Blick auf die GPU, so kommt dort nun die Adreno 660 als Nachfolger der Adreno 650 zum Einsatz. Qualcomm hält sich hier bekannt verdeckt, welche Maßnahmen genau zur versprochenen Leistungssteigerung von 35 Prozent sowie 20 Prozent besserer Effizienz geführt haben. Welchen Maximaltakt die GPU aufweist oder wie viele Shader-Cluster diese besitzt, bleibt wie eh und je unter Verschluss. Es ist aber davon auszugehen, dass Qualcomm erneut in die Breite gegangen ist, anstatt die Taktraten massiv anzuheben.

Variable Rate Shading für Smartphones

Mit der Adreno 660 unterstützt Qualcomm erstmals „Variable Rate Shading“ (VRS) auf einer Mobile-GPU. Kommt dieses Feature bei einem Spiel zum Einsatz, soll eine weitere Leistungssteigerung von bis zu 30 Prozent möglich sein. Auf der Adreno 660 erlaubt VRS dem Shader-Programm, Pixel in Gruppen von zwei oder vier zusammenzufassen und somit die Bildausgabe in verschiedenen Bereichen mit unterschiedlicher Qualität zu rendern. Wo beispielsweise in dunklen oder gleichfarbigen Bereichen eine reduzierte Qualität ohnehin nicht sichtbar wäre, wird weniger Rechenleistung für diese Segmente „verschwendet“ und stattdessen in andere Bereiche des Bildes gesteckt oder gleich ganz eingespart. So lässt sich in den klar sichtbaren Bereichen die Qualität erhöhen oder insgesamt die Leistung oder die Effizienz steigern – je nach Implementierung im Spiel.

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Game Quick Touch soll Latenz reduzieren

Neu für die Adreno 660 ist zudem „Game Quick Touch“, wie Qualcomm eine Technologie zur Reduzierung der Touchlatenz nennt, die automatisch im Hintergrund läuft und zu jedem Spiel kompatibel ist. Das Feature soll verhindern, dass ein Titel bei hohem Rechenaufwand seine Vsync-Deadline verpasst, um einen neuen Frame synchron zur Bildwiederholrate des Displays auszugeben. Dieser verpasste Frame kann dazu führen, dass eine Touch-Eingabe mit einer Latenz vom Smartphone registriert wird. Bei 60 FPS soll „Game Quick Touch“ die Latenz um bis zu 20 Prozent, bei 90 FPS um bis zu 15 Prozent und bei 120 FPS um bis zu 10 Prozent reduzieren.