Предварительный обзор архитектуры AMD Polaris

В конце 2015 года AMD и Radeon Technologies Group провели перфоманс, несколько нетипичный для технокорпораций. Они пригласили к себе журналистов, вручили им суровое соглашение о неразглашении и рассказали о всех своих планах на будущий год. Обычно всё, что происходит на таких мероприятиях, там и остаётся, однако в этот раз AMD всех удивила: рассказывать о будущих продуктах журналистам разрешено до их официального выхода на рынок. Конечно, были определены некоторые временные рамки в 2015 и 2016, которых следует придерживаться при публикации чего бы то ни было, но главное то, что теперь официально разрешено рассказывать о новых крутых вещах. Например, одним из самых интересных моментов пресс-конференции стало подробное описание архитектурыбудущего графического процессора AMD под кодовым названием Polaris.

Архитектура Polaris для AMD — огромный шаг вперёд, но при этом её будут сопровождать и новинки от Radeon Technologies. К примеру, GPUOpen предоставит разработчикам дополнительные возможности для оптимизации игр под ПК и повышения качества визуальных эффектов на всех платформах. Также нас ждёт масса дисплей-ориентированных технологий, например, HDR-панелей и систем FreeSync для HDMI и DisplayPort 1.3. Radeon Technologies также планирует выкатить единую комплексную систему (надеемся, что регулярного) обновления драйверов и ПО через Radeon Software Suite.

Всё это (и кое-что ещё) должно подготовить почву для успешного релиза Polaris. Как можно видеть, в эту архитектуру и сопровождающие её технологии вложены немалые деньги. Но не помешает рассказать о ней поподробнее.

В этом году Polaris должна стать ориентиром для геймеров, ищущих флагманские продукты AMD, и основной альтернативой конкурирующей микроархитектуры Pascal, которую представит NVIDIA.

Впрочем, поначалу Polaris будет ориентирован, скорее, на продажу большими объёмами, нежели на выход на передовую индустрии. Это позволит успешнее конкурировать в тех сегментах рынка, где Radeon сможет занять больше прибыльного места под солнцем. Если конкретизировать, то речь идёт о ПК среднего уровня, моноблоках, ноутбуках даже некоторых будущих консолях. Другими словами, всё, что не связанос оборудованием для энтузиастов и хардкорщиков. Первые ядра на архитектуре Polaris будут выпущены к середине 2016 года, а более продвинутые продукты на её основе для high-end компьютеров — только в 3 и 4 кварталах.

У AMD есть веская причина для столь размытыхсроков выпуска новых продуктов. С одной стороны, это позволит Radeon относительно быстро вернуться на рынок продуктов с низким энергопотреблением, на котором продолжительное время компанию преследуют неудачи. С другой, AMD планирует использовать новую для неё 14-нм технологию FinFET. Так что компании потребуется некоторое время, чтобы довести Polaris до совершенства, определить ограничения архитектуры и максимально повысить её производительность. Выпуская менее производительный массовый продукт, AMD сможет избежать рисков. Это также позволит оптимизировать интеграцию Polaris в новые APU.

Пока что информации об архитектуре Polaris относительно немного, но до официального релиза в середине 2016 AMD обещает предоставитьдополнительнымисведения.Ну а мы пока расскажем то, что уже известно нам.

FinFET

На самом деле, AMD была неточна в указании технологии производства, говоря о Polaris. В одних пресс-релизах фигурировала 14-нм технология, в других — 16-нм. Так или иначе, до сих пор много споров ведётся о 28-нм технологии, всё ещё используемой в производстве многих GPU и APU AMD. Это эффективная технология, которую принято считать лучшим выбором на текущий момент. Однако производители полупроводниковых приборов создают всё новые архитектуры, разработка которых в конечном счёте быстро упирается в технологические ограничения. В частности, инженерам приходится применять разные методы снижения энергопотребления устройств, например, через частотный гейтинг или управление рабочим напряжением, так что за последние несколько лет 28-нм технология неплохо послужила индустрии в плане развития феномена микроархитектуры в целом.

