Обзор AMD Ryzen Mobile 4000: атака на мобильном сегменте

AMD решила улучшить свои позиции не только на настольном сегменте и рынке high-end настольных ПК (HEDT), а также в серверной сфере, но и подвинуть Intel по мобильным чипам. Конечно, версии процессоров Ryzen для ноутбуков существовали и раньше, однако заметную рыночную долю они так и не заняли. Причина кроется в том, что для AMD они до сих пор были не в фокусе. Но все должно измениться с линейкой процессоров Ryzen 4000 под кодовым названием Renoir. О них мы как раз поговорим в статье.

Впервые линейку Ryzen 4000 AMD представила в начале января на CES. Уже тогда стали известны основные технические подробности. Между тем к линейке были добавлены новые модели, которые AMD в январе не упоминала. Они должны были стартовать в первом квартале 2020, однако коронавирус нарушил все планы, запланированные ноутбуки так и не вышли. В результате на данный момент придется ограничиваться теорией.

AMD не снабдила нас полной информацией в начале года, поэтому подробный теоретический обзор получилось подготовить только сейчас.

Начнем с того, что амбиции AMD в сегменте ноутбуков разделены на две категории:

• Экономичная линейка U с TDP до 15 Вт для бизнес-ноутбуков
• Линейки H и HS с TDP 35 или 45 Вт для игровых ноутбуков

В линейках присутствуют следующие модели:

В линейке U AMD предлагает от четырех до восьми ядер, хотя поддержка SMT (Simultaneous Multithreading) активна не всегда. В целом, чем выше модельный номер, тем выше уровень расширения GPU и тактовые частоты. Все модели U работают с тепловым пакетом 15 Вт, хотя производители ноутбуков могут регулировать его самостоятельно, поэтому возможен TDP и меньше 15 Вт.

С кэшами тоже не все просто. На ядро CPU доступны 512 кбайт кэша L3. Кэш L3, с другой стороны, составляет всегда 8 Мбайт у моделей с шестью и восемью ядрами. Но Ryzen 3 4300U с четырьмя ядрами оснащен только половиной кэша L3.

Линейки H и HS предлагают шесть или восемь ядер. Технология SMT всегда активна, кэш L3 всегда составляет 8 Мбайт. Для Ryzen 5 4600H и Ryzen 7 4800H предусмотрено по одной модели HS, которые работают на прежних тактовых частотах, но тепловой пакет снижен на 10 Вт. Хотя у топовой модели Ryzen 9 4900HS все же имеется разница по частотам, AMD пришлось уменьшить базовую частоту HS и Boost, чтобы вписаться в меньший TDP.

Ниже мы рассмотрим отдельные компоненты новых процессоров Ryzen Mobile, обсудим изменения, которые внесла AMD в ядра Zen 2, Vega GPU и другие подсистемы.

Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).

Мы рекомендуем ознакомиться с нашим руководством по выбору лучшего процессора Intel и AMD на весну 2020. Оно поможет выбрать оптимальный CPU за свои деньги и не запутаться в ассортименте моделей на рынке.

Современные настольные процессоры Ryzen и серверные процессоры EPYC производятся по 7-нм техпроцессу. То же самое касается и GPU. Неудивительно, что AMD и для процессоров Renoir выбрала 7-нм техпроцесс. AMD называет техпроцесс "Deep Ultraviolet (DUV) Photolithography", то есть используется глубокий, а не экстремально глубокий (EUV) ультрафиолета. Кристалл состоит из 13 металлических слоев, каждый из которых экспонируется на отдельных ступенях производства. Процессор Renoir содержит 9,8 млрд. транзисторов на площади 156 мм².

Но AMD не просто взяла кристаллы CPU и GPU, после чего установила их в одну упаковку. Renoir не опирается на дизайн чиплетов, то есть речь идет о монолитном кристалле. И AMD не смогла 1:1 перенести модульную концепцию на монолитный дизайн. Здесь интересны подробности, в том числе площадь кристалла и число транзисторов.

