Обзор архитектуры AMD Trinity: игровая видеокарта в процессоре

Повод для пристального внимания сегодня один – выход на рынок новой архитектуры процессоров AMD Fusion – Trinity, созданной в рамках концепции APU (Accelerated Processor Unit).

Архитектура Trinity создана компанией AMD в качестве замены архитектуры Llano в рамках программы производства процессоров Fusion. От предшественницы эта архитектура отличается использованием новых ядер – графического и вычислительного, большей производительностью и снижением нижнего порога тепловыделения. Если не всё написанное выше вам стало понятно сразу или если вам не хватает какой-то конкретики – продолжим.

Универсальные процессоры AMD Fusion - главный козырь в борьбе с конкурентом

К сожалению (а может – к счастью), статьи о процессорах очень напоминают уроки геометрии в школе, где пропуск одного занятия или одна невыученная теорема может поставить крест на всём дальнейшем понимании материала. Поэтому мы заранее приносим части читателей свои извинения за массированные (но необходимые) отступления и вставки с рассказами об «истории вопроса».

Шаги к интеграции ядер

Иногда бывает невозможно понять – что привело к появлению того или иного явления: стечение обстоятельств или реальный запрос ситуации. Так было с интегрированными видеокартами: то ли они появились как ответ на веление времени, то ли потому – что кому-то не хватило места на рынке…

Вторая версия рисует нам такую картину: в конце 1990-х годов крупнейший производитель процессоров для персональных компьютеров Intel решил осваивать рынок видеокарт. Тогда этот рынок (благодаря развитию 3D-графики) входил в фазу бурного роста. Пробным камнем Intel стал чип Intel i740, который быстро показал, что столпу процессорной разработки не по силам тягаться с главными производителями видеокарт (ATi и nVidia).

Графический чип Intel i740 - неловкий родоначальник интегрированной графики

Низкая производительность Intel 740 при ускорении 3D-графики, однако, не помешала Intel найти применение своему детищу. Слегка модернизированный чип, получивший название Intel i752, стал графической составляющей чипсета для материнских плат Intel i810 Chipset. Выпущенный в середине 1999 года, этот чипсет и стал первой попыткой интеграции графической части с остальной вычислительной платформой. Отметим, что слабость чипа-прародителя (Intel i752) на долгие годы наметила вектор развития интегрированной графики как чего-то, включаемого в систему по остаточному принципу. По принципу «лишь бы было».

Тем не менее, интеграция графики находит среди пользователей не мгновенный, но живой отклик: к 2006 году более 60% настольных систем построены на основе материнских плат со встроенным графическим ядром. В том же 2006 году компания AMD покупает ATi.

В 2010 году технологические возможности Intel оказываются достаточны, а запросы рынка – очевидны для того, чтобы компания начала выпуск варианта графического ядра (Intel HD Graphics), интегрированного в конструкцию чипа центрального процессора. Впервые это произошло с выпуском процессоров Pentium G и Core i на архитектуре Clarkdale. Впрочем, несмотря на новое местоположение , встроенный графический ускоритель был по-прежнему потомком всё того же Intel i752. И (с учётом смены технологических эпох) обладал похожей вычислительной мощностью.

Козырь графики в процессорной игре

Просчёт Intel со скоростными характеристиками интегрированной графики в компании AMD решено было отыграть в свою пользу. Не секрет, что AMD прочно занимает место догоняющего, на протяжении уже двух с лишним десятилетий ловящего любые ошибки более удачливого конкурента. Такая стратегия медленно, но верно приносит свои плоды: доля процессоров AMD на рынке постепенно повышается, сейчас достигая 19% на рынке мобильных решений и 43% - на рынке настольных систем.

Соотношение количества процессоров AMD и Intel в мире

Во второй половине 2000-х аналитики AMD увидели реальный шанс для своей компании сделать очередной рывок в преодолении разницы позиций с конкурентом. Этот шанс складывался из нескольких факторов. Во-первых, уже упомянутая покупка компании ATi. Во-вторых, перекройка рынка персональных компьютеров, по итогам которой на первый план выходили мобильные решения (в первую очередь – ноутбуки). Наконец, в-третьих, вычислительная мощность процессоров постепенно становилась избыточной для основных пользовательских задач – как следствие актуальными становились иные качества (цена, тепловыделение, энергопотребление…). Общим ответом AMD на сложившуюся благоприятную ситуацию стала разработка концепции универсальных процессоров Fusion («слияние» - англ.), практическая реализация которой произошла лишь в 2011 году.

Общая идея процессоров AMD Fusion – универсальное устройство с графическим и вычислительным блоками на одном кристалле. Сюда же приложены северный мост и контроллер памяти. Всё довольно схоже с новыми процессорами Intel, но есть и различия.

