Deep Dive - Omówienie architektury Zen 3 w laptopach. Testy AMD Ryzen 9 5900HS i Ryzen 7 5800H oraz kwestia poboru mocy

Rok temu, podczas targów CES 2021, AMD zaprezentowało trzecią generację APU dla laptopów. Rodzina Renoir, oparta na architekturze Zen 2, odznaczała się dużo większą wydajnością od swoich poprzedników. AMD również jako pierwsza firma, wprowadziła niskonapięciowe procesory z 8 rdzeniami i obsługą do 16 wątków jednocześnie. Procesory zdobyły uznanie, głównie ze względu na niespotykaną do tamtej pory efektywność energetyczną, bijącą konkurencyjne układy Intela na głowę. Minął rok, a AMD podczas kolejnej edycji targów CES zaprezentowała piątą już generację APU, tym razem o kodowej nazwie Cezanne. Przyglądamy się bliżej architekturze Zen 3, przygotowanej z myślą o laptopach oraz sprawdzamy wydajność procesorów AMD Ryzen 7 5800H i Ryzen 9 5900HS wraz z odniesieniem do poboru mocy nowych jednostek.

Autor: Damian Marusiak

Nowa generacja procesorów AMD Ryzen dla laptopów po części może budzić pewną konsternację. Nie wszystkie bowiem jednostki korzystają z dobrodziejstw nowej architektury Zen 3. Mowa o takich procesorach jak AMD Ryzen 3 5300U, AMD Ryzen 5 5500U oraz AMD Ryzen 7 5700U. Wymienione układy to w rzeczywistości nieco przypudrowane Renoir z włączoną obsługą wielowątkowości SMT, dzięki czemu zyskamy dodatkowe procenty do wyników wydajności. Największe zmiany dotyczą procesorów AMD Ryzen 3 5400U, Ryzen 5 5600U, Ryzen 7 5800U oraz wszystkich procesorów Cezanne-H. Tutaj bowiem wykorzystano architekturę Zen 3, która podobnie jak w procesorach desktopowych, umożliwiała zauważalny wzrost wydajności jednowątkowej oraz jeszcze lepsze osiągi wielowątkowe, pomimo identycznej liczby rdzeni. W naszych rozważaniach skupimy się zatem wyłącznie na układach AMD Cezanne.

AMD Ryzen 5000 dla laptopów to nowe procesory, korzystające z usprawnionej architektury Zen 3. APU nadal ma budowę monolityczną, uzyskując w ten sposób niższe opóźnienia w porównaniu do chipletowej budowy jądra krzemowego.

Procesory AMD Cezanne są nieco większe od swoich poprzedników z rodziny Renoir. Podczas gdy rozmiar głównego chipu w układach AMD Ryzen 4000 wynosił 156 mm², w przypadku nowych jednostek Ryzen 5000 powierzchnia wynosi 180 mm². Mimo zachowania tego samego procesu technologicznego (7 nm TSMC), zwiększono liczbę tranzystorów z 9,8 mld do 10,7 mld. Główny powód zwiększenia jądra krzemowego związany jest ze zwiększeniem rdzeni Zen 3 oraz dwukrotnym podwojeniem pamięci cache L3 - teraz zamiast dwóch stosów po 4 MB każdy otrzymujemy jedną pulę 16 MB dostępne od razu dla wszystkich rdzeni. Sama płytka z kondensatorami, która lutowana jest następnie na płyty główne, pozostała w tym samym rozmiarze. Dzięki temu łatwiej dostosować już wcześniej przygotowane konstrukcje laptopów do nowych procesorów AMD Cezanne. Producent zdecydował się na zunifikowanie pamięci cache L3 ze względu na fakt, że umożliwia to wzrost wydajności np. w grach komputerowych. Jest to tłumaczone obniżeniem opóźnienia dla żądań pamięci procesora w połączonym regionie pamięci podręcznej. Zmiany w organizacji pamięci cache L3 są głównym powodem dalszego wzrostu IPC, sięgającego w nowej generacji nawet 19% względem APU AMD Renoir.

Podobnie jak przy architekturze Zen 2 dla laptopów, również Zen 3 wykorzystuje układ do przewidywania skoków o nazwie TAGE - Tagged Geometric History Length Branch Predictor. Układ TAGE wykorzystuje kilka różnych tabel, z czego każda kolejna odznacza się coraz większą historią wykonywanych wcześniej skoków, dzięki czemu większość pamięci układu przewidywania może skupić się na przechowywaniu wyłącznie krótkich historii. Nie brakuje ponadto perceptronowego układu służącego do przewidywania czy skok nastąpi np. w krótkich pętlach. Układy AMD Cezanne wykorzystują maksymalnie 32 bajty (pobrane z pamięci cache L1) w jednym cyklu zegara i dekodują maksymalnie 4 instrukcje w jednym cyklu. Z kolei front-end procesorów Cezanne w jednym cyklu zegara może przekazać do wykonania maksymalnie 6 operacji do części stałoprzecinkowej oraz 4 operacje do części zmiennoprzecinkowej (wektorowej), co oznacza maksymalnie 10 operacji na każdy cykl. Nowe układy APU Cezanne doczekały się również delikatnych zmian w sektorze odpowiedzialnym za operacje zmiennoprzecinkowe - oprócz czterech jednostek ALU (jednostki arytmetyczno-logiczne bazujące na liczbach całkowitych), znajdziemy trzy jednostki AGU, służące do generowania adresów oraz jednostkę BR (rejestr buforowy wejścia/wyjścia), używany do wymiany danych pomiędzy modułem wejścia/wyjścia a samym procesorem.

