Новый середнячок, догоняющий топовые ускорители предыдущего поколения
Содержание
Представляем базовый детальный материал с исследованием AMD Radeon RX 480.
Справочные материалы
Объект исследования: Ускоритель трехмерной графики (видеокарта) AMD Radeon RX 480 8 ГБ 256-битной GDDR5 PCI-E
Сведения о разработчике: Компания ATI Technologies (торговая марка ATI) основана в 1985 году в Канаде как Array Technology Inc. В том же году была переименована в ATI Technologies. Штаб-квартира в г. Маркхам (Торонто). C 1987 года компания сконцентрировалась на выпуске графических решений для ПК. Начиная с 2000 года основным брендом графических решений ATI становится Radeon, под которым выпускаются GPU как для настольных ПК, так и для ноутбуков. В 2006 году компанию ATI Technologies покупает компания AMD, в которой образуется подразделение AMD Graphics Products Group (AMD GPG). C 2010 года AMD отказывается от бренда ATI, оставив лишь Radeon. Штаб-квартира AMD в Саннивейл (Калифорния), а у AMD GPG остается главным офисом бывший офис AMD в Маркхаме (Канада). Своего производства нет. Общая численность сотрудников AMD GPG (включая региональные офисы) около 2000 человек.
Часть 1: Теория и архитектура
В своих прошлых статьях мы неоднократно сетовали на застой в области графических процессоров, связанный с задержками производства GPU по новым технологическим процессам и фактическим пропуском одного из них — 20 нм техпроцесса, который оказался непригодным для массового выпуска сложных видеочипов. На протяжении долгих пяти (!) лет обе компании, являющиеся производителями GPU, выпускали решения на основе уже весьма старого 28 нм техпроцесса.
Производители микроэлектронных чипов смогли наладить массовое производство с применением новых FinFET-техпроцессов (14 и 16 нм, в зависимости от производителя) таких сложных и крупных чипов лишь ближе к середине года. Не так давно «отстрелялась» компания Nvidia, выпустившая довольно дорогие видеокарты, предназначенные для верхней части их линейки, а теперь настало время компании AMD, которая пошла своим путем, выпустив сначала не самые дорогие видеокарты, примерно аналогичные моделям Radeon HD 4850 и HD 4870, ставшими достаточно популярными в свое время.
Вот уже который раз компания AMD предлагает потребителю хоть и менее производительные видеокарты, чем конкурент, зато по значительно меньшей цене. Как и в случае с упомянутыми видеокартами серии Radeon HD 4800, в этот раз они также поставили себе задачу сделать графический процессор для недорогих решений ценового сегмента около $200, достаточно мощных для современных задач и игр, но не слишком дорогих и очень энергоэффективных. Мы уже раскрывали часть информации о планируемых к запуску решениях семейства Polaris, а сегодня уже готовы поделиться всеми подробностями.
Чтобы лучше понять ход мысли представителей AMD, отличающийся от такового у их конкурентов, давайте рассмотрим их представления о наиболее востребованных на рынке видеокартах. По данным AMD, довольно малая доля игроков на ПК покупает дорогие видеокарты, обеспечивающие комфорт при высоких разрешениях и максимальных настройках, а большинство из них использует сильно устаревшие GPU. 84% игроков покупают видеокарты по цене от $100 до $300 по данным AMD, и лишь остальные игроки выбирают то, что дороже.
Понятно, что большинство не сможет даже попробовать столь популярную сейчас тему виртуальной реальности при таковом желании, ведь VR требует очень приличных вычислительных мощностей. Кроме этого, по мнению AMD, не все пользователи желают вкладываться в то оборудование, что устареет уже через пару лет. Правда, вряд ли все они кинутся покупать VR-шлемы… С другой стороны, с устаревшими видеокартами у них и возможности то опробовать виртуальную реальность не появится. Всего 13 миллионов ПК по всему миру имеют достаточно мощную конфигурацию для запуска VR-приложений — это всего 1% из почти полутора миллиардов компьютеров, имеющихся у пользователей на руках.
