Есть ли на айфоне видеокарта
Заметили, что мегапикселей стало как-то очень много? В Samsung готовят матрицы разрешением 600 Мп, уже есть — 108 Мп, а вот в iPhone, по-прежнему, 12 Мп. Почему так?
Вы наверное думаете, что всё дело в Deep Fusion и других волшебных алгоритмах. Отчасти, да. Но дело не только в них.
А что если я вам скажу, что в iPhone гораздо больше мегапикселей, чем мы думаем. А в Samsung, наоборот, гораздо меньше. Смотря как посчитать эти мегапиксели. Что это еще за заговор такой? Давайте разберемся!
Традиционная структура
Первый момент. Если внимательно посмотреть на современные ультра-мегапиксельные матрицы на 48, 64 или даже 108 Мп (а Samsung официально анонсировал, что работает над 600 Мп сенсором), то становится понятно, что разрешение матрицы стало вещью относительной. Почему я так говорю?
Традиционно, каждый пиксель на матрице состоял как минимум из 3 вещей:
- Фотодиод — маленький сенсор, который улавливает свет.
- Это цветовой фильтр, который позволят каждому фотодиоду улавливать только нужный спектр света: красный, зеленый или синий.
- Микролинза — которая позволяет точнее фокусировать свет внутрь пикселя.
И получается что если в пикселе есть эти три компонента, его можно назвать полноценным. И в матрицах с такими дополнениями пикселя мы всегда получаем честное разрешение: если матрица 12 МП, то и фотография будет 12 МП. Но разве можно делать как-то иначе?
Quad Bayer
Оказывается, можно. Долгое время у производителей матриц была проблема. Они никак не могли сделать пиксель меньше 1 мкм. А значит они не могли при том же физическом размере матрицы увеличить разрешение. Вот мы и сидели в основном с 12 Мп камерами.
Но в 2018 году барьер в 1 мкм был преодолён и появились первые компактные матрицы с размером пикселя 0,9 или 0,8 мкм и разрешением в 48 МП и больше. Но с уменьшением размера пикселя при прочих равных падает и их светочувствительность. Что, кстати, происходит не всегда…
Поэтому придумали очень простой хак. Цветовой фильтр стали накладывать не на один, а сразу на четыре пикселя и назвали такую структуру Quad Bayer, ну или Tetra Cell, если вы маркетолог Samsung. А дальше, объединив 4 пикселя в один гигантский, мы получаем отличную светочувствительность!
Но при этом реальное разрешение в 48 Мп камерах с Quad Bayer структурой в 4 раза меньше номинального и все равно — 12 Мп. Потому что пиксели в таких матрицах не проходят наш критерий полноценности: в каждом пикселе есть фотодиод, в каждом есть микролинза, но цветовой фильтр только один на четырёх. А значит цветовое разрешение в таких камерах в 4 раза ниже фактического.
Более того, даже в новых Samsung со 108 Мп камерами, реальное разрешение тоже 12 Мп, потому как в них объединяют не четыре, а сразу девять пикселей. Итого, 108 делим на 9, получаем 12.
Но почему же просто не сделать большие пиксели и не заморачиваться с этим объединением? Как ни странно такой подход даёт массу преимуществ!
Во-первых, днём когда света много — можно не объединять пиксели, а наоборот, при помощи алгоритма Re-mosaic можно восстановить хоть и неполное разрешение матрицы, но очень высокое.
Во-вторых, мы можем заставить разные пиксели работать с разной выдержкой. Тогда на выходе мы получим один светлый и один темный кадр, а склеив их мы можем получить полноценную HDR фотографию, или даже HDR видео!
Короче, вариантов для экспериментов масса и грех такое не использовать.
Но, если все уже поняли, что подход работает, почему же тогда ни в iPhone, ни в Pixel не используется преимуществами новых матриц? И вот тут самое интересное. На самом деле они пользуется, причем давно, но по-другому!
Dual Pixel
Помимо структур Bayer и Quad Bayer, существует и альтернативная школа, которая называется Dual Pixel или вернее сказать Dual Photo Diode.
Она отличается от традиционного Байера тем, что каждый пиксель в ней состоит из двух независимых фотодиодов. При этом оба фотодиода перекрывает только одна микролинза.
Но зачем это нужно? Если посмотреть на традиционную цифровую матрицу под микроскопом, то помимо обычных пикселей мы заметим какие-то странные зоны — вот эти зеленые штучки.
Это датчики фазовой фокусировки. Они необходимы для автофокуса. Кто снимал на зеркальные, помните вот такие зоны фокусировки в видоискателе? Вот это они!
Чем больше таких датчиков, тем быстрее и точнее будет работа автофокуса или AF. Но вот проблема. Они физически занимают место на матрице и отнимают его у нормальных пикселей. А значит, нельзя бесконечно увеличивать количество фазовых пикселей. Потому как если бы на каждый обычный пиксель приходился один фазовый пиксель, то система фокусировки занимала бы процентов 60 от общей площади.
Так было раньше, пока Canon не придумал технологию Dual Pixel. В качестве датчиков фазовой фокусировки они стали использовать обычные пиксели, разделив их на две части! Это позволило все пиксели сделать фазовыми! Опять же все кто пользовался зеркалками, знает какой у Canon крутой автофокус.
