Nuove APU AMD Kaveri: core Steamroller e GPU GCN

Con cadenza pressoché annuale AMD aggiorna, da alcuni anni a questa parte, le proprie architetture di processori destinate al segmento di fascia media del mercato. Si tratta di soluzioni molto importanti per l'azienda americana in quanto rappresentano la maggior parte dei sistemi commercializzati tanto per il segmento desktop come per quello mobile. I tempi nei quali AMD era presente nel settore delle soluzioni desktop top di gamma sono ormai superati: le soluzioni discrete della famiglia FX attualmente in commercio sono destinate a restare tali nel corso del 2014 e del 2015, di fatto confermando l'interesse dell'azienda di abbandonare questo segmento di mercato importante per il marketing ma ridotto per quanto riguarda i volumi di vendita.

Eccoci quindi al debutto delle APU Kaveri, quella che possiamo considerare a tutti gli effetti la terza generazione di APU della famiglia AMD. Di Kaveri si è discusso negli ultimi mesi in differenti occasioni in quanto è stata la stessa AMD a divulgare alcune delle caratteristiche tecniche alla base di questo prodotto. Si tratta della prima APU di AMD a integrare pieno supporto all'HSA, acronimo di Heterogeneous System Architecture, unendo CPU e GPU con un approccio che è per gli sviluppatori di software di fatto la via preferenziale per sfruttare al meglio entrambe le tipologie di engine di elaborazione.

Questo implica la presenza di 3 nuovi elementi rispetto a quanto visto con le soluzioni Trinity e Richland, le due APU di AMD di seconda generazione. Il primo è la componente CPU che adotta ora core basati su architettura Steamroller. Il secondo è la GPU che è basata su architettura Graphics Core Next con un design che è quello adottato da AMD per le soluzioni GPU discrete della famiglia Hawaii. Il terzo è un approccio con memoria unificato e con indipendenza tra CPU e GPU, nel senso che per lo sviluppatore di software entrambe le risorse sono disponibili contemporaneamente e possono accedere in modo indipendente una dall'altra alle risorse di sistema e soprattutto alla memoria unificata.

Altra importante novità di Kaveri riguarda il processo produttivo, precedentemente con Trinity e Richland del tipo a 32 nanometri. Per Kaveri la scelta è caduta su quello SHP a 28 nanometri proposto da GlobalFoundries, sviluppato in modo da ottimizzare la produzione anche tenendo conto delle peculiarità di costruzione proprie della componente GPU. In passato le APU di AMD sono sempre state costruite con un processo produttivo ottimizzato per le specifiche esigenze di costruzione e resa in termini di frequenza di clock della APU, esigenze che sono differenti rispetto a quelle alle quali si va incontro nella costruzione di una GPU. Per Kaveri la scelta è stata quella di privilegiare quest'ultimo componente, sacrificando parte della frequenza di clock massima ottenibile con i TDP più elevati e bilanciando questo con il superiore IPC proprio dei core Steamroller. Questo spiega anche per quale motivo le APU Kaveri proposte quest'oggi abbiano frequenze di clock, tanto di default come Turbo, che sono leggermente inferiori a quelle delle corrispondenti APU basate su architettura Richland.

La superficie complessiva del die di una APU Kaveri è pari a 245 millimetri quadrati, con un totale di circa 2,41 miliardi di transistor che compongono il chip. In termini di TDP Kaveri ha un range dai 95 Watt delle soluzioni desktop ai 15 Watt delle soluzioni notebook di più ridotte dimensioni, passando ai 35 Watt delle soluzioni mobile più potenti e delle soluzioni destinate a sistemi server. Per ottenere la migliore gestione del risparmio energetico AMD è intervenuta in Kaveri con una più efficiente logica di gestione delle risorse hardware tra CPU e GPU, mirante ad ottimizzare le prestazioni contenendo al massimo il consumo complessivo.

In Kaveri troviamo sino ad un massimo di 12 Compute Core: 4 dalla componente CPU e 8 da quella GPU. Per la parte CPU AMD ha utilizzato core Steamrollers, con i quali sono state introdotte le seguenti innovazioni:

• i-cache incrementate del 50% sino a 96 Kbytes;
• branches buffer incrementato;
• scheduler incrementato da 40 a 48 entries;
• 2 schedules indipendenti;
• possibilità di issue 2 stores allo stesso tempo.

L'architettura alla base continua a rimanere di fatto invariata ma grazie alle modifiche introdotte nei core Steamroller è stato ottenuto un incremento dell'IPC che di picco raggiunge il 20%, e che in media si mantiene su un +10% rispetto alla precedente generazione con un set di operazioni molto ampio.

Per la componente GPU il cambiamento in Kaveri è radicale: passiamo dall'approccio VLIW-4 utilizzato in Trinity e Richland ad un'architettura Graphics Core Next identica a quella delle GPU della famiglia Hawaii. La tecnologia specifica per la componente GPU di Kaveri è rappresentata dall'integrazione di coherent shared unified memory indispensabile per l'approccio proprio delle APU, le quali utilizzano assieme alla CPU la memoria di sistema in modo condiviso.L'aver utilizzato architettura Hawaii per questa APU ha permesso di integrare sino a 8 ACE, Asyncronous Compute Engines, che operano in modo indipendente tra di loro e si rivelano fondamentali per assicurare elevate prestazioni nell'ambito di GPU Computing.