Kirin 990: 5G, vrhunske zmogljivosti in neprekosljiva energijska učinkovitost

Richard Yu, izvršni direktor Huawei Technologies Consumer Business Group, je na berlinskem sejmu IFA v osrednjem govoru z naslovom »Rethink Evolution« razkril najnovejši sistem na čipu (SoC), ki bo v različici Kirin 990 (5G) omogočil vrhunsko komunikacijsko izkušnjo. Zaradi tega je bil v celo nadgrajen z vidika zmogljivosti, energijske učinkovitosti, umetne inteligence in obdelave signalov slikovnih tipal (ISP).

Kirin 990 (5G) je najbolj celovit in pameten »procesor« na trgu. Modem za omrežje 5G je integriran na čipu, izdelanem v 7 nm tehnologiji, zato je fizično manjši od samostojnega, porabi pa tudi manj energije. Je tudi prvi polno frekvenčni 5G čip SoC, ki podpira nesamostojno (NSA) in samostojno (SA) arhitekturo omrežja ter frekvenčni in časovni duplex; FDD oziroma TDD. Izdelan na osnovi odličnih komunikacijskih zmogljivosti modema Balong 5000, Kirin 990 (5G) doseže hitrost 2,3 Gb/s v smeri k uporabniku ter 1,25 Gb/s v obratni smeri.

Kirin 990 (5G) je tudi prvi premijski sistem na čipu z enoto za nevronsko procesiranje (NPU) v arhitekturi Da Vinci. Dve večje jedri dosegata odlične zmogljivosti in energijsko učinkovitost med visoko obremenitvijo, malo pa odlikuje nizka poraba energije. Oboje ponazori robustno in inteligentno »računalniško« moč omenjene arhitekture.

Osrednji procesor vključuje dve ultra zmogljivi jedri v taktu 2,86 GHz, dve visoko zmogljivi in štiri »učinkovite«. Grafični del pa vključuje šestnajst jedrni grafični procesor Mali-G76 GPU in predpomnilnik na sistemski ravni, ki z izvajanjem pametne porazdelitve učinkovito prihrani pasovno širino in zmanjša porabo energije. Vodilno izkušnjo igranja mobilnih iger dopolni Kirin Gaming+ 2.0, ki omogoča učinkovito sodelovanje med strojno infrastrukturo in igrami.

Kar zadeva fotografijo, Kirin (5G) ponuja povsem nov procesor za obdelavo signalov slikovnih tipal (ISP 5.0). S preverjanjem skladnosti blokov in 3D filtriranja (BM3D) doseže profesionalno raven strojnega zmanjševanja digitalnega šuma, ki zagotavlja ostrejše slike ter video posnetke tudi v slabših svetlobnih razmerah. Sprotna obdelava videa v realnem času s pomočjo umetne inteligence pa prilagaja barve sličice za sličico in zagotavlja kinematografsko izkušnjo.

Nadgrajeno je tudi razvijalsko okolje HiAI 2.0, ki ga podpira že več kot 300 operaterjev. Tudi zaradi tega nudi najbolj zmogljiv in celovit nabor orodji za razvoj aplikacij umetne inteligence.

Najboljše komunikacijske izkušnje prvega 5G sistema na čipu

Sočasno z uvajanjem (gradnjo) omrežij 5G se na trgu pojavljajo tudi ustrezno opremljeni pametni telefoni, kar operaterje postavlja pred strmo rastjo zahtev. Svoje pa imajo tudi nove podatkovno zahtevne storitve, ko sta predvajanje videa v zelo visokih ločljivostih ali igranje igre v računalniškem oblaku. Poleg visokih prenosnih hitrosti tudi boljšo kakovost mobilnih povezav. Vloga sistema na čipu Kirin 990 (5G) je zato uporabnikom omogočiti, da takoj, brez kompromisov in brez odlašanja, uživajo v vsem, kar bodo nova omrežja nudila.

1/ Prvi 5G sistem na čipu s prebojno tehnologijo izdelave

Večina naprav na trgu ima sistem na čipu (SoC) z integriranim modemom za omrežja 4G, modem za 5G pa je ločen. Kirin 990 (5G) od tega izstopa, saj je modem prav tako del čipa, izdelanega v 7 nm tehnologiji (7 nm + EUV). To zmanjša njegovo površino za 32 odstotkov v primerjavi z velikostjo samostojnega modema. Kirin 990 ima sicer 10,3 milijarde tranzistorjev na površini velikosti nohta. Ne ponaša se samo z največjim številom tranzistorjev, temveč tudi z največ funkcijami ter največjo zapletenostjo izdelave.

