La seconda generazione della piattaforma AMD A-Series

Giugno 2011 - AMD mostra per la prima volta al Fusion Developer Summit un portatile equipaggiato con un sample perfettamente funzionante di APU "Trinity", nome in codice che contraddistingue la seconda generazione di chip del produttore americano che integrano in un unico blocco di silicio CPU e GPU, destinata a prendere il posto di "Llano". Aprile 2012 - AMD conferma l'inizio della distribuzione delle APU A-series basate su architettura "Trinity" ai partner OEM. 15 Maggio 2012 (oggi) - debuttano ufficialmente le versioni di APU "Trinity" indirizzate ai sistemi notebook.

Sono stati necessari più di nove mesi alla casa di Sunnyvale per portare sul mercato un prodotto la cui realizzazione era stata praticamente completata a metà dello scorso anno, con la fase di validation per le test board  ultimata addirittura prima di quella per le CPU Ivy Bridge della rivale Intel.

Il motivo è sempre lo stesso: AMD è stata costretta ad attendere una buona fornitura di chip da parte di GlobalFoundries per poter avviare la distribuzione ai propri partner. Già perchè Trinity condivide con Llano lo stesso processo produttivo a 32nm SOI/HKMG delegato alla fonderia californiana. In questo caso l'attesa non è stata lunga come quella di Llano ma comunque non ha permesso ad AMD di rispettare la roadmap mostrata all'AFDS 11, la quale indicava come periodo di lancio il primo trimestre del 2012.

L'architettura Trinity è un'evoluzione di Llano con sostanziali novità sul fronte CPU e iGPU che hanno permesso di raddoppiare il rapporto performace/watt, operazione non semplice considerando la tecnologia produttiva comune. AMD c'è riuscita mandando in pensione la vecchia micro-architettura "Stars" alla base dei core della CPU integrata in Llano in favore della nuova architettura a moduli "Piledriver" (revisione 2.0 di Bulldozer) e cambiando il design delle ALU della iGPU da VLIW5 a VLIW4. A queste due novità se ne affiancano altre che riguardano la comunicazione tra i vari blocchi (northbridge unificato) ed un nuovo IMC per memorie DDR3. La gestione dinamica delle frequenze di clock è affidata alla terza generazione della tecnologia Turbo Core, che questa volta opera anche sulla iGPU.

Trinity è stato aggiornato ai nuovi standard di I/O (DisplayPort 1.2) ed è la prima APU a supporta la tecnologia multi-monitor Eyefinity. Inoltre integra una componente hardware dedicata all'accelerazione e conversione di flussi video.

Nella versione per notebook l'APU Trinity si presenta in vari modelli con TDP da 17W a 35W, affiancate da diverse tecnologie di risparmio energetico per aumentare l'autonomia della batetria. Quelle con i consumi più bassi (17W) hanno un package BGA (sono prive dei classici piendini e dell'IHS) e sono principalmente destinate ai nuovi sistemi portatili della famiglia Ultrathins, la risposta diretta di AMD agli Ultrabooks di Intel. 

A proposito della realizzazione di sistemi ultra-portatili, come Intel anche AMD fornisce linee guida che parlano di uno spessore massimo di 18mm (Intel lo indica per i modelli con schermo inferiore ai 14 pollici).

Nella giornata di oggi i modelli annunciati da AMD includono:

• A10-4600M: 2 moduli Piledriver (4 core), 2,3GHz (Turbo fino a 3,2GHz), 4MB cache L2, Radeon HD 7660G, TDP di 35W
• A8-4500M: 2 moduli Piledriver (4 core), 1,9GHz (Turbo fino a 2,8GHz), 4MB cache L2, Radeon HD 7640G, TDP di 35W
• A6-4400M: 1 modulo Piledriver (2 core), 2,7GHz (Turbo fino a 3,2GHz), 1MB cache L2, Radeon HD 7520G, TDP di 35W
• A10-4655M: 2 moduli Piledriver (4 core), 2,0GHz (Turbo fino a 2,8GHz), 4MB cache L2, Radeon HD 7620G, TDP di 25W
• A10-4455M: 1 modulo Piledriver (2 core), 2,1GHz (Turbo fino a 2,6GHz), 2MB cache L2, Radeon HD 7500G, TDP di 25W

L'architettura di Trinity

Le nuove APU A-Series per notebook sono disponibili in configurazioni che variano per TDP, da 17W, 25W e 35W (le versioni desktop continuano ad avere un TDP di 65W o 100W come per Llano) con due o quattro core x86 “Piledriver” a 32nm i quali derivano la loro architettura dai core “Bulldozer” utilizzati da AMD per le CPU di fascia più alta della serie FX. Nello stesso die il produttore ha integrato una GPU della serie Radeon HD 7000 con supporto per le API DirectX 11 e, immancabilmente, un controller delle memorie, un controller PCI Express ed il Northbridge.

Le frequenze di funzionamento dei componenti interni alla APU sono regolate mediante la tecnologia AMD Turbo Core 3.0 che, nel rispetto del TDP e in base alle richieste dell'applicazione attiva, incrementa o diminuisce ora quelle dei core x86, ora quelle della iGPU.

Il memory controller di Trinity supporta moduli DDR3-1600 comprese le DIMM low power da 1,25V. Qui occorre fare una distinzione con le versioni desktop che, come per la prima generazione di APU Llano, supporteranno memorie DDR3-1866.

La piattaforma Trinity, per poter funzionare, ha bisogno solo di un Fusion Controller Hub (FCH), compiti in questo caso gestiti dall'A70M.