Чип Renoir содержит 62,82 млн. транзисторов на квадратном миллиметре (MTr/mm²). Кристалл CCD настольных процессоров Ryzen имеет плотность 52,7 MTr/mm² (3,9 млрд. транзисторов на 74 мм²), а Navi 10 GPU - 41 MTr/mm² (10,3 млрд. транзисторов на 251 мм²). Так что AMD удалось намного плотнее упаковать транзисторы на кристаллах Renoir. Ранее AMD перенесла архитектуру Vega на 7-нм техпроцесс.

AMD оптимизировала компоненты. Например, процессоры Renoir в составе кристалла содержат CCD с восемью ядрами Zen 2, из которых активны от четырех до восьми, но кэш L3 урезан всего до 4 Мбайт на четверку ядер. Другими словами, максимальный объем кэша L3 теперь 8 Мбайт, а не 32 Мбайт, в отличие от процессоров Ryzen, Ryzen Threadripper и EPYC.

Кэш L3, уменьшенный в четыре раза, повлиял на всю иерархию кэширования. Процессорам Renoir придется намного чаще переносить данные из кэша L3 в память и обратно. Но довольно сложно определить, как такой шаг повлиял на производительность. AMD сэкономила на кэше L3, чтобы уменьшить площадь кристалла и энергопотребление. Так что AMD пришлось пойти на ряд компромиссов.

Что касается CPU, процессоры Renoir получили все улучшения, характерные для архитектуры Zen 2. Что позволяет надеяться на существенный прирост производительности. Также и тактовые частоты увеличились по сравнению с предыдущими мобильными процессорами - ранее они работали лишь до 4 ГГц, теперь частоты составляют до 4,4 ГГц.

Поддержка DDR4-3200 и LPDDR4-4266

Для настольных процессоров AMD уже заявила поддержку DDR4-3200, что же касается мобильных чипов, то здесь значится поддержка LPDDR4-4266. Здесь, в частности, выигрывают модели U, которые ранее могли работать лишь с очень медленной памятью.

Поддержка LPDDR4 важна и с точки зрения времени автономной работы, поскольку память питается от намного меньшего напряжения. А более высокая пропускная способность DDR4-3200 и LPDDR4-4266 положительно скажется на производительности встроенного GPU.

Со стороны интегрированного GPU Vega были внесены изменения в архитектуру, чтобы повысить эффективность работы мобильного процессора. Число блоков CUs (compute units) было уменьшено с максимума 11 до 8. Другими словами, вместо максимума в 704 потоковых процессора оставлено только 512. Но производительность отдельных CU, если верить AMD, была улучшена на 59%.

По этой причине, несмотря на уменьшенное число функциональных блоков, производительность увеличилась на 27%. В числах мы получаем рост производительности вычислений FP32 с 1,41 TFLOPS до 1,79 TFLOPS.

Прирост производительности архитектуры Vega на 59% был достигнут многочисленными мерами. Свою роль сыграл перенос на 7 нм, но также есть изменения по физической реализации.

Например, тактовые частоты увеличились с максимума в 1.400 МГц до 1.750 МГц, то есть на 25%. Процессоры Renoir поддерживают скоростную память LPDDR4X-4266 с пропускной способностью 68,3 Гбайт/с, что тоже положительно сказывается на производительности интегрированной графики. Предыдущие поколения процессоров поддерживали только DDR4-2400, что ограничивало доступную пропускную способность 38,4 Гбайт/с. Меньшая пропускная способность памяти являлась одним из ограничивающих факторов старых процессоров, теперь с поддержкой LPDDR4 ограничений меньше.

Произошли изменения и в интерконнекте Infinity Fabric, а именно Data Fabric. AMD удвоила ширину, что позволит отдельным CU быстрее получать данные и работать более эффективно. Конечно, такой шаг привел к росту энергопотребления, даже в режиме бездействия. Но AMD пошла на такой компромисс, чтобы увеличить производительность интегрированной графики Vega.

