AMD präsentiert Excavator und Carrizo auf der ISSCC 2015
Stromspartechniken
Nicht nur der Prozessorkern profitierte von AMDs GPU-Expertise. Die CPU-Ingenieure schauten sich auch die GPU an und konnten dort durch einen besseren Mix von leistungsstärkeren und verlustleistungsärmeren Transistoren Einsparungen erzielen. Dadurch kann man AMD zufolge entweder die GPU 10 % schneller betreiben oder sich einfach mit 20 % Verbrauchsersparnis begnügen:
Dabei wurden im obigen linken Diagramm bei Carrizo die orangefarbenen Punkte Kaveris durch die blauen ersetzt. Je tiefer man auf der “universal curve” geht, desto sparsamer werden die Transistoren. Wie man sieht, hat AMD also bei der GPU einerseits 32,7 % besonders sparsame Transistoren eingesetzt, andererseits 34,9 % relativ schnelle mit regulärer Schwellspannung (RVT) und somit hohem Stromverbrauch. Das Gros der Transistoren des Vorgängers liegt dazwischen (nur 7,9 % Transistoren darüber), unter dem Strich kommt auf diese Weise dennoch eine Stromersparnis oder eine höhere erzielbare Taktfrequenz zustande. Diese ermöglicht es Carrizo — im Gegensatz zu Kaveri —, auch bei den Low-Power-Modellen ab/unter 15 W TDP alle acht GPU-Recheneinheiten in Betrieb zu halten. Bei Kaveri mussten aus dem Grunde des Verbrauchs in diesem TDP-Rahmen noch zwei Einheiten deaktiviert werden. Sowohl der CPU- als auch der GPU-Teil wurden also sparsamer. Man könnte daher meinen, dass es das nun war, aber das Aufgezählte allein reicht noch nicht für die angekündigten 40 % Verbrauchsersparnis.
Eine weitere Neuerung sind die “adaptiven Spannungen”. Dabei wird Spannung im Nanosekundenbereich überwacht und bei starken Spannungseinbrüchen, die in einem weitverzweigten Liefernetzwerk immer vorkommen können, die Taktfrequenz für eine (sehr) kurze Zeit herabgesetzt. Anstatt also die Kernspannung sicherheitshalber konstant auf überhöhtem Niveau zu halten, sodass sie auch während sehr kurzer Spannungseinbrüche über der unteren Grenze des Erforderlichen liegt, setzt man die Kernspannung auf einen niedrigeren Durchschnittswert und nimmt dafür bei kurzen Spannungseinbrüchen einen winzigen Taktfrequenzeinbruch im Nanosekundenbereich in Kauf. Sicherlich ein guter Tausch:
Auf der rechten Seite sieht man die Auswirkung auf CPU und GPU. Da sich beide Einheiten in unterschiedlichen Taktbereichen bewegen, das Diagramm indessen normalisiert ist, dürfte sich AMDs anpassende Spannung v.a. im Taktfrequenzbereich zwischen ein und zwei GHz besonders positiv auswirken. Dort sind Ersparnisse von 10 % bis zu 20 % zu erwarten.
Das war es aber immer noch nicht mit den Stromsparkniffen, einen hat AMD noch auf Lager und dieser heißt selbstanpassende Spannungs- und Taktfrequenzskalierung (AVFS: adaptive voltage and frequency scaling):
Dies zielt darauf ab, aus einem bestimmten Stück Silizium das Maximale herauszuholen. Dazu werden zehn Spannungs- und Taktfrequenzsensoren über den Kern verteilt, die dann eine Rückmeldung über die Möglichkeiten der einzelnen Chipareale und somit des gesamten Chips liefern. Dieser kann dergestalt mit den optimalen Parametern betrieben werden; es wird keine Energie verschwendet, weil man eine zu hohe Kernspannung ansetzt. Damit wird aus einem schlechten Die sicherlich kein Stromsparwunder, vielmehr hilft es eben etwas den Stromdurst zu zügeln. AVFS ermöglicht damit, dass sich jeder Chip selbst kalibriert. Dafür wird eine interne Spannungs‑, Temperatur- und Taktfrequenztabelle angelegt, die von der System Management Unit (SMU, vermutlich der ARM-A5-Kern) überwacht und bei Änderungen der P‑States entsprechend genutzt wird.
Das war es nun mit den Stromspartechniken — zumindest von denen im Betrieb. Optimiert wurde derweil auch der Standbymodus. Neu ist hier der sogenannte S0i3-Zustand. Dieser Modus, der in Hinblick auf den Stromverbrauch mit dem S3-Modus zu vergleichen ist, spart Strom, indem so gut wie alle Chipbereiche ausgeschaltet werden. Das heißt, nicht nur das Taktsignal (clock gated) wird gekappt, sondern auch die Stromzufuhr (power gated). Im Unterschied zum normalen S3-Modus, den man als Benutzer unter Windows explizit anfordern muss, wird der S0i3-Modus jedoch von der Energieverwaltung des Betriebssystems aktiviert. Das heißt, es funktioniert automatisch im Hintergrund wie das übliche Absenken der Taktfrequenz in Idle-Zuständen:
Wie man auf der linken Seite sehen kann, spart man im Vergleich zum Idle-Modus also ein Watt, wobei das System zur sofortigen Weiterarbeit zur Verfügung steht; es muss aus keinem Standymodus booten. Ein Watt klingt zwar nicht nach viel, bei einem Mobilgerät im Batteriebetrieb zählt gleichwohl bekanntlich jedes Milliwatt. Nicht verkehrt ist auch der Komfortvorteil, da man auf das Schließen des Notebooks in kurzen Arbeitspausen verzichten kann.