进一步提升竞争力，深入AMD Raven Ridge APU架构

AMD是业内唯一一家能够同时提供高性能CPU和GPU的厂商，旗下APU产品更是以独特的产品构思和应用体验得到了一大批用户的青睐。在进入Zen架构的时代后，AMD的APU经历了翻天覆地的变化，架构设计和实际体验相对前代产品有了长足的进步。在之前的文章和资料中，AMD对APU的内部结构和设计介绍的非常少，往往只是泛泛而谈。这一次在专业的Hot Chip 30会议上，AMD展示了大量的APU内部设计的内容，本文就和大家一起来深入了解一下。

AMD最早于2017年底推出了基于“Zen”架构的APU处理器。在2018年，新的APU产品进一步扩大了其市场范围，它不再单纯地被作为一个产品线，而是逐渐日常化，变成了传统的Athlon或者Ryzen的一部分。从架构上来看，新的APU依旧是一个完整的片上系统解决方案，其特点还是把传统的CPU和GPU集中在一起，至于其他的部分，在Hot Chip 30会议中，AMD的首席架构师Dan Bouvier进行了进一步的讲解。

Raven Ridge架构总览

Raven Ridge作为一个完整的SoC方案，内部集成了相当多的功能模块。包括有AMD Zen架构的4核心CPU、Vega架构的GPU、内存控制器、PCIe GPP单元、USB单元、NVMe和SATA、显示控制模块、平台安全处理器、多媒体模块以及传感器模块等。此外，不同的模块都挂接在AMD的Infinity Fabric总线上，并通过总线进行数据沟通。

和之前数代APU采用小改的方案不同的是，新的Raven Ridge在内部结构的设计上是全新的，这个全新设计的优势在于后期还可以对SoC上的组件进行修改。在Raven Ridge中，新引入了全新的显示引擎、和处理器相关的音频以及全新I/O子系统，包括USB 3.1和USB-C接口等。

▲Raven Ridge芯片核心和布局情况

核心部分

Raven Ridge的核心是一整个芯片，这也是SoC设计的重要目标。典型的一颗Raven Ridge芯片的面积达到209.78平方毫米，封装了49.4亿个晶体管，采用了格罗方德的14nm工艺制造。相比上代28nm的产品，新的Raven Ridge在增加了18.4亿晶体管的基础上，芯片面积大约是上代产品的0.84倍。更小的核心面积也能有效地降低生产成本，在这一点上新工艺是值得信赖的。

在最主要的CPU和GPU方面，Raven Ridge采用了一个Zen架构的处理器核心，也就是一个CCX，包含了4个物理核心，不过在缓存上进行了一些削减。Ryzen处理器的CCX的L3缓存为8MB，但是在Raven Ridge中，AMD只为CCX配备了4MB的缓存。缓存的削减会带来一定的性能损失，不过只要设计得当，在一般应用中体现的可能不会特别明显。

▲Raven Ridge芯片核心和布局情况

通常，相比无缓存设计，缓存的容量太小也没有帮助，容量的数值需要达到某一个关键数值，才会带来显著的性能提升，但是在关键数值之上继续增加缓存容量，得到的提升将会越来越少。想必AMD对Raven Ridge的4MB L3缓存做出了大量的实验，在性能和成本之间做出了平衡。另外值得一提的是，目前已经发现了3种Zen架构的CCX方案，其中一种为4核心、配备8MB缓存；另一种则是Raven Ridge的方案，也是4核心但是配备4MB缓存；最后一种则很少见，双核心配备4MB缓存。

相比上代Bristol Ridge而言，新的Raven Ridge加入了L3缓存，不但有助于提高CPU核心性能，还有助于降低系统级数据流量，因为缓存的加入使得处理器不需要频繁通知总线调用数据，这对APU来说相当重要，因为GPU对总线带宽极为敏感，降低了CPU对总线带宽的需求，在一定程度上也有助于GPU部分的性能提升。

新出现的Vega GPU

Raven Ridge的GPU部分采用的是AMD最新的GPU架构—Vega。虽然相比之前的架构，Vega也算不上AMD全新的GPU架构，但对APU来说，能和AMD最新的桌面显卡采用同样的GPU架构还是不多见的。相应的，Raven Ridge的GPU相比桌面产品依旧做出了一些缩减，在Raven Ridge中，GPU部分设计了11个CU单元和一个1MB的L2缓存，后者专用于计算和纹理数据的存放。