Но если у взрослых камер такая технология есть только у Canon, то в смартфонах матрицы с двойными пикселями производит и Samsung, и Sony, поэтому такую систему фокусировки можно встретить в куче смартфонов. В том числе во всех Google Pixel, начиная со второго и в iPhone 11 и 12.
Поэтому фактически в iPhone матрицы 24 мегапиксельные, если считать по количеству фотодиодов. Только полноценными такие 24 Мп конечно назвать нельзя, потому как тут пиксели делят на двоих не только цветовой фильтр, но и макролинзу. Поэтому в таких матрицах пиксели всегда работают в режиме объединения.
Правда есть одно исключение, если в iPhone систему двойных пикселей используют исключительно по назначению то есть для улучшения фокусировки, и, кстати, автофокус в iPhone замечательно работает как в фото, так и в видео, то в Google Pixel при помощи этой технологии научились делать портретные снимки с одной камеры. Они просто берут две фотографии, которые получились с правого и левого фотодиода и, подсчитав насколько сдвинулось изображение, строят карту глубины.
Так к чему я всё это? 12 Мп в iPhone — это осознанный выбор Apple, как и 108 Мп в Galaxy — осознанный выбор Samsung. Каждый из которых даёт свои преимущества и недостатки.
Камеры с высоким разрешением и структурой Quad Bayer или NonaCell — позволяют добиться более высокого разрешения днём и классной светочувствительности ночью. Позволяют проводить съёмку с алгоритмами HDR для фото и видео и вообще могут очень гибко настраиваться под конкретную задачу. Но пока не каждый процессор может справится с обработкой такого количества пикселей, а также, как показали тесты Galaxy S20 Ultra, бывают проблемы с фокусировкой.
Dual Pixel матрицы с низким разрешением вроде бы ничем особо не отличаются от традиционных матриц, но фотографии в низком разрешении проще обрабатывать. А структура Dual Pixel позволяет добиться потрясающей скорости и точности фокусировки.
Тем не менее мир не стоит на месте, Samsung и Sony уже показали новые матрицы с Quad Bayer структурой и двойными пикселями, которые берут лучшее из двух миров. Поэтому в будущем ждем еще более крутые камерофоны в следующем году.
Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий
Камеры iPhone 13 и iPhone 12
Когда-то второй модуль камеры казался каким-то чудом, но сегодня многие считают, что даже двух «глазков» недостаточно. На самом деле важно не количество объективов, а то, как они работают. Наглядно эту идею доказывает iPhone 13. В этой модели, как и в предыдущей, система камер на задней панели имеет два модуля: широкоугольный и сверхширокоугольный, каждый разрешением в 12 Мп. Но в модели 2021 года камеры расположены на площадке немного иначе, Apple объясняет этот шаг необходимостью разместить увеличенную матрицу широкоугольной камеры (теперь она улавливает на 47% больше света) и новую систему оптической стабилизации. Правда, с точки зрения характеристик, изменений не так уж и много.
Блок основных камер iPhone 13
Широкоугольная камера по-прежнему имеет диафрагму f/1.6, а сверхширокоугольная – диафрагму f/2.4. Обе камеры работают с Ночным режимом, поддерживают технологию Deep Fusion, имеют оптический зум 2x на уменьшение и цифровой зум до 5x. Камеры поддерживаются вспышкой True Tone с функцией «Глубина» и эффектом боке, умеют работать с Портретным освещением.
Блок основных камер iPhone 13
Но есть у камер iPhone 13 небольшие улучшения. Теперь оптическая стабилизация изображения достигается сдвигом матрицы, при обработке фотографий используется Smart HDR 4, тогда как в iPhone 12 присутствовал Smart HDR 3. Другое нововведение – Фотографические стили.
Можно говорить и о том, что возможности съемки видео не сильно изменились. Главная новинка – режим «Киноэффект», который позволяет при съемке переводить фокус с одного объекта на другой.
Оптическая стабилизация в iPhone 13 и при съемке видео осуществляется путем сдвига матрицы. Все же остальные функции остались неизменными. Оба смартфона умеют снимать 4К видео с частотой до 60 кадров/с, а HDR-видео Dolby Vision тоже 4К, но до 30 кадров/с. Можно использовать оптический зум 2х на уменьшение и цифровой зум до 3х. Есть режим «Таймлапс» со стабилизацией изображения, причем действует он и в Ночном режиме. Можно снимать замедленное видео 1080р с частотой до 240 кадров/с, а также писать стереозвук.
Фронтальная камера в iPhone 13 тоже, кажется, не претерпела изменений. Она сохранила разрешение в 12 Мп и диафрагму f/2.2. Основные новшества тут программные – поддержка Smart HDR 4, режим «Киноэффект» и Фотографические стили. Базовый функционал остался неизменным: Режим «Портрет», Портретное освещение, Ночной режим, Deep Fusion. Камера умеет писать видео 4К с частотой до 60 кадров/с, а также HDR-видео 4К с частотой до 30 кадров/с и замедленное видео 1080р с частотой до 120 кадров/с, осуществлять кинематографическую стабилизацию видео.
Вывод: Хочется верить утверждениям Apple о том, что модуль широкоугольной камеры iPhone 13 получил улучшенную матрицу. На бумаге пока все выглядит так, что основные возможности съемки остались неизменными, но камеры получили несколько программных «фишек», которые может обсчитывать A15 Bionic. Качество фотографий конечно же улучшится, хотя бы за счет использования нового режима HDR.
