CPU + GPU = APU: Itä ja länsi yhdessä

Aiempien tietojen perusteella CPU:n ja GPU:n tekniset ominaisuudet eivät juuri eroa AMD:n tämän hetken muista tuotteista. Näiden kahden osa-alueen yhdistäminen yhdelle sirulle tekee kuitenkin Fusion-järjestelmästä ainutlaatuisen kokonaisuuden. AMD:n edustajat painottivatkin jatkuvasti, miten Llanon kehityken haastavin osa-alue oli saada kaikki toimimaan yhteen parhaalla ja mahdollisimman energiatehokkaalla tavalla. Se tarkoittaa käytännössä putkihommien tarkkaa suunnittelua.



Llano koostuu pääosin viidestä erillisestä komponentista, joiden täytyy voida keskustella keskenään: CPU-osio, GPU-osio, northbridge, perinteinen I/O-osio sekä DDR-muistin osio. Prosessorilta northbridgelle menevä väylä ei ole erityisen uusi ja jännittävä, joten tarkastellaan lähemmin uusia ominaisuuksia kuten GPU:lta northbridgelle kulkevia väyliä. Koska GPU:lle on kaksi erillistä käyttöskenaariota, myös väyliä on oltava kaksi.
Ensimmäistä väylää AMD kutsuu Radeon Memory Bus -nimellä. Ei ole mikään salaisuus, että pieni kaistanleveys tarkoittaa myös pientä suorituskykyä, joten GPU ei voi hyödyntää samaa muistiväylää kuin CPU-osio. Radeon Memory Bus on suora väylä GPU:lta northbridgen läpi DDR-muistiin ja se tarjoaa GPU:lle nopean väylän paljon kaistaa vaativia operaatioita varten. AMD:n pääinsinööri Mike Goddard painotti, että tämä väylä on elintärkeä osa, jonka avulla APU:sta saadaan irti erillistä näytönohjainta vastaava teho.

GPU:lla on vielä toinenkin väylä, joka tekee Llanosta todellisen APU:n eikä pelkästään CPU:ta ja GPU:ta samalle sirulle integroituna. Toista väylää kutsutaan Fusion compute linkiksi. I/O-laitteilla on perinteisesti ollut pääsy prosessorin välimuistiin PCIe-väylän avulla. Erillisten näytönohjainten tapauksessa se muodostaa pullonkaulan GPU-laskennan tapauksessa, joten AMD kehitti uuden väylän ja antoi GPU:lle tehokkaamman mahdollisuuden muistin jakamiseen CPU:n kanssa. Fusion compute linkin ansiosta Llano kykenee suorittamaan laskentaa erittäin hyvällä hyötysuhteella.

Virranhallintaominaisuudet

Yksi Llanon kolmesta pääominaisuudesta on "AMD AllDay™ Power". AMD:n mukaan kannettavat tietokoneet ja muut mobiililaittet ovat paras mahdollinen käyttökohde APU-tekniikalle, joten hyvän virranhallinnan kehittämisessä on paljonkin järkeä. Miten se sitten on toteutettu A-sarjassa?

Llano perustuu kahteen pääasialliseen jännitekiskoon: VDD-kiskoon (joka on jaettu kaikkien prosessoriytimien kesken) ja VDDNB-tasoon (joka jaetaan GPU:n, UVD-osion, grafiikkamuistinohjaimen sekä northbridgen välillä).
Aluksi saattaisi kuvitella, että yhden ainoan jännitekiskon jakaminen kaikille ytimille ei ole erityisen kätevä tapa suorittaa virranhallintaa, kun käyttöjärjestelmän pyörittämiseen saattaa riittää yhdenkin ytimen aktiivisuus. Tällä yhdellä virtalähteellä on kuitenkin kaksi eri tilaa: Core C6 (CC6-tila) ja Package C6 (PC6-tila). CC6-tilassa yksittäiset ytimet voidaan poistaa käytöstä, kun taas PC6-tilassa koko kiskon jännitettä voidaan laskea. Näillä vaihtoehdoilla saadaan aikaan tarpeeksi hienojakoinen säätöjärjestelmä, jonka avulla selvitään monista eri tilanteista.

VDDNB-taso on hieman monimutkaisempi kokonaisuus, sillä se hoitaa useamman eri komponentin virransyöttöä. Pelkästään hyötysuhteen näkökulmasta tämä ei ole paras mahdollinen ratkaisu, sillä koko linjan on käytettävä korkeinta yhteistä jännitettä, eli minkä tahansa komponentin vaatimaa korkeinta tasoa kullakin ajanhetkellä. Tähän ratkaisuun päädyttiin kuitenkin siitä syystä, että osien erottelusta olisi aiheutunut valmistuskustannusten kasvu. Nykyisestä rakenteesta johtuen jännitteen ja taajuuden P-tilat vaihtelevat useiden eri muuttujien mukaan: northbridgen P-tilan, GPU:n P-tilan (jota hallitaan yleensä ajureiden avulla, mutta jota voidaan muuttaa myös laitteistosta käsin), PCI Express -väylän nopeuden mukaan (jos väylään on liitetty toisen sukupolven PCIe-laite, se vaatii korkeamman jännitteen) sekä UVD:n kuormituksen mukaan.