У процессоров Renoir AMD отвязала тактовую частоту Infinity Fabric от частоты памяти. Что стало возможным, поскольку процессоры Renoir имеют монолитный дизайн. Напомним, что дизайн чиплетов процессоров Ryzen, Ryzen Threadripper и EPYC не позволяет пойти на такой шаг.

В результате интерконнект Infinity Fabric в процессорах Renoir работает на 75% эффективнее, чем у предыдущего поколения. Конечно, повышение пропускной способности привело к увеличению напряжения и, следовательно, энергопотребления, но в разумных пределах. AMD пошла на такой компромисс, чтобы увеличить пропускную способность.

Благодаря переходу на 7-нм техпроцесс и дальнейшим усилиям AMD удалось существенно продвинуться в вопросе эффективности процессоров Renoir, что приводит к увеличению времени автономной работы. AMD говорит о том, что SoC в целом потребляет на 20% меньше мощности. Спецификации TDP находятся на привычных уровнях для мобильных процессоров: 15, 35 и 45 Вт. Следует отметить, что решающим фактором здесь является отнюдь не длительная постоянная нагрузка. Ядра CPU и GPU должны быстро реагировать на пики нагрузки, обеспечивая максимум частоты и напряжения.

Контроллер System Management Controller (SMC) является главным компонентом данной стратегии, он обеспечивает быстрое и гибкое изменение частоты. Конечно, профиль частоты должен оптимально подстраиваться под требования работающего приложения. Прошивка контроллера работает на 33% быстрее, чем раньше. В результате процессор должен быстрее реагировать на увеличение или уменьшение нагрузки, что повышает производительность, а также экономит энергию. При этом SMC также учитывает, работает ноутбук от блока питания или расходует заряд батареи. Также учитывается и нагрузка на компоненты ввода/вывода - например, если батарея заряжается через Power Delivery (USB) или к ноутбуку подключен внешний дисплей.

Чтобы обеспечить максимально точное управление частотами и напряжениями, AMD в процессор Renoir встроила многочисленные сенсоры. Они располагаются в важных блоках чипа, отслеживают нагрузку отдельных компонентов. Взаимодействие разных блоков тоже зависит от информации сенсоров. Здесь AMD увеличила число доменов частот, то есть областей, которые могут работать на разных частотах.

Все эти меры привели к увеличению сложности взаимодействия программных и аппаратных компонентов. BIOS, драйверы, Windows, прошивка - все эти факторы сказываются на управлении работой процессоров Renoir. Для операционной системы важную роль играют заданные состояния Power State (AMD поддерживает ACPI 6.3).

ACPI 6.3 позволяет системе работать намного быстрее и более гибко переключать состояния Cstate. Для перехода к максимальной производительности из глубокого режима бездействия больше не нужно переключаться между несколькими режимами. ACPI 6.3 дает три более функциональных определения Cstate, что позволяет быстрее переключаться между состояниями в зависимости от нагрузки.

Более быстрое и гибкое переключение состояний позволяет системе работать быстрее и экономичнее, в зависимости от требований нагрузки. При этом система должна знать, какие компоненты требуются, а какие нет.

По собственным тестам AMD смогла добиться экономии энергии до 59% по сравнению с ноутбуками на процессорах Ryzen 3000.

В ноутбуках производительность очень сильно зависит от охлаждения. Даже если мощность TDP не исчерпана, плохое охлаждение может привести к снижению частот и производительности. С другой стороны, хорошее охлаждение позволяет выжать больший потенциал производительности, даже с превышением TDP.

Технология Smart Temperature Tracing v2 (или STTv2) позволяет процессорам Renoir дольше работать на высоких частотах Boost. Но для этого системе требуется больше информации об остальных компонентах. Дискретный GPU может передавать информацию о своем состоянии контроллеру System Management Controller через Infinity Fabric. Например, если дискретный GPU не нужен, но ядра CPU должны выполнить рендеринг, то GPU может отдать незадействованный тепловой бюджет CPU. Также в корпус ноутбука дополнительно устанавливаются термодиоды, которые определяют горячие участки.

