Exynos : le système semi-conducteur à forte intensité technologique
Dans le premier volet de cette série, Samsung Newsroom partage l’importance de l’unité de traitement graphique (GPU) et du processeur de signal d’image (ISP) dans le processeur mobile Exynos (SoC). Avant de rencontrer les sept leaders du développement IP, Samsung Newsroom a d’abord rencontré le responsable du développement SoC et le vice-président principal Mingoo Kim, qui supervise la conception des systèmes sur puce (SoC) dans l’activité System LSI.
Kim a d’abord expliqué la raison fondamentale derrière le concept de SoC, dans lequel diverses fonctionnalités sont toutes intégrées dans une seule puce. « Lorsque les puces sont divisées, il devient difficile de gérer complètement leur consommation d’énergie », a déclaré Kim. « Lorsque chaque fonctionnalité consomme de l’énergie séparément, l’efficacité de la batterie diminue également. De plus, la limite de bande passante et la latence du temps de transfert affecteront la transmission de données entre les puces, ce qui peut entraîner une réduction des performances. Consommer un minimum d’énergie est très important pour les smartphones car, contrairement aux ordinateurs de bureau, les smartphones ne sont pas alimentés en continu.
« Le SoC a une efficacité élevée grâce à un contrôle de puissance complet. Et en tant que puce unique, elle prend également moins de place dans un smartphone », a expliqué Kim. « Lorsque toutes les fonctions sont exécutées par une seule puce, les performances sont considérablement améliorées. » Les téléphones mobiles modernes vont au-delà du simple envoi et de la réception d’appels et de SMS et ont évolué pour exécuter une multitude de fonctions avancées, notamment la prise de vidéos, les jeux mobiles et l’accès aux services financiers. Le SoC, qui est plus petit qu’un ongle du pouce, a joué un grand rôle pour rendre cela possible.
Comme le SoC est la quintessence de tous les principaux types de technologies de l’information qui existent aujourd’hui, Kim l’a décrit comme la « fleur des semi-conducteurs système ». « SoC n’est pas un domaine facile à travailler, mais c’est un domaine optimiste auquel tout ingénieur aspirerait à faire partie », a déclaré Kim. « Le rôle du SoC sera illimité dans les industries futures, telles que le métaverse, la conduite autonome et la 6G. »
Samsung continuera de se concentrer sur le développement d’IP propriétaires, y compris les GPU, les NPU, les FAI, les modems, les RF et plus encore. Samsung s’efforce de franchir une nouvelle étape dans la conception de puces pour devenir une entreprise de solutions de plate-forme. « Avec notre compétitivité dans le SoC, nous visons à voir Exynos reconnu comme la meilleure marque de processeur mobile disponible », a déclaré Kim. « Grâce à cette série de fonctionnalités, nous espérons que le rôle et l’importance du SoC, les caractéristiques et les avantages d’Exynos ainsi que son orientation de développement seront partagés avec davantage de personnes. »
Étendre les possibilités du jeu mobile : GPU pour des graphismes plus améliorés
En général, le traitement graphique nécessite un calcul à grande échelle, et il est plus rapide et plus efficace s’il est traité en parallèle (traitement parallèle). Cependant, la structure d’une unité centrale de traitement (CPU) est spécialisée pour un traitement rapide en série. En tant que tel, le traitement graphique avec un processeur entraînerait des retards importants dans les calculs en raison de ces performances de calcul constantes par le processeur. Un exemple de cela peut être vu lors de la lecture d’un jeu. Il est possible que votre personnage ne puisse pas éviter un ennemi en raison du retard de la saisie tactile pendant le rendu des graphiques à l’écran.
Pour résoudre ces problèmes, le GPU a été développé. Avant les GPU, les CPU s’occupaient de tout. Cependant, le GPU a été conçu pour augmenter l’efficacité en tant qu’accélérateur séparé pour des calculs similaires fréquemment utilisés. En bref, le CPU est comme une calculatrice à usage général tandis que le GPU est une calculatrice parallèle à grande échelle spécialisée dans le traitement graphique. C’est ainsi qu’est né le GPU, et c’est l’un des composants clés du traitement graphique. Il reçoit des commandes du processeur et affiche la forme, l’emplacement, la couleur et la texture d’un objet sur le moniteur.
