Постоянная миссия AMD по повышению энергоэффективности ЦП

Продолжающаяся чрезвычайная ситуация с климатом выдвинула на первый план вопросы устойчивости и энергоэффективности. Организациям и отдельным лицам необходимо быть более ответственными в том, как они потребляют товары и услуги.

По своей природе энергоэффективность является ключевой темой для компьютерной отрасли. Серверы, настольные ПК и ноутбуки, насчитывающие сотни миллионов, вносят значительный вклад в потребности в электроэнергии и являются необходимым бременем для расходов на ведение большинства предприятий. Естественно, все, что может быть сделано для сокращения следа использования, рассматривается положительно, и снижение общей стоимости владения является ключевым показателем при оценке того, стоит ли модернизация инфраструктуры в долгосрочной перспективе.

Эта ситуация становится еще более очевидной, поскольку стоимость электроэнергии растет гораздо быстрее инфляции. Ответственные производители оборудования поставили амбициозные цели в разработке энергоэффективных процессоров. Например, AMD «поставила перед собой смелую цель в 2014 году обеспечить как минимум в 25 раз большую энергоэффективность к 2020 году в наших мобильных процессорах, которые объединяют мощные графические и вычислительные ядра в одном чипе». Согласно собственному тестированию, AMD достигла 31,7-кратного улучшения энергоэффективности между этими двумя датами.

По словам AMD, такими цифрами не стоит пренебрегать, поскольку организация с 50 000 сотрудников могла бы сократить потребление энергии на 84 процента, что эквивалентно 1,4 млн киловатт-часов, и вдобавок сэкономить 1000 тонн выбросов углекислого газа.

Хотя сами по себе они впечатляют, цифры такого масштаба не находят отклика у компьютерного энтузиаста, использующего один ПК или ноутбук. Понимание текущей эффективности лучше всего осуществляется путем изучения улучшений производительности на ватт (PPW), которые компании внесли с течением времени для скромного настольного ЦП.

Эффективность за счет проектирования и процесса

Для этих настольных чипов есть два взаимосвязанных фактора: проектирование микропроцессора и производственный процесс. Один обычно предопределяет другой, поскольку проектные группы, как правило, разрабатывают план этажа конкретного чипа с должным знанием того, какой производственный процесс, описанный в нанометровых длинах между транзисторами, должен использоваться.

Меньший нанометровый процесс лучше подходит для размещения большего количества транзисторов – большей производительности, по сути – для данной площади. В свою очередь, меньшие транзисторы требуют меньшего тока для включения/выключения, что означает, что благодаря интеллектуальному проектированию инженеры могут создавать все более сложные, более мощные процессоры без необходимости увеличивать требования к мощности.

В идеальном мире разработчики микросхем объединили бы архитектуру мирового класса с передовым производственным процессом, используя симбиотические преимущества обоих вариантов для значительного увеличения производительности процессора от поколения к поколению.

Применяя теорию на практике, Club386 может оценить, насколько хорошо последние процессоры AMD увеличили показатель PPW, рассматривая текущую производительность в стандартизированном всеядерном бенчмарке. Мы выбрали Cinebench R23 в качестве хорошего прокси-сервера для рендеринга на всех ядрах и запустили его на ряде современных процессоров AMD.

Еще в 2014 году AMD использовала архитектуру Piledriver для создания восьмиядерного, восьмипоточного (8C8T) настольного процессора на 32-нм техпроцессе, который в то время считался передовым. FX-8370 был оснащен номинальным TDP 125 Вт, хотя фактическая мощность процессора составляла 148 Вт. Чип набрал 3524 балла, что привело к показателю на ватт около 24.

Судьба AMD значительно изменилась к лучшему с выпуском процессоров Ryzen на базе Zen в 2017 году. Чемпион Ryzen 7 1800X увеличил производительность в 2,6 раза по сравнению с FX-8370, потребляя при этом на 23 процента меньше энергии. Улучшение косвенно говорит о двойном усилителе архитектуры Zen в сочетании с меньшим, более эффективным 14-нм производственным процессом.

