Deep Dive

Was genau hinter der Ryzen-6000-Serie steckt

Die Ryzen-6000-Serie ist ihren Zen-3+-Kernen und der RDNA-2-Architektur auf kompakte und dennoch leistungsstarke Notebooks ausgelegt. Mit den entsprechenden Vorgaben will AMD die Bedürfnisse am Markt zu einem Großteil abdecken können – besser als in den vorherigen Generationen, vor allem aber besser als es der Konkurrent Intel tut. Heute können wir auf einige Details eingehen, die im Rahmen der offiziellen Vorstellung auf der CES Anfang Januar noch nicht genannt wurden.

An dieser Stelle wollen wir schon einmal ein paar Details vorwegnehmen. Diese betreffen vor allem den Wechsel in der Fertigung auf TSMC N6 in eben 6 nm. AMD erwartet hier eine wesentlich bessere Ausbeute durch den Einsatz von EUV. Offiziell gibt AMD die Größe des Chips mit 210 mm² an. Gemessen kommt man wohl genau auf 12,82 mm × 16,25 mm = 208,33 mm². Der Vorgänger Cezanne ist mit 180 mm² etwas kleiner und dieser wiederum größer als Renoir mit 156 mm². AMDs APU-Designs wachsen also immer weiter an, was vor allem mit der GPU in Zusammenhang steht.

Ein weiteres Detail zur Fertigung bzw. dem Hardware-Design ist eine bewusste Entscheidung seitens AMD auf die Unterstützung von DDR4 für den Speichercontroller zu verzichten. Einzig DDR5 und LPDDR5X werden von den Rembrandt-Prozessoren unterstützt.

Zunächst einmal aber schauen wir uns an, was AMD Anfang des Jahres an neuen Modellen vorgestellt hat:

In der H-Serie für alle Modelle gilt: Sie werden in 6 nm gefertigt und bieten eine Kombination aus Zen-3+-Kernen und RDNA-2-Grafikeinheit. Für die nun folgende U-Serie gilt dies nicht. Hier muss man schon etwas genauer hinschauen:

Für die unter dem Namen Rembrandt geführten Prozessoren hat AMD in der Entwicklung fünf Punkte in den Fokus gerückt.

• Fertigung: AMD hat mit TSMC an einer optimierten Fertigung in 6 nm gearbeitet
• Zen-3+-Kerne: Die Zen-Kerne wurden auf Effizienz getrimmt
• SoC: Neues Design der internen Spannungsversorgung und Abtrennung bestimmter Bereiche
• Firmware: Ein neues Power Management Framework soll die Hardware effizienter machen
• Plattform: Auch die weiteren verbauten Komponenten des Notebooks sind darauf ausgelegt

AMD macht den SoC kleinteiliger und effizienter

Dutzende kleinere und größere Änderungen am Design des SoCs und dessen Versorgung hat AMD vorgenommen. Auf einige dieser Änderungen wollen wir nun genauer eingehen.

Besonders auf die Verbesserungen in der Zen-3+-Architektur wollen wir noch etwas genauer eingehen. Auch hier gibt es mehrere Felder, die von AMD bearbeitet wurden, um die Effizienz des Designs zu erhöhen. Eine Komponente sind die C-States, in denen sich der Prozessor befinden kann. Ein neuer PC6 Restore ermöglicht ein schnelleres Aufwachen und verwendet dabei Daten die direkt vom Prozessor kommen und nicht erst eine Feedback-Schleife über das Betriebssystem machen müssen. Die Hardware kann für sich aber auch ein CC1-State bestimmen und legt Kerne schlafen, wenn diese nicht verwendet werden. Aber nicht immer ist es notwenig, dass alle Kerne aufwachen. Ein Selective SCFCTP Save erkennt die vorherige Nutzung der Kerne und verhindert ein Aufwachen, wenn dies zuvor auch nicht notwendig war. Ein neuer CCX Light C-State ermöglicht es den Data Fabric in den Stromsparmodus zu bringen, während die Kerne weiterhin aus dem Cache heraus mit Daten versorgt werden und arbeiten.

Im Hinblick auf die Fertigung wurde die Leakage reduziert. Zudem wurde das Anrampen des Stromflusses bzw. der Peaks optimiert. Das CPPC Preferred Cores arbeitet nun nicht mehr auf Ebene eines einzelnen Kerns, sondern geht bis auf Thread-Level. Es bleibt dabei, dass bis zu zwei Kerne die bevorzugten Kerne sein können. CPPC auf Thread-Basis wird von Windows 11 unterstützt, sollte aber auch auf Windows 10 funktionsfähig sein. AMD konnte dazu noch keine abschließende Aussage machen. Die Aufteilung auf Basis der Threads steht den H-Series-Prozessoren zur Verfügung und kann hier vom Nutzer aktiviert oder deaktiviert werden. Die Einstellungen müssen zur Boot-Zeit gemacht werden und setzen einen Neustart des Systems voraus.