L'architettura del core Piledriver, vista ad alto livello, non differisce molto da quella di Bulldozer dalla quale deriva ma rispetto ad essa prevede diverse ottimizzazioni che la rendono più veloce e più efficiente.

Come per Bulldozer, invece di due core completamente indipendenti ognuno dotato di risorse dedicate, un modulo Piledriver comprende due core x86 che condividono parte delle risorse, in particolare la FPU, la cache L2 e le unità per il recupero e la decodifica delle istruzioni (instruction retirement, registri di load/store).

Alle due ALU indipendenti, dotate ognuna della propria cache L1 dati, del proprio scheduler e delle proprie unità di calcolo, è affiancata una singola unità per i calcoli Floating Point che può gestire le istruzioni di uno dei due thread alla volta, condividendo la cache dati delle due ALU. L'ottimizzazione raggiunta in termini di occupazione di spazio e di banda dati dovrebbe ampiamente ripagare lo scotto prestazionale che comunque bisogna pagare quando si condividono delle risorse hardware.

Rispetto a Bulldozer, AMD ha apportato delle ottimizzazioni al front end utilizzando un design più aggressivo. Lo stesso concetto è stato applicato alla logica flip-flop per garantire una sensibile riduzione dei consumi.

AMD afferma che altri miglioramenti sono stati apportati alle unità di calcolo floating point ed integer, a quelle di branch prediction e prefetch. Il blocco di branch prediction include una nuova unità che tiene conto della storia e lavora in parallelo con l'unità già presente in Bulldozer (e sulla quale ha priorità), mentre il blocco di prefetch di Piledriver segna i dati di prefetch non usati come quelli meno recenti al contrario di Bulldozer, evitando che vengano ricaricati inutilmente.

In Piledriver sono state poi aggiunte le nuove istruzioni FMA3 (in Bulldozer era stato integrato il supporto per le FMA4) ed F16C, in aggiunta a quelle AVX, AVX 1.1 ed AES, per allinearsi all'ISA di Haswell.

Anche di fronte ad un cambio di architettura per le APU, AMD non ha ancora deciso di integrare alcuna cache L3 condivisa fra core x86 e iGPU. La decisione risiede probabilmente nel fatto che con l'attuale tecnologia di processo i benefici prestazionali che se ne avrebbero non andrebbero a bilanciare l'aumento dei consumi e delle dimemsioni del die. In aggiunta, stante l'architettura attuale, una cache L3 siffatta porterebbe più benefici al core grafico integrato - ove AMD è già molto forte - che alla CPU stessa.

Certo è che senza un cambio della tecnologia produttiva AMD non è che poteva fare tanto altro. E in effetti, se compariamo Trinity con Llano guardando al numero di transistor (e area del die) e alle prestazioni raggiunte da CPU e GPU possiamo tranquillamente affermare che le ottimizzazioni ci sono e sono anche molto importanti. Il die è cresciuto meno del 10% mentre le prestazioni della CPU sono superiori di oltre il 20% e quelle della GPU di oltre il 50%. E questo raggiungendo anche consumi inferiori, almeno per quel che concerne le versioni mobile di Trinity.

A contribuire al miglioramento dell'efficienza è anche la tecnologia Turbo Core 3.0 che cerca di bilanciare le prestazioni vs. il TDP di CPU e GPU in maniera completamente dinamica (usando un algoritmo basato sulla trasformata veloce per il calcolo del modello termico che, secondo AMD, restituisce una stima con errore massimo dell'1%). Il Turbo Core di Llano (per i modelli che lo prevedono) è applicato solo ai core x86 mentre la iGPU non va mai oltre la frequenza massima prevista. Nelle APU Trinity, invece, se i core della CPU sono sottoutilizzati, il TDP non sfruttato può andare a beneficio della GPU che così può funzionare ad una frequenza superiore a quella nominale massima.

La GPU integrata riveste ancora una volta il ruolo principale nelle APU AMD ed occupa quasi la metà dell'intero die di Trinity. Supporta le DirectX11, le funzioni di tesselation ed è compatibile con le ultime tecniche di filtraggio (MLAA, FXAA)

Dal punto di vista del design di base si tratta di una GPU che deriva dall'architettura Cayman (ALU di tipo VLIW4) introdotta un anno e mezzo fa da AMD sulle schede video discrete Radeon HD 6900-series. Ovviamente è stata enormemente depotenziata in termini di SPs, TMUs e ROPs ed ha visto sul front-end la rimozione del dual-graphic engine in favore di un'unità singola per i calcoli geometrici e e sul back-end il taglio dell'MC.

Rispetto alla iGPU "Sumo" presente in Llano il numero di Stream Processors scende da 400 a 384 organizzati in 6 SIMDs e non più 5, ma si tratta di un confronto numerico che non ha senso perchè le ALU di Trinity possono lavorare contemporaneamente in maniera più efficiente (sarebbe come paragonare i 1600 SPs di Cypress con i 1536 di Cayman).

La GPU lavora in simbiosi con la tecnologia Turbo Core 3.0 che aumenta la frequenza di clock fino a 686MHz e supporta la funzione "dual-graphic" per essere abbinata alle soluzioni discrete basate sui core "Thames" e "Seymour".

Come per le CPU Intel Sandy Bridge ed Ivy Bridge, Trinity include un modulo di accelerazione per la codifica e la decodifica video HD indicato come AMD HD Media Accelerator.

Al suo interno è presente il tradizionale blocco UVD3 per il supporto alla decodifica video ed il nuovo componente VCE (Video Codec Engine) per la codifica derivato dall'architettura GCN (Graphics Core Next).