| 12+ Свидетельство СМИ ЭЛ № ФС 77 - 70917 Лицензия на образовательную деятельность №0001058 |
Пользовательское соглашение Контактная и правовая информация |
 | Обухова Алена Сергеевна11 Россия, Московская обл. |
Исследовательская работа «Микропроцессор A12 Bionic, его структура, архитектура и его возможности»
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа №9 с углубленным изучением иностранных языков г. Дубны Московской области".
XXI городская научно-практическая конференция старшеклассников
Исследовательская работа
Микропроцессор A12 Bionic, его структура, архитектура и его возможности
Выполнил ученик 10 «А» класса
Лазарев Артем Дмитриевич
Руководитель: Обухова А. С.
Дубна 2019
Что внутри? Архитектура на кристалле процессора.
Перейдем сразу к кристаллу процессора A12 Bionic. В правой части мы видим систему GPU, обозначенную красным цветом, графический блок с 4 ядрами. Процессорная часть располагается внизу чипа, где можно заметить эти два высокопроизводительные ядра и их собственный системный кэш, обозначенный оранжевым цветом. Двигаясь дальше мы видим 4 энергоэффективных ядра, тоже с их собственным кэшем, обозначенного зеленым цветом. Желтым цветом обозначен системный кэш, но его самые большие изменения, он претерпел 3 года назад в процессоре Apple A7. Синим цветом же обозначен нейронный блок. 
Я хочу подробно рассказать про ядра. Начать я хочу с того что, как и в любом уважающем себя смартфоне стоят два кластера ядер – высокопроизводительные, для выполнения сложных задач, таких как игры или программы видеомонтажа, а также энергоэффективные ядр, для решения более простых задач, ведь какой-нибудь месенджер типо WhatsApp & Viber больших мощностей не требуют, а вот батарею, при помощи двух кластер ядер, сэкономит очень не плохо. В процессоре A12 Bionic имеются два высоко производительных ядра Vortex, которые по заверению компании Apple, имеют на 15% большую мощность, чем высоко производительные ядра предыдущего смартфона Iphone X Moonson и на 40% меньшее энергопотребление. К этим двум высоко производительным ядрам используется четыре энерго эффективных ядра Teampast, которые пришли на смену предыдущей модели Apple Mistral. По сравнению с ними ядра Teampast, имеют не только увеличенную производительность, несмотря на то, что и те и эти типы ядер энерго эфективные, но и уменьшенное энергопотребление.
Энергопотребление и МощностьДля тестирования энергоэффективности я взял Iphone Xs, работающего на герое этого проекта процессоре Apple A12 Bionic, и Iphone X, работающего на процессоре Apple A11. Эти два смартфона имеют наиболее сходные характеристики. У обоих смартфонах разрешение 2436х1125, диагональ экрана 5.8 дюймов. Также схожий объем аккумуляторов у Iphone X – 2716mAh & 2658mAh у Iphone XS.
Из взятых данных с официального сайта Apple, мы можем предположить, что телефоны практически ничем не отличаются, но youtube-канал Mrwhosetheboss провел исследование, в котором испытывал смартфоны Iphone Xs и Iphone X.
Как мы можем наблюдать по фото, в итоговом результате при использовании различных программ Iphone Xs вырывается вперед с 14% заряда. В данном эксперименте мы не можем наблюдать на сколько уменьшилось энергопотребление и тем более на сколько выросла мощность ядер.
Чтобы это узнать, обратимся к таблице. Здесь мы видим довольно противоречивую ситуацию, ведь в сравнении с Apple A11 с А12 мы можем заметить, что в одноядерном режиме ядра Mistral (энергоэффективные ядра А11) имеют частоту 1694 мгц, в то время как А12 почти на 100 мгц меньше. Но все же стоит отметить, что у высокопроизводительных ядер Vortex в одноядерном режиме частота 2500 мгц, вместо 2380 мгц у А11 ядер Moonson.
Для того чтобы понять зачем Apple так сделали, обратимся к результатам очень сложного теста Spech2006. Один из главных выводов который может быть сделан, что новый чип потребляет больше энергии в ватах, но в целом в джоулях потребляемая мощность уменьшилась за счет выполнения инструкций за меньшее количество времени за меньшее количество циклов. Получается Apple с точки зрения энергоэффективности не сделала никакого технологического чуда, на первый взгляд. На самом же деле процессор мощнее и потребляет энергии больше, но за счет инженерных хитростей, эти задачи выполняет в два раза быстрее, то есть ему в два раза меньше задач нужно сделать по сравнению с предыдущим процессором и в этом заключается гениальность чипа A12 Bionic. Но чтобы понять насколько Apple, можно сказать, опередила время надо сравнить эти результаты с другими флагманскими устройствами, и разница между ними что-то фантасмагорическое. Даже несмотря на улучшение высоко производительных ядер Vortex, остальные архитектурные улучшения подсистемы памяти дают новой разработке огромный прирост производительности. Это большее увеличение, чем указано во всех заявлениях Apple. Начиная сравнивать ядра А12 с другими ядрами, можно заметить, что у новых ядер не только уменьшенное энергопотребление, но и практически 2ух кратное увеличение производительности. Для того чтобы понять разницу в производительности, давайте сравним топовый, на момент проведения теста Spech2006 примерно 5 октября 2018 года, чип от компании Samsung Exynos 9810 и А12. Так получается, что у Exynos 9810 потребляет в 2 раза больше энергии имея при этом на примерно 50% меньшую производительность, чем А12. И на данный момент, завораживает то, насколько этот процессор близок к десктопным процессорам. Так старшая версия процессора А12, А12Х по заверениям компании Apple на данный момент мощнее, чем 90% ноутбуков.