Apple улучшает быстродействие и энергетическую эффективность при помощи регистров меньшего размера
API мобильной графики OpenGL ES и Metal API поддерживают 16-битный формат половинной точности с плавающей запятой, используемый для подсчётов и хранения данных изображения, потребляющий меньше энергии, чем 32-битные расчёты одинарной точности. Расчёты с половинной точностью в некоторых случаях быстрее теряют точность, чем расчёты одинарной точности. Но для многих приложений, работающих с графикой, обработкой изображений и машинный обучением, половинной точности достаточно для выдачи правильных результатов – особенно в связи с тем, что у большинства дисплеев динамический диапазон одного пикселя составляет от 8 до 12 бит.
Набор регистров для GPU от Apple состоит из 16-битных регистров, идеально подходящих для полуточных данных, если судить по презентациям, доступным в открытом доступе [1]. Данные одинарной точности с плавающей запятой и другие 32-битные данные требуют двух регистров. В результате, набор регистров может хранить в два раза больше 16-битных переменных, чем 32-битных. Инженеры Apple подчёркивают, что использование полуточных расчётов приводит к серьёзному увеличению быстродействия и экономии энергии по сравнению с одинарной точностью, что говорит о том, что их архитектура сконцентрирована на использовании половинной точности как основной концепции в дизайне.
По контрасту, GPU PowerVR Series 6 и 7 используют 32-битные регистры и разработаны для расчётов одинарной точности, если судить по инструкциям от Imagination Technologies [2]. В Series 6 самые часто используемые инструкции, FMAD, FMUL и FADD, умеют работать с половинной точностью, но просто обнуляя несколько битов исходных и результирующих регистров. Некоторые инструкции могут работать с двумя 16-битными элементами SIMD внутри одного регистра (а Series 7 расширяют эти возможности на большее число инструкций), но исполнение SIMD сильно отличается от скалярного исполнения при помощи 16-битных регистров. Для PowerVR хранение данных в 16-битном формате – трата памяти регистров впустую, при этом максимальное количество хранимых переменных не удваивается автоматически. Поэтому использование 16-битных данных должно уменьшить объёмы проходящих через память данных и потребление энергии, но не обязательно увеличит быстродействие или эффективность энергозатрат, как это получается у GPU от Apple.
Следующие шаги Apple
После многих лет найма графических архитектров, Apple разработала собственный GPU, который уже ставят в процессоры A8, A9 и A10, работающие в iPhone 6, 6S и 7. В GPU всё ещё остаётся железо от PowerVR, но ясно, что шейдерные ядра очень отличаются от тех, что используют Imagination Technologies. Это значит, что Apple сделала собственные компиляторы для Metal и OpenGL ES, и скорее всего, и собственный драйвер.
Судя по истории компании, нет ничего удивительного в разработке собственного GPU. Кроме очевидных преимуществ в быстродействии есть и менее очевидные – улучшенный контроль над экосистемой, меньшее время выхода на рынок, уменьшение количества ошибок.
После выхода iPhone 11 с SoC Bionic A13 в очередной раз возникло желание сравнить его производительность с ПК. Пару лет назад эппловские чипы уже обошли средний сегмент ноутбуков. И поскольку там прогресса в производительности практически нет, новый карманный гаджет должен сейчас обойти уже всю ноутбучную братию и хорошенько «покусать» настольные системы.
Во многом обошел. Покусал. Детали под катом.
Изучая мнения о том, кто быстрее (смартфоны или ноутбуки), самым распространенным оказался вариант: «как смартфон за 60 тыс. может быть медленнее ПК, стоящего дешевле?» Правда, эти мнения высказывались не на Хабре. А вот технически подкованные люди наоборот вопрошали, мол, как кроха с TDP в 3-5 Вт может обойти монстров с TDP 65 Вт и более, при том, что производятся они по близким техпроцессам?
Образовались два разных лагеря. Сам я, будучи по первому ВО инженером-системотехником, принадлежу ко второму. И на вопрос о ваттах у меня есть ответ. Но давайте перейдем к сути дела.
Какой линейкой будем мерить
Сравнивать производительность будем в кроссплатформенном тесте Geekbench 5, эмулирующем работу реальных пользовательских задач типа архивации, шифрования. Насколько легитимно сопоставлять в нем разные платформы – хороший вопрос. Поднимем его чуть ниже. А сейчас лишь скажу, что создатели теста усиленно на это напирают:
Этим тестом пользуюсь периодически. Но результаты для данного поста взял из официальных чартов. В них создатели помещают усредненные значения из того, что попадает к ним в базу от пользователей. Чаще всего такие результаты оказываются слегка заниженными, ведь пользователи – не профессиональные тестеры. У них во время теста в фоне может работать какое-нибудь ПО, или включен режим энергосбережения. Впрочем, нас это не волнует. Крайние нижние значения там и так наверняка отбрасываются. Вдобавок у меня нет цели получить прецизионные данные. Достаточно обрисовать некую общую картину.
Другие отличия
Основные отличия между iPhone 12 и iPhone 13 мы уже рассмотрели. Смартфоны действительно похожи между собой, в том числе набором датчиков, поддержкой сетевых технологий (5G, Wi-Fi 6, Bluetooth 5, LTE) и комплектацией. Единственное, о чем не было упомянуто – поддержка в модели 2021 года двух eSIM.