Однако для повышения производительности продуктов инженерам приходится постоянно увеличивать количество транзисторов на единицу площади ядра, при этом стараясь сохранить прежние показатели энергопотребления и постоянно работать над оптимизацией. И хотя установить на плату огромное ядро с несчитанным количеством транзисторов не так уж и сложно, современный рынок и потребители всегда ожидают, что продукт будет не только производительным, но и энергоэффективным. Именно поэтому так важен переход на FinFET и так называемые трёхзатворные или tri-gate транзисторы.

Начиная с года своего появления в 2000 году, FinFET применялась уже не раз. Например, её использовала Intel в 22-нм микроархитектуре IvyBridge, затем доработав и применив в 14-нм Skylake. Кстати, её ждёт будущее и в готовящейся к выходу 10-нм Cannonlake. Samsung, GlobalFoundries и TSMC также адаптируют FinFET, создавая собственные её версии для оптимизации производительности своих ядер. Что касается AMD, то, как уже говорилось, пока точно неизвестно, будет ли применена в Polaris 14-нм или 16-нм технология.

Не хочется вдаваться в лишние технические подробности, поэтому мы лишь дадим грубое описание сути FinFET. Технология предполагает, что транзисторы и соответствующие затворы возвышаются над поверхностью ядра, а не лежат в её плоскости. В обратном случае затрудняется контроль течения тока с управляющего электрода в соответствующий несущий канал, что отрицательным образом сказывается на эффективности кристалла. FinFET же позволяет установить затвор над поверхностью, а затем обернуть его вокруг истока и стока. Это не только вдвое упрощает контроль над затвором, но и гарантирует оптимальное течение тока.

Говоря проще, архитектуры на базе FinFET более эффективны, более компактны и существенно повышают межпроцессорное взаимодействие. Применяя вышесказанное к Polaris, можно сказать, что 14\16-нм процесс позволит выжать из архитектуры больше, при этом значительно снизив утечку по сравнению с 28-нм продуктами.

Впрочем, есть и обратная сторона: AMD придётся преодолеть ряд трудностей, прежде чем компания сможет выпустить своё первое 14-нм ядро на основе FinFET. Если судить по тому, насколько задерживаются релизы 14-нм и 16-нм продуктов на большинстве полупроводниковых производств, освоение FinFET ещё далеко от своего завершения, что может негативным образом повлиять на скорость работы первых продуктов на её основе. AMD, впрочем, сообщает, что производительность новых образцов Polaris увеличивается, и в целом тестовое производство идёт по плану, однако для его завершения компании всё ещё требуется несколько месяцев. Теперь, наверное, всем понятно, почему первыми продуктами на базе Polaris будут весьма простые решения и почему их релиз не запланирован ранее середины лета.

Размещение большого числа транзисторов в малом пространстве через уменьшение размера компонентов всегда несло с собой ограничения, скажем так, горячего толка. Говоря простым языком, компоненты концентрируют всё тепло на очень небольшой площади. А это означает, что система охлаждения и всё, что лежит между ядром и собственным радиатором, должно быть чрезвычайно эффективным с точки зрения теплопередачи, чтобы не допустить перегрева. Intel, например, уже столкнулась с этой проблемой, разрабатывая Ivy Bridge. Эти процессоры оказались довольно горячими, особенно после разгона. AMD же заявляет, что смогла найти выход, оптимизировав саму архитектуру Polaris и способ, которым ядра будут обмениваться с термоинтерфейсом, таким образом решив проблему изнутри.

Вышеуказанные решения были приняты с целью сделать Polaris как можно более энергоэффективным, чтобы дать инженерам больше пространства для манёвра при дальнейшем совершенствовании архитектуры. Немалую роль в достижении этой цели сыграют аналогичные достижения, полученные при работе с 28-нм технологией. В конечном итоге мы можем получить продукты, обладающие тем же уровнем тепловыделения, что и 28-нм, но при этом гораздо более производительные.

