Подробности об архитектуре Zen 3 в мобильных процессорах AMD Ryzen 5000: улучшенное кэширование и повышенная энергоэффективность

Как вы помните, после выхода настольных процессоров с архитектурой Zen 2 у AMD ушел целый год на выпуск их мобильных собратьев Renoir. Они очень хорошо показали себя на фоне чипов Intel Comet Lake U- и H-серии, превосходя тех по многоядерной производительности, но в то же время несколько отставали по одноядерной. Кроме того, в прошлом году даже самые продвинутые и дорогие ноутбуки на AMD Renoir были ограничены видеокартой Nvidia GeForce RTX 2060 - более мощные ускорители производители так и не завезли.

Однако, в новом 2021 году все совершенно иначе.

На этот раз AMD представила мобильные процессоры Ryzen 5000 Cezanne с архитектурой Zen 3 через считанные месяцы после анонса настольных Zen 3 Vermeer. Кроме того, практически сразу же были анонсированы многочисленные модели ноутбуков с новыми процессорами AMD и топовыми видеокартами Nvidia, включая мобильную RTX 3080. Отличные новости! 

Мобильные процессоры Ryzen 5000 с архитектурой Zen 3 производятся по 7-нм процессу: площадь кристалла у новых чипов составляет 180 мм², а количество транзисторов - 10.7 миллиардов. Ранее AMD не сообщала конкретики, но теперь наконец раскрыла все подробности об архитектуре и улучшениях, которые она несет - мы решили собрать все самое важное и интересное в этой статье.

Предыдущие мобильные процессоры AMD Ryzen 4000 Renoir были разделены на несколько серий: U, H, и HS. Чипы U-серии были предназначены для использования в тонких и легких ноутбуках, а H-серия была нацелена на модели для геймеров и разработчиков цифрового контента. Чипы серии HS имели TDP на уровне 35 Вт и предназначались для создания ноутбуков с наилучшим балансом производительности и мобильности.

С выходом новых процессоров Ryzen 5000 Cezanne, AMD ввела дополнительную серию HX с TDP превышающим 45 Вт и поддержкой разгона - предназначаются эти чипы для высокопроизводительных ноутбуков, что так ценятся компьютерными энтузиастами и оверклокерами.

Среди чипов U-серии остались модели на предыдущей архитектуре Zen 2, но теперь они имеют поддержку SMT, способны работать на более высокой частоте и поддерживают управление питанием CPPC (Collaborative Processor Performance Control), что ранее было доступно только для настольных моделей.

По данным AMD, новый Ryzen 3 5300U превосходит по многоядерной производительности Core i7-1165G7, а все чипы H-серии превосходят настольный Ryzen Threadripper 1900X в Cinebench R20.

Одной из причин столь скорого выхода новых мобильных процессоров AMD после настольных стала топология - у Zen 3 Cezanne и Renoir она одинаковая. Большинство архитектурных изменений сводится к улучшению кэширования, снижению задержек, а также оптимизации энергопотребления чипа во всех режимах работы.

В Zen 3 модуль предсказателя переходов работает с большей пропускной способностью, за счет чего снижается задержка при обработке ветвлений.

Производителю также удалось снизить задержку при выполнении операций с плавающей запятой (а также целочисленных операций), а также улучшить параллелизм на уровне команд (ILP, количество одновременно выполняемых в программе команд). 

Как и в настольных процессорах с архитектурой Zen 3, мобильные чипы получили удвоенный объем кэш-памяти L3 и один CCX-модуль вместо двух у предшественников. Объем кэш-памяти L3 теперь составляет 16 МБ и у всех 8 ядер процессора есть к ней прямой доступ. За счет такого изменения удалось снизить задержки при обращении к ядрам и кэш-памяти - по идее, за счет этого должна возрасти производительность в играх.

В AMD утверждают, что начали разработку мобильных процессоров Zen 3 еще во времена работы над Zen 2. В итоге, у Renoir и Cezanne одинаковая топология SoC (то есть, всей однокристальной системы), за счет чего производителям ноутбуков и других устройств будет легко адаптировать материнские платы под мобильные чипы Zen 3 (распиновка посадочного места под процессор не отличается). Судя по всему, именно благодаря этому решению AMD удалось выпустить мобильные Ryzen 5000 менее чем через год после выхода Ryzen 4000 Renoir.

