Nvidia Tegra K1

NVIDIA K1

Der NVIDIA Tegra K1 (Tegra 5) ist ein leistungsstarker ARM-SoC für Tablets und Smartphones. Er wurde am 6. Januar 2014 vorgestellt und integriert eine Quad-Core-CPU (zzgl. Companion Core) mit Cortex-A15-Kernen, eine auf der Kepler-Architektur basierende Grafikeinheit, einen 2x 32 Bit Dual-Channel Speichercontroller (DDR3L und LPDDR2/3 bis 2.133 MHz, 17 GB/s), Videode- und -encoder für 4K-Videos sowie zwei Kamera-ISPs. Anders als das Vorgängermodell Tegra 4, welches noch in 28nm HPL (low leakage) produziert wurde, wird Tegra K1 in TSMCs leistungsfähigerem 28nm-HPM-Prozess (high performance) gefertigt.

Später im Jahr 2014 soll noch eine weitere Version des SoCs folgen, die statt vier Cortex-A15-Kernen (max. 2,3 GHz) zwei Denver-Kerne (max. 2,5 GHz) integriert. Diese 7-fach superskalare Architektur ist ähnlich wie Apples "Cyclone" bereits 64-Bit-fähig (ARMv8) und wurde von Nvidia selbst entwickelt. Insbesondere die Pro-Kern-Leistung dürfte bei der neuen Denver-Version merklich höher ausfallen.

SerieNVIDIA Tegra
CodenameLogan (Cortex-A15 "r3" + Kepler-GPU)
Taktung2300 MHz
Level 1 Cache256 KB
Level 2 Cache2048 KB
Anzahl von Kernen / Threads4 / 4
Herstellungstechnologie28 nm
Features2x 32 Bit Dual-Channel Memory Controller (DDR3L, LPDDR2/3, max. 2.133 MHz), Kepler-GPU, Dual ISP, 4K Encoder + Decoder, USB 3.0
64 Bit64 Bit wird NICHT unterstützt
Vorgestellt am06.01.2014
Produktinformationen beim HerstellerNVIDIA Tegra K1

Prozessor

Der CPU-Part von Tegra K1 stellt eine evolutionäre Weiterentwicklung des Vorgängermodells Tegra 4 dar. Wie zuvor kommen insgesamt 5 Cortex-A15-Kerne zum Einsatz ("4-Plus-1"), von denen jedoch einer, der sogenannte Companion Core, nur zum Stromsparen dient. Durch den verbesserten Fertigungsprozess und die neue "r3"-Revision des Cortex-A15 konnte Nvidia die Taktrate deutlich anheben, die bei den vier Hauptkernen nun statt 1,8 - 1,9 GHz (Tegra 4) bis zu 2,3 GHz beträgt. Der fünfte Kern taktet weiterhin klar niedriger mit höchstens 1,0 GHz (typischerweise sogar nur 500 MHz).

Grafikeinheit

Die integrierte Grafikeinheit ist die größte Neuerung von Tegra K1. Erstmals setzt Nvidia anstelle dedizierter Vertex- und Pixelshader auf ein einheitliches Unified Shader Design. Dieses baut grundlegend auf der im Jahre 2012 vorgestellten Kepler-Architektur auf, die wiederum die Basis für verschiedene Grafikchips wie den GK208 bildet (zu finden bei der GeForce GT 730M, 740M und anderen). Mit einem SMX-Block und 192 CUDA-Cores bietet Tegra K1 genau halb so viele Shader wie GK208, allerdings nur ein Viertel der Textureinheiten (8 statt 32 TMUs). Weiterhin verfügt der SoC über 4 ROPs (GK208: 8 ROPs).

Dank der Umstellung auf die moderne Kepler-Architektur unterstützt Tegra K1 auch eine Vielzahl neuer Features: OpenGL ES 3.0 wird nun ebenso vollständig unterstützt wie OpenGL 4.4, DirectX 11 (damit auch Tesselation), OpenCL 1.1 (1.2 in Theorie) und CUDA 6.0. Nvidia demonstrierte die GPGPU-Fähigkeiten des SoCs unter anderem mit in Echtzeit applizierten Videoeffekten wie Tone Mapping.

Features

Tegra K1 verfügt über zwei ISPs mit jeweils 600 MP/s und kann damit zwei Kameras mit bis zu 100 Megapixeln und 14 Bit Farbtiefe ansteuern. Mittels Nvidias Chimera 2 können unter Nutzung der CPU- und GPU-Einheiten verschiedene Effekte wie HDR-Aufnahmen realisiert werden.