Нейроный БлокСамые большие изменения произошли блоке посвященному нейронным сетям . Если в процессоре Apple A11 использовалось 2 нейронных ядра, то в A12 Bionic используется 8 ядер, то это указывает на 4 ядерное увеличение производительности, но фактически оно возросло в 8 раз. 600 тысяч операций в секунду в Apple A11 до 5 миллионов в A12 Bionic. Отсюда и вытекает название процессора. Bionic в переводе с английского биотический. Эта функция отвечает за используемый для аппаратного ускорения работы алгоритмов искусственных нейронных сетей, компьютерного зрения, распознавание по голосу, машинного обучения и т.д.
И как же он применяется в этих смартфонах? Я хочу рассмотреть его использование только в трех сферах – AR Технология, Съемка в условиях низкой освещённости и Face ID.
Сразу же хочется начать про Face ID, так он появился еще в 2017 году в Iphone X, а в новом, Iphone XS он работает быстрее и называется Face ID 2 или Face ID 2.0. Что отличает Face ID от других подобных «сканеров лица». Первое, что приходит в голову после длительного использования - это его способность самообучаться. Например, до осени я преимущественно ходил без шапки, а с наступлением зимы я стал надевать шапку. Первые дни чаще стала повторяться ошибка второго рода, примерно каждый второй раз , но после 1-2 дней использования ошибка второго рода практически пропали. Ошибки второго рода учащаются после стрижки или например, после покупки нового головного убора. Что же касается ошибки первого рода, то за все время использования телефоном c Face ID и Face ID 2 я с ней не столкнулся.
Я решил провести маленькое исследование. Я решил провести сканирование лица в различных образов, каждый раз в меняющихся образах. Первое сканирование было с прежними настройками, перед вторым сканированием я сбросил настройки Face ID. И вот что вышло.
До сбрасывания настроек
| Образ | 1 попытка | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| нормальный | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| непричёсанный | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| в солч. очках | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| В шапке | + | - | + | + | + | + | + | + | + |
| с напряженным лицом | - | + | + | + | + | + | - | - | + |
| Искусственно усиленная улыбка | - | - | - | + | - | + | + | + | - |
| Искусственно усиленное удивление | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
После сбрасывания
| Образ | 1 попытка | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| нормальный | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| непричёсанный | + | + | + | + | - | - | - | + | + |
| в солч. очках | + | + | + | + | - | - | + | + | + |
| В шапке | - | - | - | - | - | + | + | + | + |
| с напряженным лицом | + | + | + | + | + | + | - | - | + |
| Искусственно усиленная улыбка | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Искусственно усиленное удивление | - | - | + | + | + | + | + | + | + |
В первом тесте коэффициент ошибки второго рода – 14%, во втором тесте 20%. Но это тестирование не может быть объективным так как после 3 пункта – человеческие эмоции. Для увеличения объективности исключим последние три пункта и тогда результат будет более походить на реальные цифры. Итого, в первом тесте коэффициент ошибки второго рода – 2%, а во втором тесте уже 27%.
Это подтверждает мое мнение, что программа самообучается, причем это сильно влияет на коэффициент ошибки второго рода. Тот же пример с шапкой очень можно наблюдать на этих двух.
Второе, чем удивляет Face ID это скоростью работы, по сравнению с другими смартфонами. Скорость разблокировки – 1/3 секунды. Это может говорить, о быстрой обработке данных процессором.
Третье – способность работать при полном отсутствии света, при помощи одного из трех датчиков, инфо красный датчика. Но это не относится к нейронным сетям, никак кроме самообучения.
Съёмка в условиях низкой освещённости в новых телефонах тоже осуществятся за счет нейронных сетей. ИИ смартфона оценивает обстановку, распределяет, корректирует и улучшает изображение и эффекты в режиме реального времени.
Я опять же провел исследование и сравнил фотографии в условиях низкой освещённости Iphone X(малоразвитые нейронные сети), Iphone XR.
XR и X имеют одинаковое количество мегапикселей и различаются только развитостью нейронных сетей
После сравнения можно сказать, что воздействие ИИ на фотографию заметно, и ИИ, подобно человеку, имеет представление о месте, об условиях на фотографии и способствует улучшению качеству фотографии.
AR технология – переводится как «дополненная реальность». ДР это технология, которая: совмещает виртуальное и реальное; взаимодействует в реальном времени; работает в 3D.
Как она работает? Также при помощи нейронных сетей + камера. Если говорить простыми словами то, ИИ в реальном времени оценивает ситуацию, место, далее она цепляется за точку (трекеры) в реальности, и после этого начинает воспроизводить заданный ей алгоритм. Все это происходит насколько быстро, что это происходит в режиме реального времени.
Для ознакомления с этой технологией ближе давайте просмотрим короткий видеофрагмент, сделанный с Iphone XR
Вычисления в реальном времени требуют огромных мощностей. В настоящее время технологии идут по пути максимального увеличения производительности при максимально возможном уменьшении размеров. Поэтому мы сейчас можем наслаждаться такими чудесными технологиями в таком маленьком телефоне, работающем на еще более маленьком процессоре.
Список литературы:
