Czym Richland różni się od Trinity?
Jak wspomnieliśmy, krzem jest niemal ten sam. Większość zmian dotyczy zarządzania taktowaniem i zużyciem energii.
Gdzie dwóch się bije...
...o budżet energetyczny, tam jest potrzebny naprawdę dobry arbiter. APU Trinity i Richland mają dwa szczególnie głodne energii komponenty: rdzenie x86 i układ graficzny. W laptopach taki układ ma ograniczoną ilość energii do dyspozycji, nie może też wydzielać zbyt dużo ciepła, bo możliwości systemu chłodzenia są ograniczone. W Trinity specjalny mikrokontroler w procesorze czuwał nad tym, żeby moc trafiła tam gdzie trzeba. Gdy była potrzebna wyższa wydajność układu graficznego, to on dostawał większą część budżetu energetycznego do rozdysponowania, a rdzenie x86 nie mogły pracować z najszybszym taktowaniem – i na odwrót. Decyzja, która część układu ma dostać więcej mocy, była podejmowana w bardzo prosty sposób: mikrokontroler zliczał instrukcje napływające do CPU i GPU i ta część, która była zajęta dłużej, dostawała priorytet.
| Obciążony CPU | Równe obciążenie | Obciążony GPU | |||
| Kliknij, aby przełączyć. Wzniesienie oznacza wyższą temperaturę; bliżej Czytelnika znajduje się GPU, dalej – CPU | |||||
To proste rozwiązanie, ale nie zawsze skuteczne: w niektórych zastosowaniach oddanie większej części energii GPU powoduje, że CPU nie może pracować dość szybko i nie nadąża „karmić” tego drugiego danymi. Powstaje wąskie gardło, które można by zlikwidować, stosując bardziej płynne sterowanie mocą i taktowaniem.
To właśnie zaimplementowano w Richlandzie. Kontroler mocy i taktowania nie tylko sprawdza, który układ jest bardziej zajęty, monitoruje też komunikację między dwoma częściami APU i próbuje wykrywać przypadki, gdy wydajność jednej ogranicza drugą. Dzięki temu w sytuacjach, gdy obciążony jest i CPU, i GPU, Richland powinien mniej czasu spędzać w którymś z dwóch skrajnych stanów z ilustracji powyżej, a więcej w jednym z pośrednich.
Więcej stanów energetycznych CPU
Następnym krokiem w kierunku oszczędzania energii jest zwiększona liczba P-stanów, czyli kombinacji napięcia zasilania i taktowania, między którymi procesor przełącza się w zależności od obciążenia. AMD na podstawie testów twierdzi, że Trinity miało P-stany niedopasowane do wielu scenariuszy użytkowania. To znaczy, że zdarzały się sytuacje, gdy jeden P-stan zapewniał wydajność większą, niż była konieczna do danego zadania (i zużywał zbyt wiele energii, niż to było potrzebne), a następny, niższy P-stan był bardziej energooszczędny, ale nie zapewniał wymaganej wydajności. W takich przypadkach procesor oscylował między jednym a drugim stanem. Pamiętajmy, że zanim procesor zmieni taktowanie, musi poczekać, aż układ zasilania na płycie głównej poda nowe napięcie. Zatem każde przejście do niższego stanu powoduje, że układ zasilania z opóźnieniem obniża napięcie, a przy przejściu do wyższego stanu procesor czeka z przyspieszeniem na układ zasilania. Żeby uniknąć tych marnotrawiących zasoby przełączeń, w Richlandzie wprowadzono dodatkowe stany energetyczne o parametrach pośrednich między P-stanami Trinity. To usprawnienie to dobry przykład na to, że procesory w fazie projektowania dostosowuje się do programów, które będą uruchamiane z ich użyciem.
Nowe Turbo
Tryby Turbo, przyspieszające taktowanie, gdy warunki cieplne i energetyczne na to pozwalają, również przeszły wygładzanie zmarszczek. Przypomnijmy, że do tej pory Turbo w procesorach AMD było systemem całkowicie deterministycznym. Taktowanie (a co za tym idzie – wydajność) było dobierane wyłącznie na podstawie warunków wewnętrznych. Liczniki w różnych częściach APU badały, jak wiele cykli konkretny podsystem spędza na obliczeniach, a jak długo odpoczywa. Na podstawie danych o zajętości każdej jednostki i zaprogramowanych fabrycznie parametrów elektrycznych tych jednostek mikrokontroler przewidywał ilość ciepła, jaką wydzieli cały układ. Działanie trybu Turbo zależało tylko od uruchomionego oprogramowania.
Takie podejście, choć przewidywalne i łatwe do przetestowania, nie pozwala wykorzystać całego potencjału układów chłodzenia. Fabrycznie zaprogramowane algorytmy muszą być dość zachowawcze, żeby zapewnić prawidłowe działanie w najgorszym możliwym przypadku. O ile system chłodzenia laptopa nie jest zupełnie niewydolny, można przyspieszać taktowanie dużo częściej, niż to sugerują zachowawcze wyliczenia. Dlatego kontroler zasilania i taktowania w Richlandzie bierze pod uwagę temperaturę. Wykorzystuje odczyty z kilkunastu czujników wbudowanych w krzemową strukturę układu w ocenie, czy można skorzystać z okazji i przyspieszyć taktowanie, czy lepiej polegać na ostrożnych wyliczeniach stosowanych w Trinity. To oznacza, że w najgorszym razie (słabe chłodzenie laptopa) Turbo powinno działać tak jak w Trinity, a w każdym innym – załączać się znacznie częściej.
I co to daje?
Skutki wprowadzenia wymienionych usprawnień w niektórych przypadkach są imponujące:
Energooszczędność w spoczynku i podczas przeglądania stron internetowych nieco się poprawiła, ale największy zysk zaobserwowano w trakcie odtwarzania filmów: czas działania na zasilaniu akumulatorowym może być o jedną trzecią dłuższy.
Nowy sposób działania Turbo w połączeniu z dojrzałym procesem produkcyjnym też dał widoczne efekty: APU Richland mają fabryczne częstotliwości taktowania do kilkuset megaherców wyższe niż Trinity.
Zauważmy, że w Richlandzie inżynierowie mieli do dyspozycji te same techniki co w Trinity, w końcu to to samo krzemowe jądro. Wbudowane czujniki temperatury, programowalny kontroler zasilania i taktowania, P-stany – te wszystkie narzędzia znalazły się już w poprzedniej generacji APU. Po prostu dodatkowy czas na rygorystyczne testy, których wymagają producenci laptopów i systemów operacyjnych, oraz doświadczenie z niedostatkami platformy Trinity pozwoliły lepiej wykorzystać te narzędzia.