Schlussendlich wird auch der L3-Cache schneller, indem er beispielsweise im Aufwach-Vorgang schlichtweg ausgelassen werden kann, um die Latenzen zu verbessern. Die Nutzung des Caches wird auch in der Form verbessert, dass bei vielen Misses (Daten werden nicht gefunden) der Cache nicht heruntergetaktet wird, sondern für erneute Zugriffe bereit bleibt. Eine gleiche Methodik greift auch für den DRAM, der ebenfalls nach Vorhersage bereitgehalten wird, um die Zugriffe darauf zu beschleunigen und ihn nicht erst aus dem Idle-Zustand aufwecken zu müssen.

Der Prozessor kann schneller zwischen den verschiedenen States wechseln und feingranularer festlegen, wie sich einzelne Bereiche verhalten sollen. Die darauf resultierenden schnelleren Taktwechsel sorgen letztendlich dafür, dass hier Leistungsaufnahme eingespart wird und das System dennoch schneller wird.

Im SoC-Design betreffen die Änderungen neue C-States für den Infinity Fabric sowie ein verbessertes Power Partitioning – mehr Bereiche können getrennt voneinander angesprochen bzw. abgeschaltet werden. Die Display Engine hat beispielsweise ihre eigene Power Domain bekommen. Das Cezanne-Design sah drei oder vier Power-Domains vor. Bei Rembrandt sind es nun sechs:

• Zen-3+-Kerne (jeder Kern isoliert für sich)
• GPU
• Display-Engine
• Fabric und UMC
• USB, Southbridge, SFH
• SoC Z-State Region

Ein Clock- und Power-Gating, also die isolierte Betrachtung und Steuerung der Spannungen und des Takt werden über eine integrierte SMU (System Management Unit) für jeden einzelnen der oberen Teilbereiche nun getrennt zueinander vorgenommen. Dies ermöglicht es AMD entsprechende Anpassungen schneller und feingranularer vorzunehmen. Ein neuer EDC-Controller (Electric Design Constraint) überwacht die elektrischen Ströme, die durch den SoC fließen und trägt der weiteren Aufteilung des Chips in die verschiedenen Domains Rechnung.

Ein neuer Z9-State beispielsweise ermöglicht es fast alle Bereiche abzuschalten und nur die Display Controller zu versorgen. Ein Standbild auf dem Display wird im Z10-State ständig als Self-Refresh dargestellt und nur noch der VRAM-Bereich wird verwendet. Selbst individuelle Bereiche des Displays können als ständige Wiederholung dargestellt werden, während das Fenster mit dem dargestellten Video über den Decoder aktualisiert wird.

Mit dem Power Management Framework (PMF) will AMD die Energiesparpläne von Windows überflüssig machen. Stattdessen wird über einige Eingabewerte bestimmt, welche Anforderungen gerade an den Prozessor gestellt werden. Daraus ergeben sich einige Ausgabewerte, welche Einfluss auf den Takt, die Spannung und vieles mehr haben. Das Notebook bzw. die Hardware soll dynamischer und vor allem selbstständiger festlegen, ob der Nutzer nun lieber im Silent Profil arbeitet oder ob das Leistungsprofil anliegen sollte. Die manuellen Energiesparpläne sind weiterhin verfügbar, der Nutzer kann es aber auch dem PMF überlassen, welches Profil anliegen soll.

Interessanterweise nicht in die APU-Implementation geschafft hat es Duty Cycle Scaling (DCS). Für die dedizierten GPUs auf Basis der RDNA-2-Architektur sorgt DCS für ein schnelles Abschalten der Grafikkkerne. Theoretisch ist es möglich, einzelne Shadereinheiten bzw. CUs abzuschalten, während andere unter Volllast weiterarbeiten. Dies kann dann sinnvoll sein, wenn ein Workload sich nicht auf beliebig viele Shadereinheiten aufteilen lässt bzw. wenn nicht die Last nicht ausreichend ist, um alle Shadereinheiten aufzulasten. DCS ist in den Rembrandt-Prozessoren aber wie gesagt abgeschaltet und spielt hier keinerlei Rolle.

Effizienzgewinn und etwas mehr Takt

AMD bleibt sich in gewisser Weise treu und geht nicht neue Pfade, sondern konzentriert sich in den wichtigen Bereichen auf das Wesentliche. Ob dies nun immer der richtige Weg ist und wie sich die neuen Prozessoren im Vergleich zur Konkurrenz aus dem Hause Intel darstellen, steht noch einmal auf einem anderen Blatt. Direkte Vergleiche sind hier ohnehin nicht immer einfach und die Philosophien hinter Alder Lake und Rembrandt eben grundverschieden.