По данным опросов, приводимых AMD, две трети пользователей не планируют приобрести оборудование для VR именно из-за дороговизны такой конфигурации. Это в дополнение к вполне разумным доводам вроде тех, что шлемы пока что слишком громоздкие и с мешающими проводами, а виртуальная реальность в принципе применима лишь к малой части игровых применений. Все же, самой важной преградой для распространения VR является цена оборудования. И AMD считает для себя перспективной возможность обеспечить миллионы ПК графическими процессорами необходимой мощности в следующие несколько лет. Правда, остается непонятным, почему AMD считает недоступным компонентом именно видеокарту, если VR-шлем и контроллеры сами по себе стоят дороже? Впрочем, порог входа в VR они действительно могут немного снизить, предложив решения достаточной производительности за сравнительно малые деньги.
И AMD продвигает свои новые решения во многом именно как производительные и энергоэффективные видеокарты, призванные «демократизировать» довольно дорогую виртуальную реальность, обеспечив желающих достаточной мощью GPU. А еще одной целью новых графических решений компании являются как компактные ПК со сверхнизким потреблением энергии, так и игровые ноутбуки, для которых сейчас можно легко обеспечить мощность, аналогичную или даже превосходящую возможности игровых консолей. К примеру, младший чип Polaris имеет не только низкое энергопотребление, но и специально предназначен для компактных ноутбуков — общая высота упаковки этого GPU составляет всего 1,5 мм по сравнению с 1,9 мм у Bonaire, что поможет AMD выиграть конкурсы на поставку решений для мобильных ПК.
Для четкого попадания в такие требования, в AMD решили спроектировать две модели графических процессоров: Polaris 10 и Polaris 11, соответствующие определенным уровням возможностей и производительности. Старший чип серии Polaris обеспечит ПК-игроков достаточной мощностью для VR-приложений и всех современных игр, а менее производительный младший GPU предназначен для тонких и легких ноутбуков, но предлагает возможности и производительность, превосходящие параметры игровых приставок.
Соответственно, на момент анонса, AMD предлагает следующие решения для настольных компьютеров:
Radeon RX 460 — энергоэффективная видеокарта с низким потреблением энергии для нетребовательных игр и будущих мобильных решений, с мощностью в более чем 2 терафлопа, имеющая 2 ГБ видеопамяти, соединенной по 128-битной шине;
Radeon RX 470 — весьма выгодная видеокарта среднего уровня за приемлемую цену, обладающая достаточной мощностью для игр в Full HD-разрешении, с мощностью более чем 4 терафлопа, 4 ГБ видеопамяти и 256-битной шиной;
Radeon RX 480 — пока что самое производительное решение нового семейства, предназначенное для VR и современных игр с производительностью более чем 5 терафлопа, 4 или 8 гигабайтами памяти с 256-битной шиной, потребляющее менее чем 150 Вт.
Сегодня мы рассмотрим как раз модель Radeon RX 480, которая предлагает премиальные возможности для игроков — Premium HD Gaming. Что это за термин в понимании AMD? Сюда включены как возможности новых графических API, вроде асинхронного исполнения в DirectX 12, так и технологии FreeSync и CrossFire. Но главное — преимущество над аналогичными по цене решениями конкурента, в современных играх с поддержкой DirectX 12:
В большинстве игр текущего года с поддержкой DirectX 12 (Ashes of the Singularity, Hitman, Total War: Warhammer, Quantum Break, Gears of War и Forza APEX) даже видеокарты предыдущего поколения AMD Radeon зачастую превосходят аналоги по цене у Nvidia: мы отмечали преимущество Fury X против 980 Ti, R9 390 против GTX 970 и R9 380 против GTX 960, а уж свежая модель на базе Polaris 10 просто обязана выступить еще лучше.
Кроме DirectX 12 можно отметить и еще один API — Vulkan. В соответствующей версии игры Doom компания AMD заявляет прирост до 45% на Radeon RX 480 по сравнению с OpenGL-версией игры, хотя на старых видеокартах разница ожидается несколько меньше — порядка 20–25%.