Razvojna skupina zadolžena za razvoj sistema na čipu Kirin, je raziskave litografskega procesa izdelave v ekstremni ultravijolični svetlobi (EUV) začela leta 2014. Ves čas razvoja in preverjanja tehnologije pa so sodelovali tudi z industrijskimi partnerji. Da pa bi zagotovili stabilne in zanesljive izkušnje s kakovostjo novega proizvodnega procesa, so pri izdelavi sistema na čipu Kirin 990 (5G) opravili obsežna preverjanja ključne tehnologije.

2/ Neprekosljiva hitrost in energijska učinkovitost 5G

Sistem na čipu Kirin 990 (5G) dosega v smeri k uporabniku hitrost 2,3 Gb/s, v obratni pa 1,25 Gb/s. Poleg neprekosljivo visokih hitrosti pa je optimalna tudi energijska učinkovitost. V primerjavi tradicionalne rešitve s samostojnim modemom 5G je poraba Kirina 990 (5G) tudi za kar 30 odstotkov nižja.

Na začetku uvajanja omrežij 5G je verjetno, da bodo naprave uporabnikov zaradi slabše pokritosti s signalom novega omrežja, v odsotnosti tega, preklopile na starejše omrežje 4G. Težavo Kirin 990 (5G) rešuje s tehnologijo pametne izbire omrežja. Optimalnega izbere na podlagi jakosti signala omrežja 5G, kar omogoča stabilno povezavo ter poveča prenosne hitrosti do uporabnika tudi do 19 odstotkov. Za povečanje hitrosti v obratni smeri pa vključuje inovativno tehnologijo porazdelitve prometa. V primeru potreb, kot sta oddajanje v živo ali nalaganje videoposnetka na družbeno omrežje, lahko sočasno uporablja 4G in 5G omrežji. Z uporabo te tehnike je hitrost v tej smeri lahko tudi do 75 odstotkov višja.

3/ Prvi polno frekvenčni sistem na čipu za omrežje 5G

Poleg izboljšanja mobilne izkušnje uporabnikom, tehnologija omrežji 5G spodbuja povezovanje komunikacij z različnimi industrijami. 5G pozna dva omrežna načina (arhitekturi), samostojnega (SA) in nesamostojnega (NSA). V načinu NSA so na voljo samo ultra visoke prenosne hitrosti, medtem ko SA podpira množico povezanih naprav z nizkimi zakasnitvenimi časi. Trend digitalizacije industrije zahteva oba, zato ju morajo zrele rešitve podpirati.

Huawei tehnologije omrežja 5G razvija že od leta 2009, v letih razvoja pa so razvili celovite rešitve, ki podpirajo načina NSA in SA od jedrnega omrežja do baznih postaj, pametnih telefonov in modemov 5G. Kirin 990 (5G) je zato prvi polno frekvenčni sistem na čipu s podporo omrežju 5G, ki podpira oba. Prvi pa podpira tudi časovni in frekvenčni duplex TDD/FDD, kar bo pospešilo uvajanje omrežji naslednje generacije.

Inovativna nevronska enota z dvema jedroma za robustno umetno inteligenco

Sistemi na čipu Kirin so vodilni pri razvoju umetne inteligence. Leta 2017 je Kirin 970 presenetil tekmece s sploh prvo samostojno procesno enoto za nevronske mreže (NPU), v letu dni mlajšem Kirin 980 pa je enota imela že dve jedri. S tem je dosegla vodilno zmogljivost na področju umetne inteligence pametnega telefona, kar je omogočilo vrsto inovativnih funkcij. Letos pa je Kirin 810 postal prvi sistem na čipu z nevronsko enoto v arhitekturi Da Vinci ter postavil nov rekord v zmogljivosti umetne inteligence na napravi.