Vaikka jännite on jaettu, eri komponentteja voidaan silti sammuttaa tarpeen vaatiessa melko tehokkaasti. GPU-osio voidaan sammuttaa, jos se on käyttämättömänä tietyn säädetyn ajanjakson verran tai jos ajuri havaitsee vähäistä käyttöä. Grafiikkamuistin ohjain saattaa käyttää suuria määriä tehoa, joten sekin voidaan sammuttaa tarvittaessa. Myös UVD-osio voidaan kytkeä pois päältä.

Virtaa säästetään myös näytön kulutusta säätelemällä. Näyttömuistin pakkaus on tietysti käytössä, mutta AMD on parannellut taustavaloa säätelevän komponentin (ABM) toimintaa. Se kykenee analysoimaan näytöllä esitettävää kuvaa ja säätämään näytön kirkkautta esittääkseen kuvan mahdollisimman tarkasti käyttäen mahdollisimman vähän tehoa.

Seuraavissa kuvissa näkyy miten APU:n eri osiot voidaan kytkeä pois päältä: sininen väri merkitsee ympäristön lämpötilaa ja vihreä käytössä olevaa osiota. Kuvissa on vain muutamia esimerkkejä, sillä myös muita komponentteja kuten CPU-ytimiä voidaan ohjata.



Turbo Core

Turbo Core ei ole millään tavalla uusi tekniikka. Se nähtiin ensimmäisen kerran jo niinkin kauan sitten kuin Phenom II X6 -prosessoreiden julkaisun aikaan. Llanon tapauksessa sirun TDP-arvon rajoihin joudutaan kuitenkin mahduttamaan GPU:n ja CPU:n resurssit.

AMD:n Mike Goddard painottaa, että yhtiön käyttämä lähestymistapa on toteutukseltaan ainutlaatuinen, sillä se perustuu pääosin digitaalisiin suorituskykylukemiin pelkkien analogisten lämpötila-arvojen sijaan. APU:n sisäänrakennettu APM-moduuli (Advanced Power Management) mittaa toiminta-aktiivisuutta ja säätää P-tiloja, jotta siru pysyy TDP-arvonsa rajoissa. Tällä tekniikalla pitäisi saavuttaa jatkuvia ja toistuvia hyötyjä suorituskyvyn suhteen verrattuna pelkkään lämpötilojen mittauksiin. Toisaalta haittapuolena voi olla se, että APM saattaa aliarvioida jäljellä olevan lämpövaran määrän eikä käytä sirun koko potentiaalia.



Kun APM päättää, että sirulla on varaa lämmetä enemmän, se käynnistää käyttöjärjestelmälle näkymättömän "P boost" tilan, joka nostaa CPU-puolen kellotaajuuksia. Kannattaa muistaa, että Llanon GPU-puolen kellotaajuuksia ei voida nostaa tehdasasetuksia korkeammalle (niitä voidaan kuitenkin laskea tehonkulutuksen ja lämmöntuoton minimoimiseksi), vaan pelkästään CPU:n kellotaajuutta voidaan nostaa. On myös tärkeää huomata, että GPU:lla on suurempi painoarvo, eli kun graafinen kuormitus lisääntyy, prosessorin mahdollisuudet kellottua Turbo Coren avulla laskevat.

Palapelissä on kuitenkin vielä viimeinen osa. Vaikka lämpötila ei ole P-tilan tärkein määräävä tekijä, se on kuitenkin tärkeä vakaan toiminnan varmistamisen kannalta. On nimittäin olemassa yksi tilanne, jossa Llanon CPU- ja GPU-ytimet voidaan kuormittaa yli sallitun TDP-arvon: OpenCL-laskentasovelluksen kuormituksen tasaus. Koska GPU on tehokkaampi laskutoimituksissa, sen prioriteetti on edelleen korkeammalla, mutta myös CPU pyrkii pysyttelemään suorituskykynsä huipputasolla ja jos lämpötila ylittää sallitun rajan, prosessorin tila putoaa alle P0:n esimerkiksi P1- tai P2-tasolle, jotta lämpötila saadaan laskemaan. AMD:n mukaan tämä on ainut tilanne, jossa Llanon prosessoriytimet toimivat alle nimellisen nopeutensa, mutta sekin siis on mahdollista.



Ikävä kyllä emme pääse testaamaan ominaisuuden tarkempaa toimintaa, sillä tähän mennessä ei ole vielä olemassa sovelluksia, jotka ilmoittaisivat Llanon prosessoriydinten todellisen kellotaajuuden. Jopa AMD:n meille toimittama monitorointiohjelma näyttää virheellisesti kellotaajuuden pysyttelevän koko ajan normaalilla tasollaan ilman Turbo Coren vaikutusta, vaikka GPU olisi lepotilassa. AMD:n väitteet on tärkeä päästä tarkastamaan ja olisi erittäin mielenkiintoista nähdä missä tilanteissa APU kuristaa nopeuksia. Tulemme varmasti käsittelemään asiaa tarkemmin tulevissa artikkeleissa kunhan keksimme keinon mitata mitä Llano-APU:n sisällä todella tapahtuu eri kuormituksilla.

Vaikka prosessorin kellotaajuudet voivatkin skaalautua ylös ja alas, grafiikkapiiri ei nouse tehdasasetuksiaan korkeammalle edes Turbo Coren avulla. AMD:n mukaan tilanne saattaa kuitenkin muuttua tulevaisuudessa. Ymmärsimme AMD:n vihjailuista, että ensi vuonna odotettava Trinity-arkkitehtuuri saattaa kyetä kiihdyttämään näytönohjaimen nopeutta kun prosessorin lämpökuorma sen sallii.