А что с виртуальной реальностью, действительно ли новинка AMD способна на достаточную производительность для VR-приложений? Благодаря высокой мощности GPU и поддержке таких возможностей как Asynchronos Time Warp, обеспечивается комфортный просмотр соответствующих VR-приложений, да еще при невысоком потреблении энергии. Так, общепринятый тест для оценки производительности SteamVR Performance Test показывает явное превосходство над решениями предыдущего поколения (непонятно, правда, почему сравнивали именно с Radeon R9 380?):
Так как основой модели Radeon RX 480 является графический процессор Polaris 10, имеющий архитектуру GCN четвертого поколения, которая во многих деталях схожа с ранее вышедшими решениями компании AMD, то перед прочтением теоретической части статьи будет полезно ознакомиться и с нашими предыдущими материалами по прошлым видеокартам компании, основанным на архитектуре GCN предыдущих поколений:
Рассмотрим подробные характеристики видеоплаты Radeon RX 480, основанной на полной версии графического процессора нового поколения Polaris 10.
Графический ускоритель Radeon RX 480
Параметр
Значение
Кодовое имя чипа
Polaris 10 XT (Ellesmere)
Технология производства
14 нм FinFET
Количество транзисторов
5,7 млрд.
Площадь ядра
232 мм²
Архитектура
Унифицированная, с массивом общих процессоров для потоковой обработки многочисленных видов данных: вершин, пикселей и др.
Аппаратная поддержка DirectX
DirectX 12, с поддержкой уровня возможностей Feature Level 12_0
Шина памяти
256-битная: восемь независимых 32-битных контроллеров памяти с поддержкой GDDR5-памяти
Частота графического процессора
1120 (1266) МГц
Вычислительные блоки
36 вычислительных блоков GCN, включающих 144 SIMD-ядер, состоящих в целом из 2304 ALU для расчетов с плавающей запятой (поддерживаются целочисленные и плавающие форматы, с точностью FP16, FP32 и FP64)
Блоки текстурирования
144 текстурных блока, с поддержкой трилинейной и анизотропной фильтрации для всех текстурных форматов
Блоки растеризации (ROP)
32 блока ROP с поддержкой режимов сглаживания с возможностью программируемой выборки более чем 16 сэмплов на пиксель, в том числе при FP16- или FP32-формате буфера кадра. Пиковая производительность до 32 отсчетов за такт, а в режиме без цвета (Z only) — 128 отсчетов за такт
Поддержка мониторов
Интегрированная поддержка до шести мониторов, подключенных по интерфейсам DVI, HDMI 2.0b и DisplayPort 1.3/1.4 Ready
Спецификации референсной видеокарты Radeon RX 480
Параметр
Значение
Частота ядра
1120 (1266) МГц
Количество универсальных процессоров
2304
Количество текстурных блоков
144
Количество блоков блендинга
32
Эффективная частота памяти
7000–8000 (4×1750–2000) МГц
Тип памяти
GDDR5
Шина памяти
256-бит
Объем памяти
4/8 ГБ
Пропускная способность памяти
224–256 ГБ/с
Вычислительная производительность (FP32)
до 5,8 терафлопс
Теоретическая максимальная скорость закраски
41 гигапиксел/с
Теоретическая скорость выборки текстур
182 гигатекселя/с
Шина
PCI Express 3.0
Разъемы
Один разъем HDMI и три DisplayPort
Энергопотребление
до 150 Вт
Дополнительное питание
Один 6-контактный разъем
Число слотов, занимаемых в системном корпусе
2
Рекомендуемая цена
$199/$229 (для рынка США)
Название выпущенной сегодня модели видеокарты компании AMD вполне соответствует их текущей системе наименований. Ее имя отличается от предшественников измененным символом в первой части индекса и цифрой поколения — RX 480. Если со вторым изменением все понятно, ведь поколение действительно новое, то замена R9 на RX не совсем логична, на наш взгляд, ведь эта цифра раньше показывала уровень видеокарты: R7 были медленнее, чем R9, но все они выпускались в рамках одного поколения. А теперь непонятно, во-первых, почему у RX 480 эта цифра больше, чем у R9 390X, к примеру, и какие цифры после R в имени будут у младших решений, основанных на новых GPU.