Kirin 990 (5G) gre še korak naprej, saj ima njegova nevronska enota jedra Da Vinci. Dve sta veliki ter zagotavljata odlične zmogljivosti in energijsko učinkovitosti, manjše pa odlikuje izredno nizka poraba. Arhitektura De Vinci je popolnoma nova, Huawei jo je namreč predstavil lani. Njena prilagodljivost omogoča Huaweiu, da uvede serijo sistemskega nabora (chipset) Ascend na vsa področja rabe umetne inteligence. Porabijo namreč od deset milivatov do sto vatov, kar zagotavlja optimalne zmogljivosti v različnih primerih rabe. Nevronski enoti (jedri) v sistemu na čipu Kirin 990 (5G) sta Ascend Lite in Ascend Tiny, obe prilagojeni za pametne telefone.

Z robustno zasnovo jeder nevronske enote, Kirin 990 (5G) prinaša nedojemljivo računalniško moč umetne inteligence. Ponuja 5-krat višjo zmogljivost in 8-krat višjo energijsko učinkovitost od drugih podobnih specializiranih enot. Ascend Tiny omogoča aplikacije, pri katerih je nizka poraba na prvem mestu. Pri prepoznavi obrazov na primer izboljša energijsko učinkovitost za 24-krat v primerjavi z velikim jedrom, saj dosega visoko zanesljivost delovanja algoritmov umetne inteligence, pri veliko nižji porabi energije.

Zmogljivosti nevronske enote sistema na čipu Kirin 990 (5G) omogoča delovanje aplikacij, ki so omejene v porabi energije in zmogljivostih. Mogoča je prepoznava in zajem več oseb ali predmetov v večstopenjskem procesu segmentacije in zamenjavo ozadja v realnem času med snemanjem video posnetka. Tehnika uporabniku omogoča, da obdržijo, kar želijo, to pa odpira veliko možnosti različnih video aplikacij. Zmogljivost Kirin 990 (5G) tudi omogoča optimizacijo ločljivosti video posnetkov, posnetih z ne najbolj zmogljivo opremo. V kombinacije s hitrostjo omrežja 5G ter nizkimi zakasnitvenimi časi bo omenjeni čip spodbudil razvoj pametnejših in bolj uporabnih aplikacij.

Zmogljivost in energijsko učinkovitost za super hitro 5G izkušnjo

V dobi omrežji 5G ne bomo potrebovali le hitrejšo izkušnjo mobilnih komunikacij, ampak bomo več pričakovali od vsakodnevne izkušnje in zmogljivosti pametnih telefonov. Kirin 990 (5G) pa dosega odlične zmogljivosti in energijsko učinkovitost predvsem zaradi izdelave v 7 nm + EUV tehnološkem procesu.

Procesorski del sistema na čipu ima dve super veliki in dve veliki jedri prilagojeni na osnovi Cortex-A76 ter štiri manjša jedra na osnovi Cortex-A55. Najvišja frekvenca delovanja čipa znaša 2,86 GHz. Zmogljivosti enega jedra so izboljšane za 10, več jedrne pa za 9 odstotkov. Zaradi optimizacije delovanje je boljša tudi energijska učinkovitost. Ultra velika jedra porabijo 12 odstotkov manj, velika 35 in majhna 15 odstotkov.

Grafični procesor v sistemu na čipu Kirin 990 (5G) Mali-G76 ima 16 jeder ter rešuje težave, kot so pregrevanje, izgube slik ali zamrznitve kadra, ki se lahko pojavijo pri poganjanju zahtevnih iger ali obdelavi videa visoke ločljivosti. V primerjavi z drugimi vodilnimi sistemi na čipu Kirin 990 (5G) izboljšuje zmogljivost grafične obdelave za 6 odstotkov, pri 20 odstotkov boljši energijski učinkovitosti. Predpomnilnik grafičnega procesorja na sistemski ravni pa omogoča pametno razporejanje podatkov v pomnilnik DDR. Pri veliki obremenitvi grafičnega procesorja, kar je običajno med igranjem mobilnih iger, pametni predpomnilnik (smart cache) zmanjša pasovno širino do 40 in porabo energije do 20 odstotkov, kar izboljša energijsko učinkovitost grafičnega procesorja.