APU - CPU+(GP)GPU

Главное из них – та самая универсальность, за которую AMD назвал своё детище «слиянием». Благодаря поддержке интерфейса OpenCL 1.1, графические ядра процессоров Fusion способны (наравне с обсчётом геометрии, текстурированием и прочими задачами визуализации) участвовать в расчётах общего характера, снимая часть нагрузки с центральных ядер.

Кроме того, AMD переработала привычную схему поведения интегрированного графического ядра при наличии в системе дискретной видеокарты. Если процессоры Intel просто переключаются на более производительное (дискретное) решение, то процессоры AMD Fusion способны распараллеливать визуализацию на оба графических чипа: встроенный и установленный в виде карты.

Наконец, новые процессоры AMD боролись с аналогами от Intel и в традиционных показателях: цене, мощности, тепловыделении, надёжности, электропотреблении…

Дебют Fusion

Ещё на момент запуска линейка универсальных процессоров AMD Fusion задумывалась как долговременная инициатива, покрывающая сразу несколько рынков: настольных систем, мобильных и ультрамобильных. Естественно, столь сложная и многоплановая задача потребовала соответствующего оформления в виде названий платформ, архитектур, конкретных процессоров…

Процессоры Fusion должны проникнуть на все платформы

Первое поколение APU Fusion решено было создавать для трёх платформ: настольной, мобильной и ультрамобильной (как часть её – мобильной бюджетной). Названия для первого поколения платформ выбраны такие: Lynx – настольная линейка процессоров, Sabine – мобильная, Brazos – ультрамобильная. Для настольной и мобильной линий был создан процессор с архитектурой Llano, включавшей в себя центральное ядро Stars (модернизированное ядро процессора AMD Phenom II) и графическое ядро на базе Radeon HD 63xx-65xx. В качестве коммерческих названий для процессоров архитектуры Llano использовалась заимствованная у компании Audi номенклатура вида «AMD Ax-3xх0»: модели A4 относились к нижнему уровню, модели A6 – к среднему, а модели A8 – к топовым образцам линейки. Кроме того, к архитектуре Llano относился и сверхбюджетный процессор E2-3200.

Самый быстрый и красивый - A8-38xx

Ультрамобильная платформа Brazos включала в себя три линейки процессоров: «быстрые» Zacate (коммерческая номенклатура вида AMD E-xx0), «бюджетные» Ontario (AMD C-x0) и «потребляющие минимум энергии» Desna (процессор AMD Z-01). Все они использовали центральное вычислительное ядро Bobcat (новая разработка AMD) и графическое ядро на базе Radeon 62x0-63x0.

Соотношение линеек APU Fusion (Llano) и Intel Core i (Sandy Bridge) глазами AMD

Первое поколение универсальных процессоров Fusion появилось на рынке в 2011 году, напрямую конкурируя с процессорами Intel Core i, использующими архитектуру Sandy Bridge. По итогам этой конкуренции можно сказать, что решения AMD традиционно оказались дешевле, более быстры интегрированной графикой и менее «прожорливы» и «горячи», чем аналоги от Intel. Последние, однако, обгоняли мобильную и настольную линейки A4-A8 в ресурсоёмких задачах, нагружающих центральные ядра. Тем не менее, новые APU оказались весьма популярны как у сборщиков настольных систем, так и у производителей ноутбуков – за год доля AMD на рынке x86-совместимых процессоров увеличилась на 1,2%, а доля Intel – упала на 1%. Закрепить успех AMD решила вводом в производство второго поколения архитектуры APU.

Trinity – первая архитектура второго поколения

Первым шагом введения в бой новой архитектуры стало появление мобильных решений Trinity. Этот вариант архитектуры должен заменить топовые процессоры Llano с номенклатурными названиями AMD A8-3xx0 и A6-3xx0. Кроме того, архитектура Trinity расширяет номенклатуру, вводя в обиход процессоры с маркетинговой маркировкой AMD A10.

Улучшения и новшества платформы Trinity

Конструкция процессоров, которую диктует архитектура Trinity, состоит из вычислительного ядра Piledriver и графического ядра Radeon HD 74x0G-76x0G. Piledriver – это второе поколение микроархитектуры Bulldozer, пришедших на замену пожилой микроархитектуре K10 (Stars).

Llano и Trinity

Процессорная архитектура Bulldozer – это давно вынашиваемое, очень ожидаемое детище AMD. В ней инженеры компании использовали концепцию «модульности», пришедшую на смену классической многоядерности. Каждый модуль процессоров Bulldozer (соответственно – и Piledriver) состоит из двух блоков целочисленных операций. При этом блок вычислений с плавающей точкой, блок предварительной выборки и кэш второго уровня в модуле лишь один. Потеря функциональности модуля по сравнению с полноценной двхъядерной конструкцией компенсируется почти вполовину меньшим количеством транзисторов – и (как следствие) меньшей площадью кристалла, меньшей ценой и более высоким порогом допустимых тактовых частот.