Серия Ryzen 2000 была скорее постепенным обновлением. AMD сохранила топологию 8C16T первого поколения, но улучшила микроархитектуру, перейдя от оригинального Zen к Zen+. Скромный прирост отражается в 10-процентном росте производительности, хотя и ценой нескольких дополнительных ватт. Однако чистая выгода практически равна нулю в метрике «балл на ватт».

Мегаулучшения в 2019 году

AMD отправилась в город производительности на прямом, быстром поезде с серией Ryzen 3000, приняв передовой 7-нм процесс, по сравнению с 12-нм на Zen+ предыдущего поколения. Имея в своем распоряжении гораздо больше кремниевой недвижимости для работы, главный Ryzen 9 3950X удвоил количество ядер и потоков, вплоть до 16C32T, что стало первым на рынке настольных процессоров массового производства. Благодаря улучшенной архитектуре Zen 2 общая производительность выросла более чем в 2 раза, в то время как мощность, благодаря внутренним энергосберегающим качествам 7 нм, осталась примерно той же.

Показатель «на ватт» превзошел предыдущий рекорд более чем на 100 процентов и по сравнению с одним из лучших чипов AMD 2014 года продемонстрировал более чем 8-кратную энергоэффективность.

Новейший высокопроизводительный процессор AMD Ryzen использует архитектуру Zen 3, сохраняя при этом количество ядер и потоков своего прямого предшественника. Ryzen 9 5950X выжимает еще шесть процентов производительности за счет улучшенной архитектуры без увеличения мощности вообще. С 2014 по 2020 год, рассматривая основные процессоры AMD, мы видим улучшение показателя на ватт в 8,7 раза.

Время — деньги

Эти разговоры об улучшениях поколений могут перевести разговор в академический дискурс об архитектуре и процессе. Реальные примеры также показательны. Представьте себе малый бизнес, которому требуется определенный уровень вычислительной мощности всех ядер. Давайте установим его на уровне Ryzen 9 5950X. Бизнесу понадобится как минимум два процессора Ryzen 7 2700X, чтобы соответствовать производительности нового чипа. Оцененная при работе систем по шесть часов в день и 300 дней в году потенциальная экономия энергии составляет более 100 фунтов стерлингов только за 12 месяцев.

Эффективность использования энергии — это один аспект; другой — это время. Теперь рассмотрим проект рендеринга, который занимает около шести часов на Ryzen 7 1800X. Та же задача должна занять не более двух часов на последнем Ryzen 9 5950X, а в отраслях, где время считается деньгами, быстрая доставка может окупиться в короткие сроки.

Ясный путь модернизации для повышения эффективности

Компания AMD поставила перед собой задачу предложить понятный путь модернизации для клиентов, перешедших на ранние технологии, что позволит им выбирать более быстрые и многофункциональные процессоры без необходимости замены базовой материнской платы или памяти.

В 2017 году оригинальный Ryzen, возглавляемый 1800X, был выпущен с поддержкой чипсетов и материнских плат серии 300. Эти платы использовали сокет AM4, впервые принятый архитектурой Excavator последнего поколения, найденной в таких чипах, как AMD Athlon X4 950. Тот же сокет AM4 поддерживал Zen первого поколения, и в зависимости от конкретной платы, также поддерживает Ryzen второго и третьего поколения, вплоть до сегодняшнего производительного Ryzen 9 5950X.

Пятилетний срок службы сокета обеспечивает простой и удобный способ повышения энергоэффективности за счет только модернизации процессора, без необходимости замены базовой материнской платы или памяти.

Выводы

AMD стремится повысить энергоэффективность процессоров из поколения в поколение, внедряя новейшие производственные процессы наряду с существенными улучшениями в архитектуре. Если рассматривать это с точки зрения настольных ПК, то за шестилетний период эффективность возросла в 8 раз.

В эпоху, когда каждый ватт имеет значение с финансовой и экологической точек зрения, важно быть на переднем крае эффективности. AMD проделала хорошую работу по улучшению показателя производительности на ватт за последние полдюжины лет, это очевидно, но, возможно, перед ней стоит более сложная задача по поддержанию той же траектории в будущем.