Die integrierte Video-Engine bewältigt das Encoding und Decoding von Videos in 2K- und 4K-Auflösung, letztere wahrscheinlich mit Unterstützung der CPU-Kerne. In 4K schafft die Engine 30 fps beim Dekodieren und 24 fps beim Encodieren. 1080p kann in 120fps dekodiert werden und 60fps encodiert.

CPU-Leistung

Die vier bis zu 2,3 GHz schnellen Cortex-A15r3-Kerne (kein zusätzlicher Turbo für Single-Thread-Belastung) werden als besonders leistungsstark und effizient beworben. Gegenüber Tegra 4 verspricht der Hersteller eine 40-prozentige Performancesteigerung bei gleichem Verbrauch. Laut Nvidia konnte der SPECInt2K-Score dadurch trotz Absenkung der Leistungsaufnahme von unter 1.200 auf knapp über 1.400 Punkte gesteigert werden.

Im Javascript-Benchmark Octane, der mehr oder weniger nur einen Kern belastet, soll Tegra K1 bei identischem Verbrauch stets schneller rechnen als ein Snapdragon 800. Spannend dürfte allerdings das Duell gegen den etwa zeitgleich erscheinenden Nachfolger Snapdragon 805 werden, der mit 2,5 GHz knapp 10 Prozent höher als das bisherige Topmodell von Qualcomm taktet. Verglichen mit Apples A7-SoC (1,3 GHz) soll Tegra K1 im Octane-Benchmark etwa die gleiche Performance erreichen (bei jeweils 2 Watt Leistungsaufnahme).

Angesichts der bereits sehr hohen CPU-Leistung von Tegra 4, der im Jahr 2013 zusammen mit dem Snapdragon 800, Apple A7 und Exynos 5 Octa 5420 zu den schnellsten SoCs auf dem Markt zählte, erscheint die für Tegra K1 verprochene Leistung durchaus realistisch. Vor allem der Wechsel auf den 28nm-HPM-Prozess sowie die r3-Revision des Cortex-A15 machen diese Steigerung möglich. Allerdings könnte auch Samsung beim nächsten Exynos-SoC derartige Optimierungen nutzen.

CPU Benchmarks

Vellamo 3.0: Metal
0% 100%
min: 1754     avg: 1754 (100%)     max: 1754 Points
Vellamo 3.0: Multicore Beta
0% 100%
min: 2460     avg: 2460 (100%)     max: 2460 Points
Vellamo 3.0: Browser
0% 100%
min: 2869     avg: 3864.5 (73.64%)     max: 4860 Points
Octane V2: Total Score
0% 100%
min: 6777     avg: 6777 (28.3%)     max: 6777 Points
Mozilla Kraken 1.1: Total Score
0% 100%
min: 4286     avg: 4286 (94.86%)     max: 4286 ms*
Geekbench 3: 32 Bit Multi-Core Score
0% 100%
min: 3062     avg: 3278.5 (25.54%)     max: 3495 Points
Geekbench 3: 32 Bit Single-Core Score
0% 100%
min: 1054     avg: 1090.5 (31.1%)     max: 1127 Points
3DMark (2013): Ice Storm Unlimited Physics 1280x720 offscreen
0% 100%
min: 16299     avg: 18210 (31.49%)     max: 21086 Points
PassMark PerformanceTest Mobile V1: CPU Tests
0% 100%
min: 22985     avg: 22985 (59.16%)     max: 22985 Points
AnTuTu Benchmark v4: Total Score
0% 100%
min: 33917     avg: 38457 (88.89%)     max: 42997 Punkte
Sunspider:
0% 100%
min: 458     avg: 491.5 (87.79%)     max: 525 ms*
Linpack for Android: Multi Thread
0% 100%
min: 726     avg: 726 (66.09%)     max: 726 MFLOPS
Linpack for Android: Single Thread
0% 100%
min: 673     avg: 673 (98.67%)     max: 673 MFLOPS
- Bereich der Benchmarkergebnisse für diese CPU
- Durchschnittliches Ergebnis

Linpack for Android im Vergleich
Snapdragon S1 MSM7227 (min)
7.4 
...
Qualcomm Snapdragon 800 MSM8974
385.4 
Apple A7
537.5 
NVIDIA Tegra 4
556.3 
NVIDIA Tegra K1
673 
...
NVIDIA Tegra K1 (max)
673 

Grafikleistung

Weitaus schwerer dürfte es einigen Konkurrenten wie Samsung dagegen fallen, ähnlich wie Nvidia eigenes GPU-Know-how in ihren SoCs zu implementieren. Hier sticht Tegra K1 mit der etablierten Kepler-Architektur heraus, die bereits seit einiger Zeit von Laptops bis hin zu Supercomputern eingesetzt wird. Nvidias Tegra-K1-Referenztablet im 7-Zoll-Format soll im GFXBench 2.7.5 (T-Rex Offscreen) 60 fps erreichen, wohingegen ein iPad Mini Retina (Apple A7, PowerVR G6430) nur 27 fps, das Toshiba Excite Pro (Tegra 4) nur 16 fps und ein Galaxy Note 3 (Snapdragon 800, Adreno 330) nur 24 fps schafft. Selbst der Snapdragon 805 mit einer Adreno-420-GPU sollte bei einer angekündigten Leistungssteigerung von 40 Prozent nicht an Tegra K1 herankommen. Damit liegt Nvidias ARM-SoC auf einem Niveau mit Intels HD Graphics 4400 der Haswell-Generation.

