AMD Ryzen Mobile 4000 Tech Day:有備而來!Ryzen Mobile 4000 系列行動處理器電源管理深度解析

AMD Zen 2 微架構追上 Intel Coffee Lake 微架構效能表現,市占率逐漸上升,但對於行動市場而言,效能並不是唯一關心要件。AMD 於 Ryzen Mobile Tech Day 大幅度展示代號 Renoir 處理器的電源管理與電力效率特點,直指過去很難染指的 x86 行動市場。

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對於 AMD 粉絲或是期待 x86 處理器市場能有些變化的玩家,「重返榮耀」這檔事逐漸透過 Zen、Zen+、Zen 2 微架構超車競爭對手,不僅是在消費性桌上型電腦市場逐漸收復失土,更因企業級 EPYC 處理器所帶來的單槽、雙槽等級核心運算密度,瓜分到這塊油到出汁的市場,VMware 更因為第二代 EPYC 處理器單槽最高可以提供實體 64 核心,從今年 4 月 2 號開始,單槽處理器若有 32 核心以上,需再購買 1 份 CPU 授權。

在這些成功故事旁邊,AMD 自家其實還有個 x86 處理器市場有待攻克--行動市場。試想 Athlon 64/Opteron 那個榮耀的年代,AMD 於行動市場推出 Turion 64,而主要競爭對手還處於 32 位元階段,但最終結果不是 64 位元輸了,而是 Intel 能源效率贏了,表明桌上型市場的策略成功,不能在行動市場如法炮製。(當然,Intel 在行動市場推出比桌上型更好的微架構,也是當年造成此狀況的主因之一,還導致 MoDT(Mobile on DeskTop)的小流行。)

AMD 整合繪圖顯示的處理器歷史大事紀。

AMD 處理器於行動市場續航力偏弱,這種情形一直延續至 APU 工程機具系列都沒有改變,直到採用 Zen 微架構的 Ryzen 行動版處理器上市,才感受到急起直追的能源效率比值,但仍舊差了那麼一丁點。AMD 今年 2 月下半於美國舉辦 Ryzen Mobile Tech Day,會中除了強調 Ryzen 4000 Mobile 效能改進幅度,更多的是說明這款代號 Renoir 處理器的電源管理,官方續航力數據甚至比目前 Intel 第十代 Core 行動版處理器還好,就讓我們來看看這突飛猛進的能源效率是如何做到的?

AMD 為了強調 Ryzen Mobile 4000 系列在能源效率管理的用心,Ryzen Mobile Tech Day 當天展示間直接搬來開發測試平台,一旁白色堆疊在一起的機器,即為多路功率監測器。(註:展示間無法拍照,此為 AMD 提供的官方照片。)

加強電源狀態偵測與選擇策略

正式進入代號 Renoir,Ryzen Mobile 4000 系列行動處理器之前,AMD 替大家先上了一小段處理器如何節省電力消耗的科普課程。當然,如果各位讀者曾經玩過 Linux-like 作業系統的 CPU governor 設定,其實已經具備相關的知識,可以跳過這一段說明。

整台電腦的電源管理,其實不僅僅牽扯到處理器自身,而是整個平台的軟、硬體相互合作,加上使用者對於效能高低的偏好,依據當下工作負載量選擇運作狀態。譬如筆電目前電力來源為變壓器或是內部電池、使用者喜好偏向效能或是偏向續航力、作業系統未來的工作排程、BIOS/UEFI/驅動程式所揭示的硬體電源狀態……等,都是最後統合決定需要因素之一。

一台電腦的電源狀態,並非處理器說了算,而是考量到許多因素所做的決定。

在一堆節省電力消耗的做法之中,AMD 首先談到了最基礎的硬體動態頻率調整,這個大眾比較容易理解的做法。晶片運作時脈越高效能越高,消耗的電量也會隨之上升;晶片運作時脈越低效能越低,但消耗電量也會隨之降低。

目前絕大多數的高性能處理器均導入動態頻率選擇功能,若是目前各處理單元的使用率較高,硬體就採行更高的頻率運作,反之亦然。當然,調高或是調低頻率的使用率界限閥值,可以寫死在硬體或是軟體之中,亦可交由作業系統或是使用者自行修改。