В теории FinFET обещает большое количество преимуществ и минимальное число недостатков по сравнению с предыдущими технологиями производства: от энергопотребления до количества ядер, которые можно уместить на подложку одной и той же площади. С точки зрения наращивания производительности FinFET в течение нескольких лет будет оставаться технологией с самым большим потенциалом. Но чего ожидать не стоит, так это существенного снижения энергопотребления. Производители будут пытаться удерживать тепловыделение в разумных рамках, но при этом постоянно будут повышать производительность. Другими словами, тепловыделение каждого нового чипа будет в пределах 200-250 Вт, но скорость работы каждого нового продукта AMD будет повышаться до бесконечности.

Архитектура AMD Polaris и производительность

На самом деле, Polaris — это обновлённая архитектура ядра, основанная на архитектуре AMD Graphics Core Next. Но обновлённая капитально. В эту версию GCN внесено столько изменений, что, её даже не получится сравнить с прошлой версией, которая дебютировала на видеокартах серии HD 7000 (Southern Islands). Как и другие разработки на базе CGN, Polaris использует тот же макет ядра, но использует собственный набор оптимизационных средств в дополнение к встроенным в продукцию серий Sea Islands (Bonaire/Hawaii) и Volcanic Islands (Tonga/Hawaii).

Как и предыдущие архитектуры, Polaris будет выпущена с новыми улучшениями, которые AMD сочтёт нужными добавить, чтобы будущие продукты были способны выдерживать нагрузки нового поколения. Прежде всего, это работа с графикой в разрешении 4K, дисплеями новых форматов и виртуальная реальностью. И будет ли архитектура названа GCN 1.3 или GCN 2.0, на данном этапе совершенно неважно. Для Radeon Technologies Group сейчас важно, чтобы мы знали, как будут называться новые продукты и как они повлияют на игровую индустрию будущего.

И хотя компания всё ещё не рассказала, что является тем самым, самым главным преимуществом Polaris, мы знаем, над какими сторонами GCN AMD тщательно работает, а что оставляет без изменений.

Базовая схема архитектуры GCN имеет массу достоинств, и её основные элементы не менялись на протяжении нескольких лет — с момента её запуска. Неважно, для каких целей используется железо, макет ядра и разводка остаются неизменными, как, в целом, неизменны и актуальные задачи, которые ставятся перед новым поколением графических адаптеров. Новые API, впрочем, будут включать и новые возможности, например, DX12 и Vulkan. AMD сможет воспользоваться ими, если внесёт соответствующие изменения в архитектуру. При этом продукты AMD совершенно ничего не потеряют в плане работы со старыми приложениями.

Изменения касаются более тонких вещей. Так, например, в компанию аппаратного планировщика, командного процессора и асинхронных вычислительных движков добавят так называемый primitive discard accelerator и ещё один планировщик, которые будут работать в паре. Будут улучшены алгоритмы предварительной выборки инструкций и оптимизирована работа с шейдерами и сжатием данных. AMD также обещает усовершенствовать алгоритмы отбрасывания невидимых полигонов. В совокупности последние два решения позволят увеличитьпроизводительность видеопамяти и уменьшить необходимость в больших её объёмах, тем самым удешевляя продукцию.

Надо ли говорить, что вся эта работа делается для успешного выхода на рынок UHD-графики? Архитектура Polaris получит нативную поддержку HDMI 2.0a и DisplayPort 1.3, чего так не хватало её предшественице, и будет способна работать с контентом в 4K с частотой до 60 кадров в секунду. Среди приятных бонусов — встроенные решения для работы с форматом видеосжатия h.265, разумеется, также с поддержкой 4K.

Ну а чтобы не быть голословной, AMD провела тест-драйв предварительной версии своей новой архитектуры в сравнении с продукцией NVIDIA. В тесте, где использовался GeForce GTX 950, адаптер на базе Polaris показал идентичную производительность, но заметно более низкое энергопотребление. И стоит заметить, что тестировалось самое раннее оборудование с неоптимизированными, сырыми драйверами.

Подводя итог, хочется сказать, что всей этой информации недостаточно, чтобы здесь и сейчас сложить полноценное мнение о готовящейся архитектуре. Тем не менее, этого достаточно, чтобы понять: нам точно стоит дождаться выхода новой архитектуры и посмотреть, на что она будет способна.