11个CU单元对应着704个着色器引擎（每个CU单元有64个着色器引擎）、44个TMU（纹理单元）和16个ROP。AMD声称Raven Ridge的GPU最高频率能够达到1200MHz，这将使得处理器的最大理论性能达到845FLOPS（双精度）或者1690FLOPS（单精度）或者3379FLOPS（半精度）。值得一提的是，目前市场上已经出现频率更高的Raven Ridge产品，因此性能还会更强一些。

供电部分的改进

AMD在之前的Bristol Ridge上采用了三个独立的供电网络，分别为SoC、GPU和CPU供电。这种配置方式意味着CPU和GPU在最差的情况下功耗可能过载（比如GPU和CPU同时满载的情况），这种情况意味着电源效率的降低。为了改善这一点，Raven Ridge中，CPU和GPU采用了一个单独电压轨道（即单独的Vdd）,并且引入了在Zeppelin上相似的设计，真正的VDD（RVDD）从VRM单元接入芯片，然后再分布至各个内核。Raven Ridge中的CPU和GPU使用了一个Vdd后，不再会出现由于系统满载导致电源效率下降、功耗失控的情况出现。

▲Raven Ridge（左）和Zeppelin芯片比较

另外，在控制方面，每个Zen核心和Vega计算单元都有自己的本地低压差稳压器，它将RVDD作为输入形成自己的电压域。AMD还透露，在封装层面，RVDD由平台电压调节器控制，粒度为6.125mV，LDO则为每个内核提供更为精细的2~3mV的电压调节粒度，相应的，这些调节和粒度设定也会被用在内置的Vega GPU上。

在AMD将CPU和GPU两个电压轨合二为一后，由于减少了一个电压轨道，因此封装所需要的引脚变得更少，这是AMD可以在Raven Ridge上采用更小巧的BGA封装的关键因素之一。从AMD的报告中可以看到，单电压轨需要36%的调节器面积，同时电流增加了28%。换句话来说，通过共享的电压轨，所需的总封装级电流降低，但是CPU和GPU所允许的最大峰值电流反而增加了。

▲双供电轨道和单一供电轨道在电能效率上的对比

在内核供电方面，分布的LDO使得处理器可以更为精确地控制芯片的电源状态。Raven Ridge的电源管理状态控制借由此技术得到了增强。对于CCX中的四个核心而言，每个核心都可以由自己的电源调节器供电，每个核心可以独立断电（CC6），输入PC6（CPUOFF）意味着也可以降低高速缓存的功率。在GPU方面，响应时间可以实现小于100us的核心快速关闭功能，以及图形模块的完全功率门控（高达95%）。

▲CCX的不同供电层示意图

除了电源管理外，Raven Ridge的改进还包括核心温度控制方面。Raven Ridge在这部分功能上采用了Bristol Ridge上就已存在的STAPM技术，全称是Skin Temperature Aware Power Management，可被翻译为表面温度感知电源管理技术。在STAPM下，可以在温度可控的情况下临时提高核心频率。

▲Raven Ridge拥有的STAPM技术

换句话来说，可以根据处理器表面温度和环境温度之间的差异，以便在设备温度相对较低、不超过设定的表面温度的情况下，临时提供短暂的频率上升，进一步提升性能表现。这项技术主要改善了一些突发的工作负载表现，其行为类似于很多已有的电源管理机制，比如英特尔的TVB。

最后，AMD还提出了“25×20”的能源效率倡议。“25×20”是一个在2014年就提出的节能倡议，其目标是2020年达到当时产品25倍的电力效率。这样惊人的增长需要通过工艺进步、计算性能、电力设计、电源管理和闲置优化等不同的方法来综合实现。

▲Raven Ridge在待机供电上的改进

▲AMD在处理器设计上践行“25×20”倡议

在“25×20”方面AMD宣称已经取得了重大进展，AMD展示的信息显示，2017年到2018年他们在能源上的改进将会非常明显，目前还不清楚AMD宣称的“2018 Raven Ridge”是否就是今天的产品，但是其数据来源显示这里的信息来自于即将推出的Raven Ridge APU，属于AMD内部机密。因此我们可以期待AMD将带来怎样的惊喜。