Первая модель в новом семействе Radeon 400 становится в текущей линейке компании на место предыдущих решений, аналогичных по позиционированию, замещая их на рынке. Так как выпущенная видеокарта относится скорее к среднему уровню по цене и скорости с учетом нового поколения, то для будущих решений на GPU еще большей мощности решили оставить индекс 490.
Референсный вариант Radeon RX 480 будет предлагаться по рекомендованной цене в $199 в случае 4 ГБ варианта и $229 для 8-гигабайтной модели, и эти цены ну очень привлекательны! По сравнению с топовыми видеокартами предыдущего поколения, это очень хороший ценник, так как Radeon RX 480 по скорости не должна уступать таким моделям, как Radeon R9 390 и GeForce GTX 970. Именно с ними и будет конкурировать новинка, по крайней мере, в начале своего жизненного пути, до выхода планируемой к скорому выпуску GeForce GTX 1060. Но на момент своего выхода, сегодняшняя новинка абсолютно точно становится лучшим предложением по производительности в своем классе.
Референсные видеокарты Radeon RX 480 будут поставляться в версиях с 4 ГБ памяти GDDR5 с эффективной частотой в 7 ГГц, и с 8 ГБ памяти с частотой в 8 ГГц. Но по мере поступления в продажу видеокарт собственного производства партнеров AMD, появятся и другие варианты, но все они будут оснащены GDDR5-памятью с частотой как минимум 7 ГГц — такова воля AMD.
Решение по установке 4 и 8 ГБ памяти очень мудрое. Младший вариант позволит немного сэкономить, ведь 4 ГБ на данный момент можно считать «золотой серединой», а преимущество от 8 ГБ памяти у второго варианта Radeon RX 480 раскроется в перспективе. Хотя и 4-гигабайтный вариант видеокарты обеспечит приемлемую производительность в современных играх, но 8 ГБ памяти позволят иметь приличный запас на будущее, так как требования к объему видеопамяти у игр постоянно растут. В качестве примера, преимущество в котором уже заметно, можно привести игру Rise of the Tomb Raider в DirectX 12-версии, при очень высоких настройках и разрешении 2560×1440 пикселей:
Больший объем видеопамяти у Radeon RX 480 8 ГБ и Radeon R9 390 помогает избежать крайне неприятных падений производительности и рывков FPS, по сравнению с 4-гигабайтными вариантами, включая решения конкурентов GeForce GTX 970 и GTX 960. Именно Radeon RX 480 8 ГБ дает возможность получения плавного игрового процесса с отсутствием притормаживаний, связанных с подгрузкой данных, не помещающихся в локальную видеопамять. И так как игровые консоли нынешнего поколения имеют по 8 ГБ общей памяти, то преимущество от большего объема памяти будет только расти со временем, и 8-гигабайтный вариант Radeon RX 480 отлично подойдет для игр, который будут выходить в следующие несколько лет.
Для дополнительного питания платой используется один 6-контактный разъем, а значение типичного энергопотребления у модели Radeon RX 480 на графическом процессоре Polaris 10 установлено на уровне 150 Вт. В реальности без разгона плата потребляет даже еще меньше, порядка 120 Вт энергии, но небольшой запас по питанию позволит улучшить оверклокерский потенциал. К слову, партнерами AMD планируется скорый выход фабрично разогнанных версий этой видеокарты, отличающихся и системами охлаждения и питания.
Архитектурные особенности
Графический процессор Polaris 10 относится к четвертому поколению архитектуры Graphics Core Next, самому совершенному на данный момент. Базовым блоком архитектуры является вычислительный блок Compute Unit (CU), из которых собраны все графические процессоры AMD. Вычислительный блок CU имеет выделенное локальное хранилище данных для обмена данными или расширения локального регистрового стека, а также кэш-память первого уровня с возможностью чтения и записи и полноценный текстурный конвейер с блоками выборки и фильтрации, он разделен на подразделы, каждый из которых работает над своим потоком команд. Каждый из таких блоков занимается планированием и распределением работы самостоятельно.