動態頻率選擇是能源管理當中容易被大眾所接受的觀念,時脈高、耗電量高,時脈低、耗電量低,時脈高低調整透過監控使用率達成。

由硬體本身往上加 1 層 BIOS/UEFI/驅動程式,這層可以往上告知作業系統,該硬體支援何種電源狀態(Cx、Sx……)、目前使用市電電力或是電池電力、該系統所支援的最大電力供應數值以及散熱系統最大解熱能力……等。

硬體和作業系統之間夾著 1 層 BIOS/UEFI/驅動程式,可以向作業系統提供該硬體所支援的各項電源狀態。

再往上 1 層就屬作業系統所管轄的範圍,由於作業系統手握行程、執行緒工作排序,某種程度能夠預測未來工作負載量或大或小,進而向硬體下達「你可以睡死一點,需要時我再叫你」,或是「你可以小睡一會兒,等等還有事情要做」等不同程度的電源狀態指示。

較高的電源狀態僅可節省些許能源消耗,但回復至一般工作狀態也比較快,更深層的電源狀態能夠節省許多電力,但就像父母叫小孩起床一樣,三催四請延遲較長,也需要花費較大的嗓門能量。Renoir 處理器在此提供較新的 ACPI 狀態,支援 Cstate1~Cstate3,作業系統能夠根據未來可能的工作負載量,請 Renoir 睡死一點或是小睡一下,在效能與能源之間取得平衡點。

代號 Renoir 處理器,提供新款 APCI 支援 Cstate1~Cstate3,各狀態之間可進入的最深電源狀態深淺不一,讓作業系統可以根據未來一段時間的預估工作負載量,告知硬體該如何省電。

電腦終究是替人類完成工作的一項工具,因此也得考慮到使用者的偏好,譬如 Windows 作業系統具備的電源計畫,以及使用者可以自行選擇偏好效能或是偏好續航力的滑桿,都可以調整硬體節省能源消耗的積極程度。

電腦為人類服務,因此使用者可以依據自身的喜好,決定電腦省電的程度。

那麼 Renoir 該怎麼做,才可以提供更好的能源效率呢?Ryzen Mobile 4000 系列行動處理器採用 TSMC 7nm 製程製造,更小的電晶體需要更少的電力,亦提供更快、更精確的頻率選擇決策,以及降低於不同電源狀態進入、移出的延遲,最後的結果就是能夠長時間待在低電源狀態。

Ryzen Mobile 4000 系列行動處理器頻率選擇更快、更精準,並可以工作移給較具能源效率的部分負責執行,不同電源狀態的轉換延遲也更少。

AMD 以 PCMark 10 App Start 測試項目作為例子,Ryzen Mobile 4000 相較前一世代,處在低電源狀態的時間變多了,大約可以節省 59% 電力消耗。

AMD 提供 Ryzen Mobile 4000 系列續航力數據,透過實際工作內容負載乘上該工作比例而來,而非過往使用單一測試軟體,例如生產力與網頁瀏覽工作約占每人電腦使用時間 33%,因此透過 PCMark 10 Application Test 所測得的續航力時間僅佔據 33%,最後結合各種不同工作負載至 100%,獲得最後的續航力時間。

AMD 透過單一負載的實際使用占比,得出 Ryzen Mobile 4000 系列續航力數據,例如 3DMark Time Spy 測試代表遊戲應用狀況,但統計數據顯示每人每天玩遊戲時間僅佔據電腦使用時間的 6%,因此透過 Time Spy 所獲得的續航力僅占最終的 6%。

AMD 使用搭載 Ryzen 7 4800U 的 Lenovo Yoga Slim 7 筆記型電腦作為代表,競爭對手則是採用 Core i7-1065G7 的 Dell XPS 13,透過不同負載所測得的續航力時間。(註:由於 2 台筆電所搭載的電池容量不同,最右邊一欄為 Dell XPS 13 正規化至相同 60.7Wh 的時數。)

由上方結果可以稍微看出 Ryzen Mobile 4000 系列的能源效率特性,當處理器達到較高負載、最低電源狀態時,可能還無法向 Intel 看齊,但若遇到綜合使用方式或是與顯示、繪圖、影片相關工作,則可追上競爭對手,因此最後結果甚至還小贏一些。