Le Xclipse 920 équipé de l’Exynos 2200 est le premier GPU mobile développé conjointement par Samsung avec AMD, une société mondiale basée aux États-Unis spécialisée dans les produits semi-conducteurs tels que les GPU pour PC et consoles. Le nom « Xclipse » est une combinaison du « X » d’Exynos et du mot « eclipse ». Le nom représente l’objectif de Samsung d’aller au-delà des limites du jeu mobile et d’atteindre des performances au niveau des jeux sur console, inaugurant une nouvelle ère du jeu.
▲ Le vice-président Sungboem Park, un expert en conception de processeurs mobiles qui supervise le développement du GPU
Dans cette optique, Samsung a collaboré avec AMD pour développer un GPU économe en énergie au niveau de la console pour les appareils mobiles. Les GPU d’AMD sont conçus spécifiquement pour les PC ou les consoles, ce qui signifie qu’ils ont dû être repensés pour s’adapter à l’environnement mobile. Concrètement, il a été repensé pour accueillir la bande passante mémoire des mobiles, qui est relativement limitée, en plus de gérer la dissipation thermique. « Sur la base de notre riche connaissance de la conception basse consommation, acquise lors du développement de SoC mobiles, nous avons réussi à atteindre l’efficacité énergétique et la miniaturisation dans le produit de première génération », a déclaré le vice-président Sungboem Park, un expert en conception de processeurs mobiles qui supervise le GPU. développement. « Nous nous sommes fortement concentrés sur la minimisation de la chaleur, car les appareils mobiles n’ont pas de ventilateurs comme les consoles de jeu, tout en maintenant les performances afin que les cadres ne soient pas en retard. »
Le rôle principal du GPU dans Exynos est d’afficher des objets dans un espace virtuel 3D sur un écran de smartphone 2D, un rôle qui est particulièrement important lorsque vous jouez à des jeux exigeants sur le plan graphique sur des appareils mobiles. En particulier, le Xclipse 920 est le premier GPU mobile à prendre en charge le lancer de rayons (RT) accéléré par le matériel. Le lancer de rayons est une technologie qui produit des effets d’éclairage réalistes en simulant les rayons lumineux réfléchis par des objets 3D. En étant accéléré par le matériel plutôt que par le logiciel, Xclipse 920 est capable d’effectuer des calculs en temps réel plus rapidement. De plus, la technologie d’ombrage à taux variable (VRS) ajuste la quantité de calcul GPU en fonction des changements de couleur, d’ombre, de mouvement et d’autres variables des objets à l’écran pour réduire la surcharge du GPU.
▲ Le Xclipse 920 dispose de son propre support matériel pour la technologie de traçage de rayons (RT), qui produit des effets d’éclairage réalistes en simulant les rayons lumineux réfléchis par des objets 3D.
À mesure que le nombre d’utilisateurs de jeux augmente et que les graphismes deviennent plus détaillés, l’orientation du développement du GPU devient de plus en plus importante. Cela inclut l’augmentation du niveau de performance à celui des consoles hautes performances tout en réduisant la consommation de la batterie. En améliorant ces deux domaines cruciaux, les utilisateurs peuvent profiter de graphismes haute fidélité sur les appareils mobiles de la même manière que sur les consoles. « En général, le mobile a tendance à accuser un retard d’environ cinq ans sur les consoles en matière de technologie graphique, cependant, nous avons pu intégrer rapidement les dernières technologies de console dans le processeur mobile Exynos 2200 grâce à notre collaboration avec AMD. Le SoC est appliqué au Galaxy S22 », a déclaré Park. « Nous prévoyons de continuer à implémenter d’autres fonctionnalités dans la série RDNA en travaillant en étroite collaboration avec AMD à l’avenir. »
« Comme les performances des smartphones se sont globalement améliorées, il est vrai qu’il n’est pas facile de créer un avantage de performance suffisamment significatif pour que les consommateurs le remarquent », a répondu Park lorsqu’on lui a posé des questions sur l’orientation future des GPU mobiles. « A partir de maintenant, la raison pour laquelle les utilisateurs de smartphones phares achèteront les derniers smartphones dépendra très probablement des performances de jeu », a-t-il déclaré. Cela signifie que la possibilité d’une nouvelle avancée des GPU, qui détermine les performances de jeu d’un smartphone, est élevée.
Il a également prédit que les GPU mobiles deviendront encore plus importants dans les domaines de la réalité augmentée et de la réalité virtuelle. « Pour la RA, les GPU devront être équipés d’appareils légers, tels que des lunettes, donc une conception à faible consommation d’énergie est très importante », a déclaré Park. « Les exigences de performance sont beaucoup plus exigeantes dans le domaine de la réalité virtuelle, car l’ensemble du monde virtuel visible doit être rendu instantanément. En tant que tel, nous devons satisfaire diverses exigences de développement tout en générant des images plus réalistes à un rythme beaucoup plus rapide que nous ne le pouvons actuellement. Ainsi, l’avancement du GPU mobile est crucial pour l’avenir et aura des applications illimitées », a-t-il souligné.