В своей основе, архитектура Polaris изменилась не слишком сильно, хотя не основные блоки видеочипа изменились заметнее — были серьезно улучшены блоки кодирования и декодирования видеоданных и вывода информации на устройства отображения. В остальном, это очередное поколение известной архитектуры Graphics Core Next (GCN), уже четвертое по счету. Пока что в состав семейства вошли два чипа: Polaris 10 (ранее известный как Ellesmere) и Polaris 11 (ранее известный как Baffin).
И все же некоторые аппаратные изменения в GPU были внесены. В список улучшений и изменений входит: улучшенная обработка геометрии, поддержка нескольких проекций при рендеринге VR с разным разрешением, обновленный контроллер памяти с улучшенным сжатием данных, модифицированная предвыборка инструкций и улучшенная буферизация, планирование и приоритезация вычислительных задач в асинхронном режиме, поддержка операций над данными в формате FP16/Int16. Рассмотрим схему нового графического процессора (по клику на изображении доступна увеличенная версия иллюстрации):
В состав полноценного графического процессора Polaris 10 входит один командный процессор Graphics Command Processor, четыре асинхронных вычислительных движка Asynchronous Compute Engines (ACE), два планировщика задач Hardware Scheduler (HWS), 36 вычислительных блоков Compute Unit (CU), четыре геометрических процессора, 144 текстурных модуля TMU (включающих по четыре блока загрузки и сохранения данных LSU на каждый TMU) и 32 блоков ROP. Подсистема памяти нового графического процессора компании AMD включает восемь 32-битных контроллеров GDDR5-памяти, дающих общую 256-битную шину памяти, и кэш-память второго уровня объемом в 2 МБ.
Заявлено улучшение геометрических движков в Polaris — в частности, появился так называемый ускоритель отбрасывания геометрических примитивов Primitive Discard Accelerator, который работает в самом начале графического конвейера, отбрасывая невидимые треугольники (например, с нулевой площадью). Также в новом GPU был введен новый индексный кэш для дублированной (instanced) геометрии, который оптимизирует перемещения данных и освобождает ресурсы внутренних шин передачи данных и увеличивает эффективность использования ПСП при дублировании геометрии (instancing).
Ускоритель отбрасывания геометрических примитивов помогает увеличить скорость обработки геометрии, особенно в задачах вроде тесселяции с мультисэмплингом. На диаграмме видно, что в разных условиях новый блок позволяет увеличить производительность до трех раз. Впрочем, это синтетические данные заинтересованной стороны, лучше смотреть по игровым результатам независимых тестов.
Также в четвертом поколении GCN была улучшена эффективность исполнения шейдеров — введена предвыборка инструкций, улучшающая кэширование инструкций, снижающая простои конвейера и увеличивающая общую вычислительную эффективность. Еще был увеличен размер буфера инструкций для массива инструкций (wavefront), увеличивающий однопоточную производительность, введена поддержка операций над данными в форматах FP16 и Int16, помогающая снизить нагрузку на память, повысить скорость вычислений и улучшить энергоэффективность. Последнюю возможность можно применять в широком круге задач графики, машинного зрения и обучения.
В очередной раз был улучшен и планировщик заданий hardware scheduler (HWS), использующийся при асинхронных вычислениях. В его задачи входит: разгрузка CPU от задач планирования, приоритезация задач реального времени (виртуальная реальность или обработка звука), параллельное выполнение задач и процессов, менеджмент ресурсов, координация и балансирование загрузки исполнительных блоков. Функциональность этих блоков можно обновить при помощи микрокода.
Кроме того, что объем кэш-памяти второго уровня был увеличен вдвое до 2 МБ, была изменена обработка и кэширование данных в L2-кэше и увеличена общая эффективность работы подсистемы кэш-памяти и локальной видеопамяти. Контроллер памяти получил поддержку GDDR5-памяти с эффективной тактовой частотой до 8 ГГц, что в случае Polaris означает пропускную способность шины памяти до 256 ГБ/с. Но и на этом в AMD не остановились, дополнительно улучшив алгоритмы сжатия данных без потерь (Delta Color Compression — DCC), которым поддерживаются режимы сжатия с соотношением 2:1, 4:1 и 8:1.