SmartShift

Ryzen Mobile 4000 系列另外一項有趣的特點,在於搭配自家 Navi 系列行動版顯示卡時,CPU 與 GPU 可以共享 TDP 餘裕。導入這款技術的出發點,在於許多較輕薄的筆記型電腦散熱系統都無法負荷處理器、獨立顯示卡同時將負載開到最大的狀況,也就是目前玩家口中的「雙燒」;若要完全排解 CPU 和 GPU 重負載時的廢熱,又會使得機身尺寸變大。

AMD 引進 SmartShift 之後,CPU 和 GPU 可以共享筆記型電腦的散熱系統 TDP 限制,根據 CPU 或是 GPU 的使用率狀況,自由挪動 TDP 餘裕給 CPU 或是 GPU,不必因為輕薄筆電散熱系統限制,同時壓低處理器與獨立顯示卡的效能表現。

輕薄型筆電的散熱系統通常解熱能力不高,若是放入處理器和獨立顯示卡,則需壓低雙方的功耗設定。SmartShift 讓 TDP 功耗限制以動態方式分配給 Ryzen 處理器或是 Radeon 顯示卡,不必寫死 TDP 數值降低任何一方的效能。

「其它廠牌的獨立顯示卡,也能享有 SmartShift 所帶來的好處嗎?」AMD 更深一層解釋此功能運作原理,可以澄清各位的疑惑。SmartShift 其實是透過 Infinity Fabric 內部 Control Logic 進行調整,將 CPU、GPU 視為同一個 TDP 功耗範圍區,TDP 數值可以在處理器或是獨立顯示卡之間彈性調配。

由於 NVIDIA 或是即將到來的 Intel 陣營顯示卡不具備 Infinity Fabric,因此也就不支援 SmartShift 功能,需要採行目前各自限制處理器 TDP 或是獨立顯示卡 TDP 的作法,否則就是加強筆電散熱系統能力。

SmartShift 控制訊號傳輸需透過 Infinity Fabric 的 Scalable Control Fabric,目前無法相容其它廠商的獨立顯示卡。

STT V2 讓 Turbo 時間變長

良好的管理除了能夠帶給行動平台更長的續航力,在需要大量運算效能之際,也能夠打入 1 劑強心針。譬如當處理器溫度不高、電源供應能力也無虞的時候,面對突然的工作負載量,將會觸發處理器運作時脈短暫超頻機制,以最大運算能量把工作做完,即可再回到低電源狀態待機;將時間軸拉長來看,短時間自動超頻並不對續航力或是散熱系統形成壓力,反而增加了電腦與使用者互動的良好體驗。

Renoir 內嵌許多溫度與功耗管理、決策機制,例如 DPTC 允許電腦運作途中,因外在因素變化(市電、電池、溫度、使用者偏好)調整 SoC 功耗控制,APML 負責傳輸匯流排,STAPM 則控制一段時間內自動超頻的功耗表現不超過天花板限制。

透過 STT(System Tempeture Tracking) V2,Renoir 能夠從外部溫度感應器,得知筆電其它區域的溫度(其中 1 個感應器會擺在筆電鍵盤附近),在不超過系統製造商設定的數值之下(可透過 Embeded Controller 取得相關資訊),將自動超頻時間拉得更長。

原本的短時間自動超頻(圖中 STAPM 部分),加入 STT V2 可獲得外部感應器溫度數值,在不超過系統製造商所設定的數值,盡可能拉長超頻時間(途中紅色階梯狀部分,因外殼感測溫度逐漸升高而回復至一般運作時脈)。過去此類機制需要安裝運算功能較強的 Embeded Controller,零件單價比較高,Renoir 內建此功能降低製造成本。

STT V2 也能夠透過第三個感應器,納入獨立顯示卡溫度資訊,與 SmartShift 共同提供更好的自動超頻控制。

Ryzen Mobile 4000 系列行動處理器說了這麼多的資訊,是驢是馬總要拉出來溜一溜,可惜受到肺炎疫情的影響,世界工廠沒有辦法即時生產足夠數量的筆電,各位讀者只能夠再等一等,看看 Ryzen Mobile 4000 系列行動處理器能否撼動 Intel 於 x86 行動市場的地位,也為 AMD 開拓一個新的戰場。

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