AMD SmartShift

На STTv2 опирается и технология SmartShift, которую AMD представила на CES 2020. Она обеспечивает взаимодействие между ядрами CPU, интегрированным GPU, а также дискретным GPU. Sony также использует SmartShift для специализированного процессора игровой консоли PlayStation 5, чтобы производительность чипа была оптимальной.

Не каждое приложение нагружает разные компоненты APU одинаково. Например, рендеринг CPU выполняется почти исключительно на ядрах CPU. Играм, с другом стороны, не всегда нужны все восемь ядер CPU, но требуется как можно более высокая производительность GPU.

SmartShift работает через Scalable Control Fabric (SCF) в составе Infinity Fabric, передавая информацию управления между разными компонентами. SmartShift работает внутри APU (между CPU и встроенным GPU), а также между APU и дискретной и видеокартой - конечно, если она тоже базируется на AMD GPU. Пока не совсем понятно, поддерживается ли работа SmartShift только на мобильных GPU Navi или на предыдущих поколениях тоже.

Осталось сказать пару слов о подсистеме ввода/вывода процессоров Renoir. Новые модели поддерживают USB 3.1, но не более скоростной стандарт 3.2. Все внешние компоненты подключаются через PCI Express 3.0, а не через PCI Express 4.0. С одной стороны, AMD пока не видит потребность в более высокой пропускной способности PCI Express 4.0 в мобильном сегменте. С другой стороны, старый стандарт экономит время автономной работы, поскольку контроллер PCI Express 4.0 довольно "прожорливый".

В общей сложности доступны 20 линий PCI Express 3.0, скоростные NVMe SSD могут к ним как раз и подключаться.

Остается открытым вопрос о том, увидим ли мы поддержку Thunderbolt 3 в ноутбуках на процессорах Renoir. Хотя Thunderbolt 3 уже не требует лицензионных отчислений, Intel добавила ряд "подводных камней", которые затрудняют реализацию интерфейса в ноутбуках не на процессорах Intel. Но та же Lenovo заинтересована в подобной поддержке. Посмотрим, получится у AMD в итоге или нет.

Оценка Renoir

Пока что сложно сделать окончательные выводы о процессорах Renoir. В теории AMD сделала все правильно, да и анонсы производителей ноутбуков указывают на то, что AMD находится на верном пути.

Восемь ядер Zen 2 действительно обеспечивают солидный потенциал производительности. Если судить по настольным системам, они смогут даже обойти процессоры Intel Comet Lake. Посмотрим, каковая будет реакция Intel. Возможно, компания обновит линейку процессоров Comet Lake H.

Что касается интегрированного GPU, то Intel существенно увеличила производительность с графикой Gen11, но AMD сделала еще один шаг вперед с процессорами Renoir, которые должны дать отрыв. Впрочем, в сочетании с дискретными GPU разница по встроенной графике уже не будет принципиальной.

Что касается эффективности процессоров Renoir, то здесь все же стоит дождаться первых тестов. Если верить AMD, первые ноутбуки на новых процессорах уже должны были продаваться на рынке, и результаты тестов тоже должны были появиться. Но из-за коронавируса выход на рынок пришлось отложить на несколько недель, так что придется запастись терпением. Будем надеяться, первые тесты мы сможем провести уже скоро.

Подписывайтесь на группы Hardwareluxx ВКонтакте и Facebook, а также на наш канал в Telegram (@hardwareluxxrussia).

Мы рекомендуем ознакомиться с нашим руководством по выбору лучшего процессора Intel и AMD на весну 2020. Оно поможет выбрать оптимальный CPU за свои деньги и не запутаться в ассортименте моделей на рынке.