Да, Apple продолжает пытаться решить проблемы экологии и iPhone 13 тоже поставляется без блока питания.
Однако, стоит отметить, что сама коробка с iPhone 13 лишилась упаковочной пленки, которая еще использовалась на коробке iPhone 12. Теперь целостность упаковки iPhone 13 защищает бумажный отрывающийся ярлычок.
А можно ли сравнивать разные архитектуры?
Полноценное сравнение процессорных архитектур крайне затруднительно, и у меня нет идей, как это грамотно можно сделать. ARM принадлежит к типу RISC, а x86 к CISC. За счет меньшего числа команд и меньшего количества блоков ARM-чип должен выполнять отдельные команды быстрее и энергоэффективнее. Но как только речь заходит о выполнении сложных функций, под которые у x86 есть заготовленные аппаратные блоки и наборы команд, ARM будет курить в сторонке. Но это в теории.
А еще есть разные операционки, разные компиляторы. И мне кажется, разработчики Geekbench слегка забили на все это, упростив все до мониторинга выполнения системой каких-то типовых задач, например декодирования jpg или сборки закэшированных веб-страниц. При этом код этих задач они старались оптимизировать для каждой системы отдельно.
В итоге счастливый владелец последнего айфона может с гордостью сказать, что его смарт способен так же быстро открывать фотки из галереи, как и топовая пятигигарцовая «печка» от Intel. Но делать более серьезные заявления Geekbench уже не позволяет. Впрочем, для большинства бытовых ситуаций этого вполне достаточно.
Больше деталей по их тестам можно найти вот в этом pdf.
К чему вообще эти сравнения?
Три года назад меня посетила мысль, что с ростом производительности мобильных чипов они могли бы покуситься на сегмент недорогих нетбуков, треть цены которых, порой, составляет ОС от Microsoft. С учетом того, что Google распространяет свою ОС бесплатно, а за добавление сервисов Google Play и прочих надо заплатить лишь $1 с устройства, идея захвата нижнего сегмента выглядела вполне реалистичной.
Однако маркетологи Qualcomm пошли иным путем и последние пару лет пытаются удивить мир системами за $1000, в которых их топовые чипы уживаются с Windows 10…
Дисплей iPhone 13 и iPhone 12
Дисплей iPhone 13
Сравнить экраны iPhone 13 и iPhone 12 несложно. Они оба имеют Super Retina HDR дисплей с диагональю 6,1 дюйма. Это OLED с разрешением 2532 × 1170 пикселей. Плотность картинки составляет 460 точек на дюйм. Экраны обоих смартфонов поддерживают HDR, технологию True Tone и широкий цветовой охват P3. Стандартная контрастность осталась прежней – 2 000 000:1. Единственное отличие – изменение стандартной яркости. У iPhone 13 она достигает 800 кд/м 2 , тогда как у iPhone 12 была до 625 кд/ м 2 . В режиме HDR яркость в обеих моделях достигает 1200 кд/ м 2 .
Внешне дисплеи отличаются лишь размером выреза под камеры.
Вывод: Экран iPhone 12 трудно назвать эталонным – все же есть серия Pro, для которой Apple бережет лучшие технологии. В iPhone 13 чуть повысили яркость экрана, это поможет работе с ним на солнце. А основная фишка для экранов 13-й серии, технология ProMotion, доступна лишь для моделей Pro. Так что в iPhone 13 экран стал лучше, но ненамного, лишь за счет дополнительной яркости, ну и за счет уменьшенного выреза под камеры.
GPU от Apple: разница в технологиях
Разница между набором регистров и преобразованием данных в GPU от Apple и в GPU от Imagination огромна. Организация набора регистров – это основа ядра шейдера, она влияет на дизайн практически всего, от архитектуры набора инструкций шейдерных ядер до выполнения частей кода и логики диспетчеризации. Как пример, размер регистра определяет путь данных и схему практически всей работы шейдерного ядра. Преобразование данных влияет не так сильно, но разница весьма важна для компилятора и для разработчиков. PowerVR Series 7 GPU довольно похож на предыдущее 6-е поколение, и использует 32-битные регистры. На основе этой разницы можно заключить, что GPU от Apple использует собственные шейдерные ядра, разработанные в компании. А это значит, что Apple разработала и свой собственный компилятор шейдеров для OpenGL ES и Metal API, и, скорее всего, и свой графический драйвер.
Даже некоторые программы, измеряющие быстродействие, видят разницу. В результаты GFXBench как-то попала таблица, где GPU для iPhone 7 описан, как G9.
Но этот результат теста из публичной базы скоро потёрли, и все упоминания о G9 исчезли.
Есть много других отличий Apple GPU и PowerVR, которые можно обнаружить, запуская специальные тесты с шейдерами Metal и сравнивая результаты со схожими шейдерами OpenGL ES на PowerVR GPU. Не все различия будут относиться к железу. К примеру, Apple GPU поддерживает версии OpenGL ES до 3.0, а PowerVR GPU работает и с более поздними. Но такие различия могут проявляться из-за особенностей софта и драйверов.