Sistem na čipu Kirin 990 (5G) nudi tudi Kirin Gaming+ 2.0, ki združuje zmogljivosti in energijsko učinkovitost procesorja, grafičnega procesorja in pomnilnika DDR z visoko zmogljivimi igrami polne razločljivosti HD. Nadgrajena tehnologija moduliranega načrtovanja z umetno inteligenco na podlagi učenja na velikih podatkih naredi modele razpoložljivih zmogljivosti ter modele porabe energije, za izvajanje optimizacije niti, pametno razporejanje virov ter dinamično zaznavanje ozkih grl. Integracija načrtovanja frekvenčne modulacije grafičnega procesorja z načrtovanjem modulacije osrednjega procesorja in pomnilnika DDR, izboljša natančnost frekvenčne modulacije vsakega kadra za 30 odstotkov in stabilizira prikaz sličic pri hitrosti 60 slikic na sekundo. Podpora standarda slike visokega dinamičnega razpona HDR 10 pa še dodatno izboljša kakovost grafike ter posledično vpliva na boljšo uporabniško izkušnjo.

Nadgrajena obdelava signalov slikovnih tipal ISP 5.0

Video je priljubljen način hranjena lepih trenutkov, vse več posameznikov pa video snema in popravlja kar na pametnem telefonu. Vlogerji ali navadni uporabniki pričakujejo ustvarjalne učinke snemanja videa ter preproste, vendar pametne načine obdelave. Kirin 990 (5G) izpolnjuje vse želje z novim procesorjem za obdelavo signalov ISP 5.0 z izboljšano hitrostjo obdelave za 15 odstotkov pri 15 odstotkov izboljšani energijski učinkovitosti.

Ponoči in v slabših svetlobnih razmerah je kakovost posnetkov močno ogrožena zaradi digitalnega šuma. Do “kratkotrajnega” pride med dva zaporednima kadroma, “prostorski” pa je prirojen in obstaja v vsakem kadru. Tehnike odprave šuma (NR) so običajno osredotočene na prostorski šum, Kirin 990 (5G) pa je prvi sistem na čipu, ki ponuja odpravo obeh oblik (dual domain NR). Zaradi tega je učinkovitost odprave šuma izboljšana za 20 odstotkov. Tehnologija obdelave in upodabljanja v realnem času, ki temelji na segmentaciji z umetno inteligenco, pa nežno prilagodijo slike in ponujajo kinematografsko izkušnjo gledanja.

Funkcija ujemanja blokov in filtriranje 3D (BM3D) omogoča pametnim telefonov nuditi izjemno obdelavo slik in izboljša zmogljivost odprave šuma za 30 odstotkov. Zaradi tega je na posnetkih v slabih svetlobnih razmerah manj digitalnega šuma, slike pa so ostrejše in bolj žive.

Zaradi zmogljivejšega signalnega procesorja, Kirin 990 (5G) omogoča povsem novo in zanimivo funkcijo Face AR. Temelji na dodani resničnosti (AR), saj s pomočjo zajetih slik obrazov ter algoritmov umetne inteligence omogoča modeliranje obrazov, sledenje v realnem času in zajem obrazne mimike (izrazov). Prav tako pa je sposobna analizirati zdravstvene podatke, kot sta srčni utrip in ritem dihanja, zagotavlja bogato izkušnjo dodane resničnosti in raznolikost njene uporabe.

HiAI 2.0 omogoča nenehni razvoj aplikacij umetne inteligence

V dobi umetne inteligence in omrežji 5G bodo lahke aplikacije, ki jih ne bo treba nameščati, saj bodo delovale na vseh osnovah in bodo ponudile boljšo uporabniško izkušnjo, postale nov razvojni trend. Zahtevale bodo sistem na čipu, ki bo podpiral umetno inteligenco na napravah in v oblaku z večjim poudarkom na sposobnosti obdelave velikih podatkov ter podporo različnim tehnološkim platformam. Platforma Kirin temelji na lastni arhitekturi nevronske enote De Vinci NPU, do njenih zmogljivosti pa imajo razvijalci dostop preko fundacije HiAI. S prihodom sistema na čipu Kirin 990 (5G) HiAI 2.0 odpira več zmogljivosti in prinaša podporo več kot 300 operaterjev. Orodje IDE in vtičnik Android Studio sta na voljo za podporo samodejnemu generiranju programske kode, kar poveča učinkovitost razvoja. Sloj IR arhitekture Da Vinci je odprt, da omogoča medsebojno povezovanje z vsemi okvirnimi modeli v industriji. Na ta način lahko razvijalci algoritmov obdržijo svoje prakse razvoja. Poleg tega pa so jim na voljo orodja, ki jim odklenejo neskončne možnosti aplikacije umetne inteligence in 5G.