То, что ранее заняло у производителя один год, ныне удалось сделать за три месяца. И все же, несмотря на неизменную топологию всего чипа, Zen 3 обеспечивает более высокие рабочие частоты и улучшенное управление питанием.

Снижение задержек при обращении к ядрам и кэш-памяти вкупе с более высокими рабочими частотами позволило повысить одноядерную производительность и, как следствие, производительность в играх. В тех играх, которые больше всего упираются в производительность одного ядра (иными словами, не оптимизированы под многопоточность) будет также прирост производительности за счет большего объема кэш-памяти L3.

В архитектуре Zen 3 также реализованы новые технологии безопасности GMET, UMIP и CET.

Если верить AMD, то все вышеуказанные улучшения привели к 23% улучшению одноядерной и 17% улучшению многоядерной производительности мобильных процессоров Zen 3 в сравнении с предшественниками Zen 2.

Мобильные процессоры Cezanne получили поддержку оперативной памяти LPDDR4X, которая при повышенной энергоэффективности имеет на 33% более высокую пропускную способность в сравнении с DDR4. Новый контроллер памяти теперь способен переходить в состояние глубокого сна, а также имеет поддержку как новой LPDDR4X, так и существующей DDR4.

Система питания памяти теперь включает регулятор напряжения с малым падением напряжения (LDO), который обеспечивает меньший нагрев в работе и более быстрое переключение между режимами работы.

Согласно AMD, мобильные процессоры Zen 3 поддерживают:

• двухканальную память DDR4 с частотой 3200 МГц
• двухканальную память LPDDR4X с частотой 4266 МГц 

В процессорах Cezanne используется та же встроенная графика Vega, что и в Renoir. Тем не менее, частота видеоядра возросла на 350 МГц, а энергоэффективность улучшилась. Согласно AMD, в бенчмарке 3DMark Time Spy новая Vega 8 в процессоре Ryzen 7 5800U на 15% производительнее, чем ее предшественница в Ryzen 7 4800U .

AMD также продемонстрировала сравнение производительности между Ryzen 7 4800U, Ryzen 7 5800U и Core i7-1165G7 в некоторых играх (1080p, низкие настройки). Судя по слайдам, в DOTA 2 и Valorant процессоры Cezanne обеспечивают ощутимый прирост.

Улучшенная энергоэффективность - ключевое изменение в Cezanne: AMD удалось снизить энергопотребление процессоров во всех состояниях и режимах работы.

Если верить AMD, просто заменив процессор Ryzen 4000 U-серии на новый Ryzen 5000 U-серии и не внося никаких дополнительных изменений, можно продлить время автономной работы на 2 часа. Время работы в спящем режиме теперь на 20 часов больше.

Как говорят в AMD, в Ryzen 5000 были урезаны все возможные милливольты, чтобы обеспечить дополнительный запас по температуре, снизить потребление и улучшить производительность. Поддержка нового режима работы со сверхмалым питанием у контроллера ОЗУ также сыграла роль в снижении общего энергопотребления чипа.

Настольные процессоры AMD используют технологию Collaborative Processor Performance Control (CPPC), которая позволяет процессору самостоятельно строить оптимальную кривую частоты/напряжения. Процессор может изменять ее динамически в течении 1-2 мс без помощи планировщика в операционной системе (тот аналогичные действия выполняет каждые 30 мс).

У мобильных процессоров Renoir напряжение ядер процессора и встроенной графики жестко были выставлены в соотношении 1:1 вне зависимости от нагрузки. В случае Cezanne, напряжение каждого процессорного ядра может изменятся индивидуально в зависимости от частоты. Вместе с появившейся поддержкой CPPC это позволяет процессору гораздо быстрее переходить в состояние с меньшим потреблением при исчезновении нагрузки.

В AMD говорят, что требуют оптимизировать энергопотребление даже у аудио-тракта и других компонентов (мультиконтроллер, преобразователи напряжения и т.д.) - компания будет стимулировать производителей ноутбуков использовать более энергоэффективные аудио-контроллеры.