Внутричиповое сжатие данных увеличивает общую эффективность работы, обеспечивает более полное использование шины данных и сказывается на энергоэффективности. В частности, если в Radeon R9 290X внутреннего сжатия информации не было и эффективная ПСП равна его физической ПСП, то в случае решения на чипе Fiji сжатие позволило сэкономить почти 20% ПСП, а в случае Polaris и до 35–40%.
Если сравнивать Radeon RX 480 с Radeon R9 290, то новое решение потребляет заметно меньше энергии для обеспечения той же эффективной пропускной способности, по сравнению с видеокартой предыдущего поколения. В результате, у новинки заметно выше и производительность в пересчете на бит — хотя у Radeon R9 290 выше пиковая ПСП, но она куда энергоэффективнее используется в Polaris 10 — общее потребление энергии интерфейсом памяти составляет 58% от потребления старого GPU.
В целом, изменения четвертого поколения GCN в графическом процессоре Polaris связаны с применением продвинутого технологического процесса 14 нм FinFET, микроархитектурными изменениями, оптимизациями физического дизайна и техник управления питанием. Все это принесло свои плоды в виде значительного прироста производительности и эффективности, по сравнению с предыдущими решениями. Если брать самый низкий уровень, то вычислительные блоки CU в Polaris 10 (Radeon RX 480) примерно на 15% производительнее блоков чипа Hawaii (Radeon R9 290).
Сложно судить, насколько велик вклад той или иной оптимизации в общий прирост скорости, но если брать все оптимизации в комплексе, то разница в энергоэффективности между Radeon RX 470 и Radeon R9 270X, по оценке специалистов компании AMD, достигает 2,8-кратной. Причем, они оценивают вклад FinFET-техпроцесса меньше вклада своих оптимизаций. Вероятно, было выбрано самое выгодное сравнение, а для других моделей прирост по энергоэффективности несколько меньше. Например, если сравнить показатели RX 480 и R9 290, то разница по энергоэффективности будет ближе к двукратной. В любом случае, такие огромные приросты бывают раз в несколько лет, и уже поэтому у нас нет никаких сомнений в том, что продажи Radeon RX 480 будут успешными.
Технологический процесс и его оптимизация
Как мы уже говорили, главное в Polaris — это не изменения в аппаратных блоках, а большой шаг вперед из-за применения в производстве этого GPU нового техпроцесса 14 нм с использованием транзисторов с вертикально расположенным затвором (FinFET — Fin Field Effect Transistor), также известных как транзисторы с трехмерной структурой затвора или 3D-транзисторы.
Динамическое энергопотребление растет линейно с ростом количества вычислительных блоков, и кубически при повышении частоты при помощи повышения напряжения (так, прирост частоты и напряжения на 15% увеличивает потребление более чем наполовину!), и в результате графические процессоры зачастую работают на более низких тактовых частотах, зато используют чипы большей плотности, чтобы поместить в них большее количество вычислительных устройств, которые работают параллельно.
Последние пять лет графические процессоры выпускались при помощи 28 нм техпроцессов, а промежуточный 20 нм не дал требуемых параметров. Освоения еще более совершенных техпроцессов пришлось ждать довольно долго, и вот, для производства графических процессоров семейства Polaris, компания AMD выбрала производства компаний Samsung Electronics и GlobalFoundries с их 14 нм FinFET-техпроцессом, который обеспечивает производство одних из самых плотных микропроцессоров. Применение FinFET-транзисторов имеет решающее значение для снижения энергопотребления и снижения напряжения GPU примерно на 150 мВ, по сравнению с предыдущим поколением, сокращая мощность на треть.
На иллюстрации схематично показано условное изменение размеров одного и того же GPU, произведенного с применением различных техпроцессов. Компании Samsung Electronics и GlobalFoundries разделяют заказы на выпуск 14 нм центральных и графических процессоров компании AMD, так как техпроцесс у них одинаковый и наладить одновременное производство несложно, разделяя между ними заказы исходя из выхода годных чипов и других параметров, что должно позволить решить потенциальные проблемы с недостаточными объемами производства.