Für die Ryzen-6000-Mobile-Serie nimmt sich AMD die Zen-3-Architektur und passt diese zusammen mit dem SoC-Design in den entscheidenen Bereichen so an, dass sich daraus ein auf Effizienz getrimmter Chip entwickelt. Neue C- und Z-States für die Kerne und den Infinity Fabric, ein effizienteres Speicher- und Cache-Management sowie eine kleinteiligere Aufteilung des Chips in eigene Spannungs- und Taktdomainen machen das Design schneller und somit effizienter. Die Fertigung in 6 nm bietet für AMD zwar auch ein gewisses Leistungspotential (welches man in Form der 5 GHz Boost-Takt der Spitzenmodelle Ryzen 9 6980HX und Ryzen 9 6980HS auch nutzt), die wesentlichen Verbesserungen im Bereich der Leistung werden aber durch das schnellere und flexiblere Design erreicht.

Weitere Benchmarks im App- und Gaming-Bereich

Zur ersten Präsentation auf der CES präsentierte AMD einen Vergleich zwischen verschiedenen Plattformen. Unter anderem aber wurde hier zwischen 28 und 15 W TDP verglichen, was natürlich keine gute Vergleichsbasis darstellt. 

AMD liefert nun neue Daten nach und zeigt für 15 W Cézanne (Ryzen 4000) vs. Rembrandt (Ryzen 6000) neue Werte. Auch für Intel Tiger Lake bei 28 W gegen Ryzen 6000 bei 15 W gibt es neue Werte. Im Generationenvergleich (Ryzen 4000 vs Ryzen 5000) gewinnt AMD bei 15 W in etwa 17 % an CPU-Leistung, 81 % an GPU-Leistung und etwa drei Stunden Akkulaufzeit. Für 28 W sieht AMD ein Plus von 30 % bei den CPU-Kernen, 100 % für die GPU und bei gleicher Akku-Kapazität müssen keinerlei Rückschritte für die Laufzeit gemacht werden.

Zum Spitzenmodell Ryzen 9 6900HX liefert AMD erstmals eigene Leistungsdaten. Bei 45 W wird der Vorgänger der Konkurrenz (Core i9-11980HK, Tiger Lake) um 8 bis 47 % geschlagen. Der Abstand zum Ryzen 9 5900HX aus der eigenen Vorgänger-Serie ist natürlich etwas geringer. Auch muss man hier im Hinterkopf behalten, dass Intel gerade die 12. Core-Generation vorgestellt hat, deren Leistungsdaten sich in ersten Tests sehr positiv darstellen. AMD hatte aber noch keine Gelegenheit diese neue Generation gegen die eigenen Prozessoren zu testen.

Auch zur integrierten Grafikeinheit der Ryzen-6000-Serie gibt es weitere Leistungsdaten. Eine Radeon 680M in einer 28-W-CPU kommt auf doppelt so viele FPS wie die integrierte Grafikeinheit der Intel-Konkurrenz. Selbst gegen eine dedizierte GeForce GTX 1650 MAX-Q soll die Radeon 680M eine Chance haben. Alle Ryzen-7- und Ryzen-9-Prozessoren sind mit dieser Radeon 680M ausgestattet, die wiederum 12 CUs bei bis zu 2,4 GHz besitzt. Die Radeon 660M der Ryzen-5-Prozessoren kommt auf sechs CUs bei bis zu 1,9 GHz. Was die RDNA-2-Architektur leisten kann, zeigt sich auch schon in der aktuellen Konsolen-Genreration – wenngleich in anderen Ausbaustufen.

Bald gehts los ...

Die Roadmap für die Ryzen-6000-Prozessoren sieht nun wie folgt aus: Ab Mitte Februar (also in den kommenden Tagen) soll es die ersten Systeme mit den HS-Modellen geben. Dabei handelt es sich meist um eher kompakte Gaming-Systeme im 15-Zoll-Bereich. Anfang März sollen die ersten Notebooks mit HX- und U-Series-Prozessoren folgen. Mit den HX-Prozessoren adressiert AMD weiterhin die High-End-Gaming-Notebooks.

Die U-Serie richtet sich an den Thin-Light-Markt. Dies werden auch die ersten Notebooks mit USB4-Unterstützung sein, allerdings können auch früher schon Notebooks mit einer Auslegung auf USB4 herausgebracht werden, die Nutzung von USB4 ist hier aber erst nach einem Firmware-Update möglich. Mitte März sollen dann die Pro-Modelle folgen, die im Business-Umfeld zum Einsatz kommen sollen.

Im vergangenen Jahr konnte AMD seinem großen Konkurrenten Intel einige Marktanteile abknöpfen, zuletzt aber stagnierte der Absatz bei AMD wieder. Das Notebook-Geschäft ist allerdings auch recht träge und es bedarf jahrelanger Anstrengungen, um sich ein eigenes Ökosystem bei den Notebook-Herstellern aufzubauen. Diese Nuss zu knacken, ist nicht ganz einfach, aber AMD kann dem Branchenprimus Intel hier immer mehr Druck machen.