Procesory AMD Cezanne (podobnie jak Lucienne) odznaczają się także bardziej dopracowanym i zaktualizowanym kontrolerem pamięci. Jedną z największych zmian w przypadku wszystkich procesorów AMD Ryzen 5000, więc zarówno Cezanne jak również Lucienne, jest to że producent włączył głębsze stany niskiego poboru mocy dla interfejsu warstwy fizycznej pamięci (PHY). Umożliwia to systemowi oszczędzanie energii, gdy podsystem pamięci nie jest w danym momencie potrzebny lub jest w stanie małej aktywności. Oznacza to umieszczenie struktury i pamięci na określonej płaszczyźnie napięcia i jednocześnie umożliwia całemu układowi obniżenie mocy, gdy jest w stanie stanie bezczynności. Zmiany te powinny jeszcze korzystaniej wpłynąć na czas pracy laptopa na zasilaniu akumulatorowym, zwłaszcza gdy nie wykonujemy na sprzęcie żadnych obciążeniowych zadań.

Na pierwszy rzut oka, pewną niedogodnością związaną z posiadaniem części procesora w stanie bardzo niskiego poboru mocy jest czas potrzebny do powrotu z bezczynności. Według deklaracji producenta, architektura Zen 3 dostosowana do laptopów sprawia, że w przypadku procesorów Ryzen serii 5000 możliwe jest szybkie przejście do pełnej aktywności APU. Krótko mówiąc procesor ma możliwość szybkiego przejścia do trybu wysokiej wydajności. W porównaniu do poprzedniej generacji nie zmieniła się natomiast maksymalna liczba obsługiwanej pamięci RAM - nadal mowa o 32 GB LPDDR4x o taktowaniu 4266 MHz (przepustowość 68,2 GB/s) lub do 64 GB RAM DDR4 3200 MHz o przepustowości 51,2 GB/s. W przypadku zintegrowanego układu graficznego nadal mamy do czynienia z iGPU Vega z maksymalnie 8 blokami CU. Tym razem jednak ponownie zwiększono maksymalne taktowanie rdzenia do 2100 MHz (poprzednio było to 1750 MHz), pomimo zachowania tego samego procesu technologicznego. Na dużo dalej idące zmiany w kwestii iGPU poczekamy do 2022 roku i premiery szóstej generacji APU Rembrandt. To tam zostaną na szerszą skalę wykorzystane układy iGPU oparte na architekturze RDNA 2.

Ostatnia z większych zmian w architekturze Zen 3 dla laptopów dotyczy regulacji napięć dla poszczególnych rdzeni. Poprzednia generacja Renoir charakteryzowała się systemem, w którym każdy rdzeń mógł mieć oddzielną częstotliwość, oszczędzając energię, jednocześnie jednak wszystkie rdzenie były na jednej i tej samej płaszczyźnie napięcia. Oznacza to, że jeśli dany rdzeń był bezczynny, gdy pozostałe były mocno obciążone, wszystkie rdzenie (a więc nawet ten bezczynny w teorii) pracowały przy tym maksymalnym napięciu. Brakowało zatem większej kontroli w samej kwestii napięć dla każdego rdzenia z osobna. Te element został także poprawiony we wszystkich procesorach AMD Ryzen 5000, należących zarówno do rodziny Cezanne jak i Lucienne (co pokazuje, że pomimo tych samych rdzeni Zen 2 co w Renoir, dokonano kilku istotnych zmian względem poprzedników, przyczyniając się do dalszego wzrostu wydajności oraz poprawy efektywności energetycznej). Od teraz mobilne procesory AMD Ryzen będą odznaczać się większą kontrolą napięcia na poziomie poszczególnych rdzeni.

Poniższy materiał firmy AMD bardzo dobrze ukazuje tę zmianę. W przypadku procesorów AMD Ryzen 4000, pomimo różnego taktowania poszczególnych rdzeni, ich napięcie zawsze było takie same. W przypadku procesorów AMD Ryzen 5000, napięcie jest już ściśle uzależnione od taktowania poszczególnych rdzeni oraz układu graficznego. W ten sposób niektóre rdzenie mogą jeszcze bardziej oszczędzać energię, będąc w stanie spoczynku lub względnego spoczynku. W ten sposób w dalszym ciągu poprawiamy efektywność energetyczną i wydłużamy czas pracy na zasilaniu akumulatorowym. Funkcją, która ma odpowiadać za dynamiczne zmienianie napięć na poszczególnych rdzeniach będzie CPPC - Collaborative Processor Performance Control.

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• następna ›
• ostatnia »