Архитектура Polaris изначально разрабатывалась под возможности FinFET-техпроцессов, и должна использовать все их возможности. Если описывать вкратце, то FinFET-транзистор — это транзистор с каналом, окруженным затвором через прослойку в виде изолятора с трех сторон — по сравнению с планарным, где поверхность сопряжения — это одна плоскость. FinFET-транзисторы имеют более сложное устройство, и трудностей при реализации новой технологии было предостаточно, для освоения соответствующих техпроцессов потребовалось пять лет.
Зато новая форма транзисторов обеспечивает больший выход годных, меньшие утечки и заметно лучшую энергоэффективность, что является основной задачей современной микроэлектроники. Количество транзисторов в графических процессорах на квадратный миллиметр площади удваивалось примерно каждые два года, вместе с этим удвоились и статические утечки (static leakage). Для решения части этих проблем использовались специальные средства, вроде островков из транзисторов с разным напряжением питания и схем управления тактовыми сигналами (clock gating), которые помогали снизить токи утечек в режимах простоя или сна. Но эти техники не помогают при активных состояниях работы и способны снизить максимальную производительность.
В FinFET-процессах многие проблемы решены, что позволяет добиться революционного улучшения в производительности и потреблении энергии, по сравнению с предыдущими чипами, произведенными при помощи традиционных технологий. Новые техпроцессы позволяют не просто повысить производительность, но и снизить вариативность характеристик (разницу в характеристиках всех произведенных чипов одной модели) — сравните разброс параметров для FinFET-техпроцесса 14 нм и привычного 28 нм у TSMC:
На этой диаграмме видны как большая средняя производительность для FinFET-продуктов, так и меньшие утечки в среднем, и меньший разброс в показателях производительности и величине утечек для разных образцов. Улучшение вариативности этих характеристик для GPU в случае FinFET означает, что можно повысить итоговую частоту для всех продуктов, в то время как для планарных транзисторов приходилось обращать большее внимание на худшие показатели и снижать референсные характеристики для всех конечных продуктов.
В итоге графические процессоры, произведенные при помощи техпроцессов с применением FinFET-транзисторов, обеспечивают фундаментальный рост характеристик производительности и энергоэффективности, по сравнению с аналогами, в производстве которых были использованы традиционные планарные транзисторы. По оценке специалистов AMD, применение FinFET-техпроцессов позволяет обеспечить или на 50–60% меньшее потребление энергии, или на 20–35% большую производительность при прочих равных.
Новые техпроцессы с применением FinFET-транзисторов помогают не только снизить потребление энергии и значительно улучшить энергоэффективность, но и открыть новые форм-факторы и форматы для применения будущих графических процессоров. Так, в будущем возможно появление относительно тонких и легких игровых ноутбуков, которые не будут требовать значительного снижения настроек качества 3D-графики, достаточно мощных настольных ПК ультракомпактного размера, ну, а привычные игровые видеокарты смогут обходиться меньшим количеством разъемов питания.
Но для того, чтобы добиться большей энергоэффективности, недостаточно просто перевести чип на более «тонкий» техпроцесс, требуются многочисленные изменения в его дизайн. К примеру, в Polaris применяется адаптивное тактирование GPU. Графические процессоры работают при низком напряжении и высокой силе тока, и поставлять качественное напряжение от схем питания довольно сложно. Разброс в напряжении может достигать 10–15% от номинального значения, и среднее напряжение приходится повышать для того, чтобы перекрыть эту разницу, и на это тратится впустую куча энергии.
Адаптивное тактирование в решениях AMD восстанавливает эти потери со снижением энергозатрат на четверть. Для этого, в дополнение к уже существующим сенсорам энергопотребления и температуры добавляется еще и сенсор частоты. В результате работы алгоритма достигается максимальная энергоэффективность для всего чипа.