GFXBench (DX / GLBenchmark) 2.7 - 1920x1080 T-Rex HD Offscreen C24Z16
Tegra K1 Reference Tablet
Tegra K1
60 fps ∼9%
Toshiba Satellite S70-A-10F
Core i7-4700MQ; GeForce GT 740M
112 fps ∼17%
Acer Aspire V5-573G
Core i5-4200U; HD Graphics 4400
57 fps ∼9%
HP Spectre 13-h205eg x2
Core i5-4202Y; HD Graphics 4200
47 fps ∼7%
Apple iPad Air
A7; G6430
27 fps ∼4%
Apple iPad mini Retina
A7; G6430
27 fps ∼4%
Samsung Galaxy Note 3 SM-N9005
Snapdragon 800; Adreno 330
24 fps ∼4%
Toshiba eXcite Pro AT10LE-A-108
Tegra 4
16 fps ∼2%

Auch in einer Vorabversion des kommenden GLBench 3.0 soll Tegra K1 vor der Konkurrenz liegen und beispielsweise das iPad Mini Retina um Faktor 2 schlagen. Da Nvidia keine weiteren Ergebnisse mitgeteilt hat ist allerdings nicht ganz auszuschließen, dass andere Benchmarks kleinere Leistungsdifferenzen zeigen. Dennoch ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass Tegra K1 zum Erscheinungszeitpunkt die Leistungskrone mobiler ARM-GPUs erringen wird. Zusammen mit dem umfangreichen Featureset, welches sogar über den Standard von OpenGL ES 3.0 hinausgeht (und auch Tesselation, Geometry Shading oder ASTC Texturkompression beinhaltet), soll der SoC eine ernsthafte Spiele-Plattform werden. Übrigens: Auch Qualcomm verspricht für den Snapdragon 805 vollen DirectX-11-Support und damit einen ähnlichen Featureumfang. In puncto Rohleistung kann sich Tegra K1 selbst mit der letzten Konsolengeneration Xbox 360 und PS3 messen beziehungsweise übertrifft diese GPU-seitig sogar. Konsolenspiele gelten allerdings als extrem hoch optimiert, zudem ist die Etablierung von Android und iOS als Spiele-Plattformen noch lange nicht abgeschlossen.

Leistungsaufnahme

Anders als bei früheren Generation stellt Nvidia die Energieeffizienz von Tegra K1 besonders in den Vordergrund und betont, problemlos mit der Konkurrenz mithalten zu können oder diese gar zu übertreffen. Insgesamt soll die TDP des Chips bei 5 Watt liegen, allerdings wurde diese Zahl nicht in Verbindung mit einer konkreten Taktrate genannt. Es ist recht wahrscheinlich, dass es je nach Einsatzgebiet (Smartphone/Tablet, aktive/passive Kühlung) verschiedene Tegra-5-Varianten mit unterschiedlichen Frequenzen und Verbräuchen geben wird.

Vorstellung und Endgeräte

Bislang hat Nvidia keine Beispiele für erfolgreiche Design-Wins genannt sondern lediglich angekündigt, dass eine Vielzahl mobiler Tegra-K1-Geräte erscheinen soll. Darüber hinaus könnte es eine neue Version der portablen Android-Konsole Shield sowie eine Neuauflage des Tegra Note 7 Tablets geben. Letzteres womöglich auch in einem neuen, größeren Formfaktor, da sich mittlerweile bereits einige Smartphones ("Phablets") dem 7-Zoll-Format annähern.

Testberichte für den NVIDIA Tegra K1 Prozessor

NVIDIA Shield Tablet (NVIDIA GeForce ULP K1 (Tegra K1 Kepler GPU), 8")
» NVIDIA Shield Tablet - Externer Test
» NVIDIA Shield Tablet mit Tegra K1 und Wireless Controller vorgestellt -

» Vergleich mobiler Prozessoren
Alle CPU Serien für Notebooks mit kurzer Beschreibung

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Autor: Klaus Hinum (Update: 20.02.2014)