Élever le niveau de satisfaction dans les performances de l’appareil photo : ISP pour des images plus naturelles et plus vives
Un FAI corrige les données brutes transférées à partir d’un capteur d’image et crée une photo ou une vidéo sous une forme préférée par l’utilisateur. ISP corrige également les limitations physiques potentielles d’un module de caméra — composé d’un système optique et d’un capteur d’image — interpole le rouge, le vert et le bleu (R/V/B) et supprime le bruit. De plus, il effectue un post-traitement, tel que le réglage de la luminosité d’une vidéo et la mise en valeur de zones détaillées. En termes simples, grâce à un réglage fin et à un post-traitement, le FAI génère l’image ou la vidéo la plus recherchée par les utilisateurs.
▲ L’ensemble du processus de FAI dans la caméra mobile
Dans les modèles de smartphones précédents, le FAI était équipé d’une puce séparée. Cependant, en raison de la demande du marché, les FAI intégrés sont rapidement devenus la norme. « Au début, nous avons coopéré avec des instituts de recherche à l’étranger pour développer un FAI performant pouvant être utilisé pour les appareils photo numériques », a déclaré Jongseong Choi, chef de projet (PL) de l’équipe de développement multimédia qui a travaillé dans le domaine du traitement vidéo. depuis plus de 20 ans. « En conséquence, notre première solution ISP intégrée a été utilisée dans l’appareil photo principal du Galaxy S4. » Depuis 2012, le processeur mobile Exynos contribue à une amélioration substantielle de la qualité d’image vidéo des appareils photo des smartphones grâce à l’internalisation de l’ISP, permettant des performances au niveau des appareils photo reflex numériques à objectif unique (DSLR).
▲ Jongseong Choi, chef de projet de l’équipe de développement multimédia, travaille dans le domaine du traitement vidéo depuis plus de 20 ans.
Avec un FAI performant, les consommateurs peuvent profiter d’une qualité d’image vidéo supérieure ainsi que de vitesses de traitement plus rapides. « Il est difficile d’expliquer en chiffres précis à quel point une photo est géniale parce que la photographie est subjective, mais nous menons diverses études de recherche telles que l’évaluation vidéo en utilisant l’apprentissage en profondeur et la technique de réglage ISP pour créer des photos et des vidéos naturelles et nettes », a expliqué Choi. En outre, le FAI détermine également la vitesse de la vitesse de rafale en prise de vue continue et est responsable du traitement rapide des photos et vidéos haute résolution.
Le FAI performant équipé du dernier Exynos peut traiter jusqu’à 200 millions de pixels. Jusqu’à sept capteurs d’image sont pris en charge, et les vidéos et les images provenant de jusqu’à quatre capteurs d’image peuvent être traitées simultanément. La possibilité d’appliquer différents paramètres pour chaque élément, tels que le ciel, les buissons, la peau, etc., est également incluse en incorporant une technologie de segmentation sémantique qui reconnaît les scènes capturées à l’aide de NPU. La fonction AI détecte et marque le visage d’une personne et ajuste la luminosité, la mise au point et la couleur de la vidéo en fonction des coordonnées du visage.
▲ Exemple de traitement d’image sensible au contenu utilisant la segmentation sémantique
Interrogé sur l’orientation future du FAI, Choi a répondu que le développement se concentrera sur le maintien d’une faible consommation d’énergie et l’amélioration de la qualité de l’image vidéo. « Les données transférées depuis le capteur d’image sont traitées en temps réel par le FAI, mais la quantité de données augmente de façon exponentielle », a déclaré Choi. «Ainsi, une quantité importante d’énergie est consommée pour écrire les données dans la mémoire, puis pour les récupérer plus tard. ISP dans Exynos, cependant, est conçu pour enregistrer les données en mémoire une seule fois, minimisant ainsi la consommation d’énergie », a-t-il souligné.
« L’ère des vidéos est arrivée plus vite que prévu et, pour cette raison, nous nous concentrons sur l’amélioration de la qualité de l’image vidéo », a déclaré Choi. « En particulier, nous nous efforçons d’accroître notre compétitivité en améliorant la qualité des images vidéo, même celles prises dans des environnements sombres et peu éclairés.
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