Также производится калибровка блока питания при загрузке системы. При испытаниях процессора запускается специальный код для анализа напряжения, и интегрированными мониторами питания записывается значение напряжение. Затем при загрузке ПК запускается тот же код и замеряется полученное напряжение, и регуляторы напряжения на плате устанавливают такое же напряжение, какое было при тестировании. Это исключает затраты энергии, которая расходуется из-за разницы в системах.
Есть в Polaris и адаптивная компенсация старения транзисторов — обычно графические процессоры требуют запаса тактовой частоты порядка 2–3% для приспособления к старению транзисторов чипа, да и другие компоненты также демонстрируют старение (например, GPU получает более низкое напряжение от системы). Современные решения AMD умеют делать самостоятельную калибровку и адаптироваться к изменяющимся условиям со временем, что обеспечивает надежную работу видеокарты в течение продолжительного времени и немного повышенную производительность.
Radeon WattMan — новые возможности разгона и мониторинга
Важной составляющей любого современного видеодрайвера являются настройки для разгона, позволяющие выжать из GPU все его возможности. Ранее этим заведовал раздел AMD Overdrive в драйверах решений этой компании, а вместе с выходом новых решений в AMD решили кардинально обновить и этот раздел драйвера, назвав его Radeon WattMan.
Radeon WattMan — это новая утилита AMD для разгона, позволяющая изменять напряжение GPU, частоту графического процессора и видеопамяти, скорость вращения вентилятора системы охлаждения и целевую температуру. Radeon WattMan основан на возможностях, виденных ранее в Radeon Software, но предлагает несколько новых функций по тонкому разгону — с иными возможностями по управлению напряжением и частотой GPU. Также в WattMan появился удобный мониторинг активности GPU, тактовых частот, температур и скорости вентилятора.
Удобно сделано то, что как и в других настройках Radeon Software Crimson Edition, можно задать собственный профиль разгона для каждого приложения или игры, который будет применен при их запуске. А после завершения работы приложения, настройки вернутся к глобальным по умолчанию. Radeon WattMan можно найти в Radeon Settings, он заместил текущую панель AMD OverDrive, и совместим с серией AMD Radeon RX 400.
Возможно как простое управление частотой GPU, так и тонкая настройка кривой частот. Простая настройка частоты работает по умолчанию и позволяет изменять заданные инженерами AMD значения, оптимальные для каждого состояния GPU. Изменение кривой частоты возможно с точностью в 0,5%. Есть и динамическое изменение кривой частоты, когда тактовая частота ядра GPU и видеопамяти может изменяться для каждого состояния вместе с изменением напряжения для каждого из них. Напряжения для GPU и памяти устанавливаются независимо друг от друга.
Есть в WattMan и продвинутое управление скоростью вращения вентилятора в системе охлаждения, когда устанавливается минимальная скорость, целевая скорость и минимальный акустический предел. При этом целевая скорость вращения — это максимум, при котором будет вращаться вентилятор при температуре не выше целевой. Улучшенное управление температурой позволяет выставить максимальное и целевое значения температуры. Вместе с пределом потребления энергии, это позволяет выставить более тонкие настройки.
Максимальная температура — это абсолютный максимум, при котором частота графического чипа не снижается, но после ее достижения, частота начнет снижаться. А целевая температура — значение, по достижению которого будет расти скорость вращения вентилятора. Предельное значение питания для GPU можно повысить или понизить в пределах до 50% (в случае модели Radeon RX 480).
Кажется, мы где-то уже видели возможность тонкого изменения кривой частот и напряжений, причем совсем недавно, правда? Но чего мы еще точно не видели, так это удобного интерфейса мониторинга и настроек в самих драйверах, а не сторонних утилитах, и AMD можно лишь похвалить за такую заботу о пользователях.
Новый интерфейс мониторинга позволяет записывать и просматривать активность графического процессора, его температуру, скорость вентилятора и частоты. Причем, есть как глобальный мониторинг (Global WattMan), так и отдельный мониторинг для пользовательских профилей, который мониторит пиковые и средние данные только когда приложение открыто. Данные собираются и в фоновом режиме, утилите Radeon Settings не обязательно быть запущенной, данные собираются максимум до 20 минут работы приложения.
В целом, AMD есть еще над чем работать для улу