Водонепроницаемость iPhone 13 и iPhone 12
Надо сказать, что в Apple нашли тот самый вариант влагозащиты смартфона, который и защищает его в достаточной мере и не требует дорогих инженерных решений. В результате и iPhone 12, и iPhone 13 имеют рейтинг защиты IP68 по стандарту IEC 60529. Он допускает погружение аппарата в воду на полчаса на глубину до 6 метров. Естественно, экспериментировать с этой возможностью не стоит – все же повреждение iPhone водой гарантийным случаем не является.
Процессор и производительность iPhone 13 и iPhone 12
iPhone 12 работает на основе чипа A14 Bionic, выполненного по 5-нанометровой технологии. Он имеет 6 ядер, 2 из которых производительных, а еще 4 – энергоэффективных. За обработку графики отвечают 4 специальных ядра. Машинное обучение возложено на 16 ядер Neural Engine. Собственно, очень схожая компоновка и у нового чипа A15 Bionic в iPhone 13 – число ядер повторяется, как и техпроцесс. Но внутренняя оптимизация позволила нарастить быстродействие. Неслучайно Apple заявляет о новом графическом процессоре и новой системе Neural Engine. Правда, чип A15 Bionic стоит все же считать эволюционным развитием предшественника. Да, в синтетических тестах можно будет увидеть разницу, от нескольких процентов до даже десятков. Собственно говоря, даже на презентации iPhone 13 говорилось о превосходстве A15 Bionic над абстрактными «некоторыми другими смартфонами».
Объем оперативной памяти сохранился – в iPhone 13 так же, как и в iPhone 12 – 4 ГБ. Говоря о памяти, нельзя обойти вниманием изменения в объеме накопителя. Apple давно уже критиковали за оснащение смартфонов всего 64 ГБ встроенной памяти. Конечно, в линейке iPhone 12 были и более дорогие модели со 128 и 256 ГБ. Теперь все изменилось в лучшую сторону. iPhone 13 имеет все те же три варианта выбора объема накопителя, но теперь это 128 ГБ, 256 ГБ и 512 ГБ – в два раза больше! Все же производитель понял, что контент становится все более тяжелым, в том числе и создаваемый самим смартфоном – места для хранения требуется больше.
Вывод: iPhone 13 с его новым чипом A15 Bionic стал быстрее предшественника. Правда, революции тут не случилось. Чаще всего пользователь не увидит эту разницу в быстродействии, но A15 Bionic точно покажет себя в виде новых функций для камер, о чем речь пойдет ниже. А вот изменения в объемах накопителях напрашивались давно, к счастью, Apple прислушалась к просьбам пользователей.
Ссылки на чарты
Если вам интересны усредненные результаты других систем, можно воспользоваться онлайновой базой «Гикбенча». Вот прямые ссылки на автоматически обновляемые чарты для Android, iOS и PC. Там же в поиске можно вбивать любые ключевые слова (модели чипов, смартфонов) и смотреть результаты, полученные другими пользователями для данных устройств. Единственное, фильтровать неадекватные варианты придется самостоятельно.
P.S. и да, владельцы топовых смартфонов могут гордиться, что носят в кармане штуку помощнее большинства современных ноутбуков. По крайней мере, если сравнивать их по работе в повседневных приложениях.
Несмотря на все суеверия, Apple не побоялась использовать число 13 для обозначения своей новой серии. Предсказуемо, iPhone 13 оказался очень похож на предшественника. Но ведь iPhone 12 как раз и положил начало новому циклу в дизайне смартфонов компании. Использовались узнаваемые черты iPhone 4 с его острыми гранями, к тому же в подобном стиле уж выпускаются и топовые планшеты производителя – iPad Pro.
Тем не менее, говорить о сугубо косметических обновлениях, которые получил iPhone 13, не стоит. Все же смартфон даже внешне без труда можно отличить от прошлогодней модели, а новая аппаратная начинка позволила ему получить и некоторые дополнительные интересные функции. Давайте с помощью нашего обзора напрямую сравним две актуальные для Apple модели (обе доступны в продаже на сайте компании) – iPhone 12 и iPhone 13.
Результаты тестов
Первое – Apple крута, и за последние пару лет она увеличила отрыв от Qualcomm и Samsung с их лицензионными и допиленными армами.
Второе – уровень производительности топовых смартфонов в офисно-потребительских задачах сравнялся с продвинутыми ноутбуками и хорошими офисными ПК (см. оговорки ниже).
Третье – одноядерная производительность. Именно она отвечает за отзывчивость интерфейса и быстроту работы приложений, основная масса которых плохо приспособлена к распараллеливанию.
Простое преобразование даёт программистам доступ к половинной точности
Одна из распространённых проблем 16-битных данных в том, что хотя большинство расчётов не доставляют проблем с уменьшением точности, некоторым всё-таки требуется высокая точность. К примеру, шейдер, подсчитывающий цвет большого блока пикселей, а затем подсчитывающий среднее, может обойтись 16 битами для каждого отдельного пикселя, но может потребовать использовать 32 бита при суммировании данных для точного подсчёта. Если преобразование пиксельных данных из 16 в 32 бита будет слишком затратным, шейдер будет использовать 32 бита для выдачи точного результата.