Infinity Fabric总线

Raven Ridge 内部采用了Infinity Fabric总线，Infinity Fabric的特点在于高速、高带宽和低延迟，能够连接不同种类的计算核心和组件。Infinity Fabric的协议核心是Coherent HyperTransport，AMD宣称可扩展数据结构SDF在数据连接方面上采用的是可扩展数据接口SDP，SDP被定义为芯片上所有IP连接的标准端口。这样定义的目标是维持SDP的一致性来简化验证和周转时间，因为在设计中，不同的组件是由不同的组设计的，因此确保所有的组都能够遵守相同的底层协议是非常重要的，这将极大地减少开发时间。

▲Raven Ridge内部交通层连接方式

▲Raven Ridge内部通信层布局方式

顺便说一句，目前SDP的大部分内容和AMD开发的原始Coherent HyperTransport（cHT）接口完全相同，cHT是著名的HyperTransport总线的专用扩展。以前AMD曾使用过cHT来实现对Athlon 64FX和Opteron处理器的一致性支持，现在只是将其拿出来用在新的芯片中，并加以改善而已。Infinity Fabric的传输层由四个交叉开关组成，每个周期可以实现5次传输。CCX/GPU接口和存储控制器在高速一致性缓存上分别属于主设备和从设备。

▲Raven Ridge 内部采用了Infinity Fabric总线

由于Infinity Fabric总线的加入，因此，在大多数时候Raven Ridge和标准的Zeppelin非常相似，只是增加了GPU、多媒体中心和显示控制器而已。和Zeppelin一样，Raven Ridge中使用的Infinity Fabric总线宽度为32 byte，频率为1.6GHz（MEMCLK），带宽为51.2GB/s。

值得一提的是，在Raven Ridge中，CCX和Zeppelin中一样，采用了单个总线连接SDF Plane（也就是通过高速缓存一致性主控CCM和传输层进行连接），但是考虑到GPU对数据带宽的渴求，在Raven Ridge中使用了两条总线连接SDF Plane和GPU，以实现双倍带宽。

即使GPU使用了双总线、双带宽，但是依旧不够用。因为AMD设计了一些优化措施来降低带宽不足的影响。包括对延迟的信息进行处理以降低延迟损失，允许丢弃一些无关数据等。其他的还包括1MB L2 GPU专用的缓存和对三角形信息的无损压缩等，都可以有助于提高带宽效率。

在能耗方面，Infinity Fabric总线也经过特殊的设计。因为传输层本身被设计为适用于双区域功率门控，因此在某些低功耗情况下，芯片的一部分区域可以被关闭以节约能耗。比在视频回放时，只需要调用多媒体和显示等部件，诸如CPU、GPU和I/O等部件不会一直工作，因此可以关闭它们节约电能。

▲Raven Ridge加入了双区域功率门控，一部分可以关闭以节约能耗。

除了上文的总线方案外，AMD还介绍了有关QoS的内容，也就是Quality of Service，这指的是在一个信息网络中，能够实现质量更高的数据通讯的方法。

作为一个SoC产品，Raven Ridge在QoS上也需要谨慎处理。在实际产品上，Raven Ridge的传输层每个端点都可以接受传输请求并排队，每个队列都支持多个虚拟信道和共享请求池。这些队列支持三种请求类：非实时请求、软实时请求和硬实时请求。队列使用选择仲裁器来处理请求，选择仲裁器基于请求时间进行排序来分配虚拟通道等。另外，通过端到端的虚拟通道，也可以实现通道的优先性升级。

▲AMD为处理器加入了QoS，能够改善内部通讯。

AMD还给出了一个在1080p分辨率下运行游戏《中土：暗影魔多》的频率和帧速率的图表，这个游戏带来了巨大的内存流量。在比较中，Raven Ridge和上代Bristol Ridge都采用了8CU的设计，但是其性能表现的差异非常巨大，尤其是在高频范围中，GPU能够获得更充足的带宽带来了更高的性能。

Raven Ridge：AMD的强力出击

从本文的解读以及本刊之前的文章对Raven Ridge产品的介绍来看，Raven Ridge通过大幅度改进底层设计，引入Zen架构CPU和Vega GPU，以及全新的工艺、总线、设计等，大幅度提高了APU的性能功耗比，使得APU的竞争力大增，不但成功在主流市场夺得一片份额，还进驻了移动产品，成为AMD近期来相当成功的产品之一。

在这一代APU成功之后，下一代产品可能会采用全新的7nm工艺，引入Zen 2架构的CPU和新的GPU。新的处理器可能在架构上不会有如此大的改革，但进一步更新的工艺和CPU、GPU的架构改进，将带给人们更多遐想的空间。 

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