Перспективы развития микроагхитектуры Bulldozer. Пока всё идет по плану

При этом, инженеры AMD пообещали ежегодно проводить ревизию микроархитектуры Bulldozer, увеличивая вычислительную мощность на 15% в каждом новом поколении. Таким образом, Ядро Piledriver, используемое в архитектуре Trinity, в теории на 15% мощнее оригинального Bulldozer.

Схема архитектуры Trinity

Блок интегрированной графики архитектуры Trinity использует технологии сразу двух поколений видеокарт Radeon. Графические процессоры второго поколения APU Fusion построены на основе архитектуры Northern Islands, а часть, отвечающая за вывод картинки, использует архитектуру Southern Islands. Именно использование трёх микроархитектур: Piledriver, Northern Islands и Southern Islands позволило инженерам AMD назвать архитектуру, сменившую Llano, Trinity («троица» - англ.).

Процессоры: от A4 до А10

15 мая 2012 года компания AMD представила на рынке процессоры серии APU Fusion с архитектурой Trinity, принадлежащие к мобильной платформе Comal (наследник Sabine). Всего было представлено 6 процессоров, 4 из которых относились к «стандартной версии энергопотребления» (сокет FS1), а 2 – к экономичной (сокет FP2). Все процессоры созданы на основе 32-нанометровой технологии (как и процессоры с архитектурой Llano), состоят из 1303 миллионов транзисторов, которые расположены на кремниевом чипе площадью 243 квадратных миллиметра. Термопакет новых процессоров, в зависимости от их вычислительной мощности и принадлежности к стандартной или экономичной версии, варьируется от 17 до 35 ватт.

Ниже мы приводим сводную таблицу коммерческих названий и характеристик APU Fusion с архитектурой Trinity, выпущенных 15 мая 2012.

Тесты

Переходя к практическому исследованию новых процессоров с архитектурой Trinity, мы должны ответить на следующие вопросы...

• Во-первых, насколько увеличилось быстродействие в сравнении с процессорами архитектуры Llano?
• Во-вторых, насколько конкурентной осталась интегрированная в новые APU графика в сравнении с аналогом Intel HD Graphics 4000, представленном в процессорах архитектуры Ivy Bridge?
• В-третьих, как выглядят APU Fusion с архитектурой Trinity на фоне процессоров Intel Core i с архитектурой Ivy Bridge?
•  Наконец, в-четвёртых, насколько удачными с рыночной точки зрения будут конечные решения (ноутбуки и ультрабуки), построенные на основе процессоров с архитектурой Trinity?

Соотношение линеек APU Fusion (Trinity) и Intel Core i (Ivy Bridge) глазами AMD

Для сравнения процессоров архитектур Llano и Trinity мы выбрали две пары: модели A8-4500M и A8-3530MX – как схожие по частоте и количеству ядер, а также A10-4600M и A8-3550MX – как флагманские варианты. По итогам тестов, процессор на архитектуре Trinity из первой пары обошёл предшественника на 49-63% (в зависимости от теста), а процессор из второй пары – на 60-88%.

Поскольку в процессорах Fusion архитектуры Trinity представлено несколько разновидностей графических ядер, мы выбрали два варианта: наислабейший HD 7420G (A4-4300M) и сильнейший HD 7660G (A10-4600M). По итогам тестов, HD 7660G был быстрее Intel HD Graphics 4000 на 10-16%. А вот HD 7420G проиграл Intel HD Graphics 4000 около 23%.

Мобильные процессоры Fusion на архитектуре Trinity - снова удачный выбор

Для сравнения архитектур Trinity и Ivy Bridge (Intel) мы выбрали флагмана AMD A10-4600M и наиболее близкого к нему по частотам и количеству ядер Intel Core i7-3610QM. Как gjrfpfkb тесты, превосходство процессора Intel оказывается на уровне 60%. Аналогом же AMD A10-4600M из мобильных процессоров архитектуры Ivy Bridge можно считать двухъядерный Intel Core i7-3520M.

Наконец, говоря о рыночных перспективах мобильных решений с процессорами Fusion на архитектуре Trinity, мы можем констатировать, что компания как минимум сохранила статус-кво по отношению ко временам противостояния Llano и Intel Sandy Bridge: по-прежнему ноутбуки с процессорами AMD быстрее в графике, несколько медленнее в неоптимизированных под OpenCL приложениях, практически равноценны в энергопотреблении и на четверть дешевле Intel-аналогов.