GPU от Apple предлагает очень быстрое преобразование между типами данных, чем поощряет смешивание точности и создаёт больше возможностей для быстродействующих и мало потребляющих 16-битных расчётов. Согласно их презентации, преобразование типов данных «бесплатное» – видимо, где-то на пути данных сидит аппаратный преобразователь. С точки зрения «железа» этот подход дороже, но он, кроме прочего, серьёзно упрощает компилятор и делает работу программистов легче.
PowerVR Series 6 и 7 могут делать преобразования точности данных, но, конечно, не «бесплатно». В инструкции по оптимизации чётко написано, что каждое преобразование данных (с понижением или повышением точности) затратное, и рекомендует программистам писать шейдеры с минимальным количеством преобразований [3].
Прогресс мобильных видеоускорителей на примере iPhone
На презентации iPhone 7 достаточно много времени было уделено новому чипу Apple A10: в частности, было сказано, что этот процессор мощнее процессора в самом первом iPhone в 120 раз (мы это проверили), а производительность графики аж в 240 раз выше, чем в том же iPhone 2g:
Однако, если в случае с процессорами проверить это было не трудно — архитектура процессоров по сути осталась та же, ARM, поэтому бенчмарки, которыми тестировался процессор в iPhone 2g, без проблем запускаются и на iPhone 7, и, что важно, дают корректную информацию о процессоре A10, а значит результатам можно верить. В случае же с видеокартами все намного хуже: на iPhone 2g даже в теории не получится запустить современный графический бенчмарк, потому что они все требуют новых графических API — как минимум OpenGL 3.0 (когда iPhone 2g поддерживает только 1.1). Тогда возникает вопрос — а почему бы на iPhone 7 не запустить старый бенчмарк для iPhone 2g? Это можно сделать, и скорее всего бенчмарк даже нормально пройдет. Но вот результаты не будут отражать реальную производительность чипа A10 — каждый графический бенчмарк написан на своем движке, причем с учетом года выхода iPhone 2g движки тогда были достаточно примитивны и могли выводить лишь 60-240 кадров (60 — ограничение AnTuTu первых версий, 240 — GFXBench 1). Для первых iPhone такое ограничение было незаметно — они выдавали в таких бенчмарках от силы 20-30 FPS. Но вот iPhone 7 с легкостью будет показывать все 60-240 кадров, и его видеочип при этом будет нагружен лишь частично, то есть результат бенчмарка не будет отражать его реальную производительность. Поэтому я решил взять бенчмарк, который поддерживает как можно более старый iPhone, но при этом и iPhone 7 в нем нагружен на 100% — это тест GFXBench T-Rex 1080p Offscreen, который внешне выглядит так:
Самый старый iPhone, на котором возможен запуск бенчмарка — это iPhone 4, то есть по сути мы теряем всего два поколения графики (это GPU в iPhone 2g/3g и 3gs). Для того, чтобы все устройства были в одинаковых условиях, я взял тест, который проводится на всех iPhone в разрешении 1080р вне экрана (то есть видеочип обрабатывает картинку в 1080р, даже если экран самого iPhone имеет разрешение меньше или больше).
-
iPhone 4 (GPU — PowerVR SGX 535, 2010 год) — 0.4 FPS
Да, результат оптимизма не внушает — 0.4 FPS дает 1 кадр больше чем за 2 секунды, это самое настоящее слайд-шоу. Однако результат вполне закономерен — видеочипу на момент выхода теста было больше 5 лет, да и процессор был далеко не самый мощный.
Как видно, форма графика отличается от той, что показала Apple — у них зависимость явно степенная, а на деле рост производительности происходит ступеньками: в модели с S рост большой, в последующей модели без S — сильно меньше. Но общий смысл график от Apple показывает — рост производительности графики идет очень быстро, и это ожидаемо: как мобильные процессоры, так и мобильная графика, находятся в роли догоняющих: они используют уже готовые наработки десктопных решений, поэтому и развиваются так быстро. С учетом того, что видеочип в iPhone 7 уже лучше, чем в консолях предыдущего поколения, и на мобильные ОС портируется все больше и больше культовых игр десятилетней давности (Titan Quest, Total War, серия GTA), кто знает — возможно скоро мы сможем поиграть в GTA 4 прямо на планшете или смартфоне.
Для самых первых моделей продуктов Apple, iPhone и iPad, компания лицензировала и использовала для вывода графики чип PowerVR GPU от Imagination Technologies. Apple даже приобрела около 10% компании Imagination и является её крупнейшим клиентом, принося около 30% дохода. И так же, как Apple начинала с использования по лицензии ARM CPU, а теперь пользуется собственными разработками, она, судя по всему, перешла от использования PowerVR к разработке собственного GPU. Впервые он появился в процессоре A8, использующемся в iPhone 6, а его потомки находятся в A9 и A10 Fusion, используемых в iPhone 6S и 7.
Современный GPU, такой, какие находятся внутри iPhone и iPad, обладают тремя основными компонентами, от которых требуется слаженная работа для демонстрации картинки. Первый – железо, обеспечивающее графику с фиксированными функциями, отвечающее за обработку команд API, растеризацию треугольников и растровый вывод. Второй – шейдерное ядро, сердце GPU, выполняющее программные шейдеры (вертексы, геометрия, пиксели и вычисление шейдеров). Последний – программный; графический драйвер, работающий на CPU и объединяющий все функции, управляющий работой GPU. Драйвер преобразовывает графические приложения, написанные на Metal или OpenGL ES API в набор команд для железа с фиксированными функциями и в программируемые шейдеры, работающие в шейдерных ядрах. Один из важнейших компонентов драйвера – компилятор, создающий машинный код для работы на шейдерных ядрах.
В старых поколениях железо с фиксированными функциями, шейдерные ядра и драйвер Apple использовала по лицензии от Imagination Technologies. Но за последние 6-7 лет Apple агрессивно нанимала графических архитекторов и программистов компиляторов и драйверов из таких компаний, как AMD, Intel, Google и Nvidia для разработки собственного GPU. К примеру, Майк Вуэртеле [Mike Wuerthele] из Apple Insider писал, что в этом году порядка 25 человек перешли из Imagination Technologies в Apple. GPU от Apple, судя по всему, до сих пор ииспользует железо с фиксированными функциями от PowerVR. Но на основании различных доказательств, имеющихся в открытом доступе, понятно, что Apple заменила программируемые шейдерные ядра своими собственными, более эффективными и быстрыми. Для получения преимущества от их использования Apple также разработала свои драйвер и компилятор, выдающие код для своей архитектуры. Общим результатом этого стал уникальный собственный дизайн GPU, несмотря на некоторое наследие, оставшееся от PowerVR. Это дизайн мирового класса с впечатляющим быстродействием и энергетической эффективностью. У процессора A9 лучшие результаты по всем измерениям скорости, а A10 Fusion ещё на 40-50% быстрее.
Документация на архитектуру GPU от Apple никогда не попадала в общий доступ. Чтобы разработчики могли использовать преимущества GPU, им надо разобраться в том, как писать шейдерные программы для компиляторов Metal и OpenGL. На конференции WWDC 2016 инженеры Apple презентовали «Передовую оптимизацию шейдеров для Metal», содержащую самые подробные инструкции по подстройке и деталям архитектуры их GPU на сегодняшний день. Архитектура PowerVR Series 6 GPU также страдает отсутствием документации, но Imagination Technologies поделились несколькими простейшими инструкциями по оптимизации. Сравнивая доступную информацию по двум этим чипам, можно заключить, что они очень различаются. В частности, у Apple набор регистров и функции преобразования данных лучше предназначены для быстродействия и эффективного использования энергии, а компилировать их проще.
Стратегические преимущества собственного дизайна
Вертикальная интеграция Apple уникальна для потребительской электроники. В случае iPhone и iPad компания контролирует почти всё – от дизайна базовых контуров процессора до ОС и сервисов для пользователей Maps, iMessage и Camera. Это позволяет играть на совместной работе железа и софта, что недостижимо для их конкурентов.
Общий тренд понятен – на каждом шагу Apple увеличивает контроль над платформой и экосистемой. Изначально Apple использовала стандартные ARM-процессоры, а большую часть работы отдавала на аутсорс Samsung, но в итоге разработала собственные CPU, совместимые с ARMv8, опережающие соперников. Схожим образом компания купила Anobit и использовала команду и технологию для создания собственного контроллера хранилища для флэш-памяти. Разработка собственного CPU – всего лишь следующий шаг по созданию стратегических преимуществ.
Самое очевидное из них – GPU от Apple лучше (быстрее и эффективнее), чем у соперников, включая GPU от ARM или Imagination, а также Qualcomm. Лидерство в быстродействии означает большую удовлетворённость пользователей и меньший разряд батареи как в случае с играми, так и в случае генерации изображений и машинного обучения.
Библиотека Metal Performance Shaders включает десятки хорошо оптимизированных шейдеров, работающих на GPU и предоставляющих богатый набор инструментов разработчикам [4]. Они включают нейросети для классификации, процедуры обработки изображений. Instagram использует GPU для эффекта tonemapping и улучшения контраста фотографий. Возможно даже, что камера apple использует GPU для разных эффектов. Для работы с изображениями и нейросетей половинная тчоность подходит идеально, и архитектура шейдеров Apple показывает лучшие результаты, чем у PowerVR.
Второе преимущество – Apple может создавать новые функции и исправлять ошибки в GPU, не принося этим пользы конкурентам.
Третье – время до выхода на рынок и планирование. Процессоры серии A выходят по агрессивному ежегодному циклу, задаваемому iPhone. Поскольку iPhone – премиальный продукт, Apple должна поразить пользователей быстродействием и показать хороший прогресс для стимуляции спроса. В результате Apple часто становится ведущим клиентом новых технологий (например, 10нм от TSMC), что подразумевает и большой риск. С собственным GPU компания может решить потратить на достижение цели столько времени и энергии, сколько нужно. У Imagination просто меньше денег и сотрудников.
Apple приходится аккуратно связывать вместе дизайн, проверки, производство и экосистему ПО для запуска миллионов телефонов и планшетов, попадающих в руки пользователей. Месяцы, предшествующие выходу, состоят из бешеных циклов поиска и исправления обшибок, обновления графического ПО и железа. Поскольку GPU теперь собственный, этот цикл находится под прямым контролем Apple с малым количеством внешних зависимостей, что помогает компании успевать с запуском вовремя.
Последнее преимущество собственной разработки GPU, это уменьшение зависимости от поставщиков, что даёт компании выгодные позиции при ведении переговоров и уменьшает риски бизнеса. Создание альтернатив для ключевых поставщиков, внутренних или внешних, это один из старинных принципов Apple. К примеру, Apple была зависима от Qualcomm и их LTE-модемов для iPhone. Когда Intel разработал конкурирующий модем, Apple приспособила его для большинства GSM-провайдеров. В перспективе это позволяет уменьшать расходы и рождает интересные возможности.
Собственный GPU создаёт скрытую альтернативу использования интеллектуальной собственности Imagination в будущем. Компания уже создала команду разработки GPU и команду драйвера, вместе разработавшие большую часть процессоров A8, A9 и A10. Если бы Imagination Technologies была куплена или отстала в технической части, Apple сможет просто разработать собственное железо для графики с фиксированными функциями на замену PowerVR.
Кто есть кто на диаграмме
Теперь давайте глянем на нутрянку подопытных. Для удобства я собрал все в одну табличку.
Если совместить эти данные с диаграммой производительности, видно, что ограниченный тепловой пакет не дает молотить всем ядрам мобильных чипов на полную катушку. Дополнительные ограничения вводит архитектура big.LITTLE, в рамках которой не всегда возможна одновременная работа высокопроизводительного кластера в чипе и энергоэффективного.
Дизайн и размеры iPhone 13 и iPhone 12
С учетом того, что iPhone 13 продолжает следовать заданному 12-й серией стилю, ожидать значительных изменений в дизайне не стоит.
Смартфоны действительно внешне очень похожи – все те же четкие рубленые грани. Да и размеры аппаратов практически идентичные. Длина и ширина осталась прежней – 146,7 мм и 71,5 мм соответственно. А вот толщина у iPhone 13 Pro чуть больше – 7,65 мм против 7,4 мм у модели прошлого года. Но едва ли кто-то заметит эту разницу в десятые миллиметра. Стоит отметить и увеличение массы нового смартфона – он весит немного больше – 173 г против 162 г iPhone 12. Эти изменения легко объяснить появлением нового аккумулятора.
Оба смартфона имеют алюминиевый корпус, металл, как и прежде, такой же, как используется в аэрокосмической отрасли. Передняя панель отдана практически вся экрану с защитой Ceramic Shield, за исключением выреза для камер. А вот он в iPhone 13 изменился – стал меньше на 20%. Это изменение явно не останется без внимания пользователей, позволяя точно отличить модели разных поколений. Все же разницу в весе и толщине можно и не заметить.
Задняя панель у обоих смартфонов стеклянная. В левом верхнем углу находится модуль камер с двумя объективами. А вот их расположение изменилось. Если в iPhone 12 объективы находятся строго друг под другом, то в iPhone 13 они расположились по диагонали друг к другу. И это не просто прихоть дизайнеров – в Apple заявляют, что новая компоновка поможет разместить улучшенные модули камер. Соответственно, переместилась и вспышка – она поднялась чуть выше. И это второй отличительный момент в дизайне iPhone 12 и iPhone 13.
Другие отличия кроются в вариантах расцветок. iPhone 12 получил их сразу 7, тут уж действительно – цвета на любой вкус. Но у iPhone 13 цветов стало меньше. Видимо, маркетологи Apple поняли, что такое обилие вариантов не на пользу устройству. Черный цвет немного изменился и теперь он зовется «темная ночь», аналогично и белый заменен «сияющей звездой». Синий и (PRODUCT) RED остались, а вот зеленый и фиолетовый заменены розовым. Вариантов по-прежнему немало (6 – у iPhone 12 и 5 – у iPhone 13), но их набор и оттенки для iPhone 13 просто освежили.
Цвета iPhone 12
Цвета iPhone 13
Вывод: Очевидно, что внешне iPhone 13 и iPhone 12 очень похожие. Общий дизайн остался неизменным, кнопки и разъемы сохранили свое местоположение. Визуально смартфоны можно все же отличить за счет уменьшенного выреза и новой компоновки камер. Все же внешне iPhone 13 выглядит чуть интереснее, но исключительно за счет уменьшенного выреза. А новое расположение объективов камер может и не всем понравиться.
Аккумулятор и автономность iPhone 13 и iPhone 12
Автономность iPhone 12 не особенно порадовала пользователей, вот почему этот вопрос оказался одним из главных в списке желаемых улучшений. Неслучайно iPhone 13 стал чуть толще и тяжелее. Тут явно используется новая, улучшенная батарея. Да и новый чип A15 Bionic тоже должен благоприятно повлиять на автономность. Если в iPhone 12 была установлена батарея на 10,78 Вт∙ч, то в модели 2021 года ее емкость выросла до 12,41 Вт∙ч – прирост составил 15%!
Правда, Apple традиционно оценивает автономность своих смартфонов временем работы в определенных сценариях. Но и тут разница налицо. Так, iPhone 13 может воспроизводить до 19 часов видео, тогда как предшественник – всего 17 часов. Просматривать стримы модель 2021 года может 15 часов, против 11 часов у iPhone 12. Наконец, прослушивать аудио в iPhone 13 можно до 75 часов, тогда как у iPhone 12 этот показатель составлял 65 часов.
Возможности беспроводной и быстрой зарядки остались прежними. За полчаса оба смартфона можно зарядить наполовину с помощью адаптера мощностью от 20 Вт. iPhone 12 и iPhone 13 поддерживают беспроводную магнитную зарядку MagSafe.
Читайте также: