Разгон AMD Bulldozer: изучаем эффективность – THG.RU

Введение

Новое семейство AMD FX мы ждали с нетерпением, но его производительность не привела нас в восторг. Вместо того, чтобы обойти ЦП Intel, оно справилось только с тем, чтобы, в лучшем случае, соответствовать или, в худшем, остаться позади них. Конечно же, это результат полного обновления конструкции, куда входят определённые решения, влияющие на производительность, а также другие, нацеленные на повышение эффективности. Теоретически, семейство FX должно быть более производительным, чем его предшественник, благодаря сделанным AMD изменениям. И 32-нм производственный процесс задумывался для содействия в этом вопросе.

Однако, каким образом изменится эффективность, когда вы изменяете частоту? Именно это мы и намерены выяснить.

На базе архитектуры Bulldozer было выпущено семь моделей, представляющих ряд тактовых частот и цен для тех, кто заинтересован в том, чтобы снабдить одним из этих чипов материнскую плату на основе Socket AM3+. Подробнее вы можете узнать об этом из статьи “Обзор AMD FX-8150: от Bulldozer к Zambezi и FX”.

Эффективная работа, благодаря технологии TurboCore второго поколения

TurboCore, сходная с технологией Intel TurboBoost, старается оптимизировать производительность процессора путём оценки нескольких зависимых от питания переменных в реальном времени и регулировки тактовой частоты в качестве ответного действия. Когда позволяет запас по тепловыделению, эта функция повышает частоту, заставляя рабочие нагрузки завершаться быстрее, возвращая оборудование обратно в режим простоя.

Из нашей статьи со сведениями о выпуске FX:

“Application Power Management (APM) описывает возможность Zambezi/Valencia/Interlagos отслеживать (в реальном времени) количество энергии, потребляемой каждым ядром. Но вместо измерений температуры или тока учитывается активность каждого модуля Bulldozer. AMD знает, сколько энергии требует каждая операция и может оценивать уровень энергопотребления для каждого модуля в любой момент времени. Быстрое сравнение реального энергопотребления и максимального TDP позволяет оценить, есть или нет доступный потенциал для увеличения производительности. Если взять пример с приложением, которое не нагружает все ресурсы процессора, то TurboCore может перескакивать между базовой частотой процессора и более высокой тактовой частотой, чтобы обеспечить более высокую производительность в целом при заданном уровне TDP.

Функция TurboCore не ограничена просто базовой и произвольными более высокими тактовыми частотами. Фактически, она реализуется через три p-состояния: базовое (описывается как P2), промежуточное (P1) и более высокое (P0). Перед нами заметное улучшение перед версией TurboCore первого поколения, которая, как утверждает AMD, могла переключаться только между двумя p-состояниями. И это тоже важно, потому что вы можете переходить в состояние P1 со всеми восемью активными ядрами, насколько позволяет запас. Для перехода в P0 требуется, как минимум, бездействие двух модулей из четырёх. AMD позволяет чипу незамедлительно превысить максимальный тепловой пакет, но, конечно, уже не сможет удерживать данный термальный режим продолжительное время.

По существу, когда вы смотрите на спецификации процессора FX и видите базовую частоту CPU Base, частоту CPU TurboCore и частоту CPU Max. Turbo, вы гарантированно получите, по крайней мере, базовую частоту. Частоту TurboCore вы увидите в тех случаях, когда позволяет TDP (то есть при интенсивной многопоточной нагрузке, не превышающей тепловой порог процессора). А если половина ядер чипа простаивают, то возможно получить максимальную частоту TurboCore”.

Насколько эффективна архитектура Bulldozer?

Хотя поверхностный осмотр архитектуры от AMD предполагает некоторые довольно высокие ожидания в области производительности, только энтузиасты на самом деле интересуются тем, каким образом эти ожидания осуществляются на практике. Мы ответили на большое количество вопросов в статье “AMD FX: эффективность относительно 8 других CPU”. Тем не менее, в той статье мы ограничились сбором сведений о частотах. Здесь же мы расширили границы анализа и перешли к разгону процессора.

Также мы хотим выяснить, каким образом архитектура Bulldozer добивается баланса между низким значением напряжения, низким значением тока и довольно неплохой производительностью. Особенно удобно то, что все процессоры на базе FX обладают разблокированными множителями. В сочетании с нашим встроенным ПО для тестирования, которое позволяет нам с лёгкостью изменять напряжение и производительность, мы можем довольно точно отрегулировать производительность. Для исследования у нас есть шесть различных комбинаций тактовой частоты и напряжения, так что давайте приступим к делу.

Платформа Bulldozer: используем для теста FX-8150

В линейке с чипом Zambezi в трёх моделях задействованы два модуля Bulldozer с общим числом ядер, равным четырём, в одной задействованы три модуля, содержащие шесть ядер, ещё три представляют собой полностью оснащённые четырёхмодульные экземпляры, которые могут похвастаться 8 ядрами. Мы использовали для тестирования ведущую модель FX-8150. В настоящее время она продаётся по цене около $270, эта модель также оснащена интерфейсом Socket AM3+.

Без сомнения, вы уже знаете, что AMD считает ядра не так, как Intel (и даже не так, как делала в прежних своих архитектурах). В отличие от многопроцессорной обработки на уровне кристалла, где каждое ядро является законченным и отдельным компонентом, AMD использует многопоточный режим инструкций на уровне кристалла и проводит различия между модулями и ядрами. Упор делается на эффективность в многоядерной конструкции, а также утверждение, что дни одиночных ядер, которые работают сами по себе, подошли к концу. Вместо того, чтобы умещать как можно большее количество ядер на кристалле кремния, что приводит к “прямолинейному” решению вопроса с производительностью, AMD пытается достичь оптимального баланса путём копирования ключевых ресурсов, теоретически добавляя сложность туда, где она будет использована наилучшим образом, и избегая потерь в менее чувствительных частях чипа.

И снова приведём отрывок из нашей первой статьи о FX-8150:

…модуль Bulldozer не содержит в себе двух законченных ядер. Вместо этого он делится отдельными частями того, что, как мы полагали, окажется выделенными ресурсами в стандартном исполнительном ядре, включая стадии выборки команды и декодирования, модули для выполнения операций с плавающей точкой и кэш-память L2.

По словам Майка Батлера (Mike Butler), главного архитектора проекта Bulldozer, это допустимо, поскольку стандартные ядра, работающие в среде с ограниченной мощностью, не могут оптимально использовать запас по температуре. И всё становится абсолютно понятным: когда вы пытаетесь “впихнуть” в сервер настолько много ядер, насколько это возможно, вы хотите изменить ситуацию в пользу тех ресурсов, которые с наибольшей вероятностью будут использоваться чаще всего, и избежать задействования места на кристалле/мощности компонентов, которые могут использоваться совместно, без слишком серьёзного негативного воздействия на производительность.

…но одновременно оптимизация для получения лучших результатов производительности и мощности требует совместного использования определённых ресурсов.

Решение делиться вам очень не понравится, когда оба потока будут нуждаться в одних и тех же ресурсах, в результате чего производительность упадёт, по сравнению с многопроцессорной обработкой на уровне кристалла. Но сотрудники AMD смотрят в будущее с оптимизмом: в прошлом августе, когда компания упомянула о некоторых подробностях характеристик новой архитектуры на конференции Hot Chips, было сказано, что модуль Bulldozer может в среднем заменить 80% от двух законченных ядер, в то же время оказывая минимальное влияние на заполненность кристалла. В результате в средах с большим количеством потоков процессор на базе Bulldozer должен показать значительное повышение производительности.

Это также означает, что сотрудникам AMD придётся вновь определиться, что в действительности они имеют в виду под термином “ядро”. Для наилучшего понимания – это модуль Bulldozer, как говорят сотрудники компании, всё, что имеет собственные целочисленные исполнительные конвейеры, расценивается как ядро (неудивительно, правда?), хотя бы потому, что бoльшая часть рабочих нагрузок процессора сводится к применению целочисленной математики. Лично у нас нет никаких проблем с этим определением. Но если совместное использование ресурсов отрицательно воздействует на производительность за цикл, тогда компании AMD обязательно придётся перейти на более высокие значения тактовых частот или сделать бoльший упор на организацию поточной обработки, чтобы компенсировать потери.

Учимся делиться

Конечно же, архитекторы AMD были осторожны, решая, какие части ядра можно использовать совместно, не забывая при этом об энергопотреблении и производительности. Например, следуя ошибочному прогнозированию ветви, внешний интерфейс обычного ядра подлежит выключению, из-за чего происходят потери как в тактах частоты, так и в энергопотреблении. Совместное использование этих частей двумя ядрами помогает улучшить использование данных ресурсов. Также компания AMD ищет области, в которых можно “позволить” делиться без ухудшения расчёта по времени критических путей, отсюда и появление общего планировщика с плавающей точкой, который не рассматривался как такой же восприимчивый ко времени ожидания, как и целочисленные модули.

Для операционной системы итоговый модуль выступает как пара ядер, подобно тому, каким могло бы оказаться ядро с поддержкой Hyper-Threading. Конечно, компания AMD всеми силами стремится избавиться от идеи, что Bulldozer будет вести себя так же, как Hyper-Threading (или SMT), утверждая, что её конструкция способствует лучшей масштабируемости, чем два потока, совместно использующие одно физическое ядро. И это имеет смысл — модуль Bulldozer в самом деле нельзя охарактеризовать как одиночное ядро, потому что большая часть этого модуля, фактически, дублируется.

Водяное охлаждение против двух воздушных кулеров

Когда AMD объявила о выпуске линейки FX, также компания заявила о том, что представит устройства с жидкостным охлаждением для отдельных регионов. В Северной Америке мы пока таких устройств не видели, однако, компания прислала нам образец изделия на базе Asetek, который используется в этой продукции. Именно его мы и протестировали.

Кроме того, мы хотели изучить, является ли охлаждение жидкостью необходимым для чипов серии FX или энтузиасты всё ещё могут обойтись воздушными охлаждающими устройствами (или даже выпускаемыми AMD коробочными кулерами).

Таким образом, мы испытали процессор на максимальной частоте (4,6 ГГц) не только на водном охладителе Asetek, но также на коробочном кулере AMD и Zalman CNPS 10X Extreme.

Решение от компании Zalman действительно хорошо справилось с тестом, получив результат на два градуса Цельсия ниже, чем кулер Asetek. Однако, в итоге, коробочный кулер не справился с задачей, и механизм защиты процессора от перегрева выключил нашу систему через несколько секунд. Кажется, это соответствует тому, о чём написали нам читатели и что мы наблюдали в других тестах с другими настройками: стандартное решение проблем тепловыделения от AMD слишком мало для каких-либо серьёзных попыток разгона процессора, и даже при стандартных настройках оно работает раздражающе громко.

Перед вами испытательная система с водяным охлаждением в ходе эталонного прогона…

…а вот устройство с вмонтированным теплосъёмником Zalman.

Тактовая частота: 3,6 ГГц, множитель: 18x, напряжение ЦП: 1,332 В

Мы начали с настроек по умолчанию. Технология TurboCore включена, базовая тактовая частота составляет 3,6 ГГц, множитель установлен на значение по умолчанию 18x, а напряжение ЦП – на уровне стандартного значения 1,332 В.

Все скриншоты в программе CPU-Z, выполненные в режиме простоя на многоядерной конфигурации (была использована “средняя” частота TurboCore) и в ходе однопоточного теста (в результате мы получили самую высокую частоту TurboCore) показаны на скриншоте ниже.

Тактовая частота: 3,8 ГГц, множитель: 19x, напряжение ЦП: 1,352 В

Даже небольшое увеличение частоты требует больше напряжения, чтобы поддерживать систему в стабильном состоянии. Одного этого факта достаточно, чтобы мы предсказали, что стандартные настройки окажутся лучшими по эффективности у FX-8150. Разгон для увеличения производительности, возможно, не оправдает дополнительного энергопотребления. По сравнению с Intel Sandy Bridge, архитектура Bulldozer, кажется, не имеет доступного запаса, позволяющего работать быстрее при том же значении напряжения. Вероятно, это относится к самой архитектуре, либо это можно приписать недоработанному процессу производства.

Тактовая частота: 4,0 ГГц, множитель: 20x, напряжение ЦП: 1,38 В

При частоте до 4,0 ГГц мы сумели запустить испытательную систему с включенными заводскими настройками TurboCore. Кроме того, нам пришлось совсем выключить эту функцию из-за проблем с устойчивостью.

Тактовая частота: 4,5 ГГц, множитель: 22,5x, напряжение ЦП: 1,428 В

При тактовой частоте 4,5 ГГц и значении множителя 22,5x для стабильной работы испытательная система потребовала значительного увеличения напряжения ЦП – до 1,428 В. TurboCore и различные энергосберегающие функции пришлось отключить. Мы установили эталонный уровень нагрузки на высокое значение, отключили защиту от перегрузки по току и тепловую защиту.

Тактовая частота: 4,6 ГГц, множитель: 23x, напряжение ЦП: 1,5 В

Именно здесь мы установили границы для наших экспериментов с разгоном. Хотя система продолжала оставаться стабильной при применении и водяного, и воздушного охлаждения, напряжение процессора было уже выше, чем рекомендовал производитель. Кроме того, энергопотребление системы резко увеличилось до 400 Вт, что было абсолютно не тем, чего мы ожидали, когда приступили к тестам производительности.

Тактовая частота: 3,6 ГГц, множитель: 18x, напряжение ЦП: 1,116 В

В свете того факта, что сохранение значений частот на высоком уровне, видимо, оказывает отрицательное воздействие на производительность, давайте обратим внимание на другой вопрос. Мы выдвинули идею уменьшения напряжения ЦП, по сравнению с номинальным, при стандартных настройках и добились своей цели. Как показали наши тесты, система достигла наилучшего результата по производительности, когда частота оставалась неизменной, а значение напряжения ЦП уменьшилось.

Тестовая система и настройки

Конфигурация системы

Тесты и настройки

Один прогон в тесте на производительность включал в себя применение следующих приложений:

Однопоточные:

• Adobe Acrobat
• Winzip
• iTunes
• Lame

Многопоточные:

• Blender
• HandBrake
• MainConcept
• After Effects
• Photoshop
• Premiere
• Matlab
• 7-Zip
• 3ds Max

Результаты тестов

Архивирование и профессиональные приложения

Архивирование

Самое высокое значение тактовой частоты: когда было задано значение 4,6 ГГц, испытательная система справилась с тремя приложениями-архиваторами (7-Zip, WinRAR и WinZip) быстрее остальных задач. С настройками по умолчанию архитектура Bulldozer, конечно, финишировала последней; по какой-то причине настройки с пониженным напряжением приводили к более быстрому завершению задачи.

Приложения

Эталонные прогоны в тестировании с приложениями показали тот же результат:

Matlab

Неудивительно, что повышенные значения тактовой частоты в сочетании с повышением напряжения привели к получению лучших результатов в тесте с Matlab:

Аудио/видео

Аудио

По сравнению с конфигурацией по умолчанию, в тестах аудио и видео система с пониженным напряжением придерживается своего курса. В целом, она лишь незначительно медленнее.

Видео

Энергопотребление (простой/нагрузка)

Модель FX-8150 с уверенностью может достичь высоких значений тактовой частоты, когда мы подаём на неё бoльшее напряжение. Результат – лучшая производительность в тестах приложений, но более высокое энергопотребление при повышении частоты. В режиме простоя разница невелика, диапазон составляет от 73 до 81 ватт, что, как нам думается, довольно умеренно для “восьмиядерного” процессора.

При загрузке тестовыми приложениями разница в энергопотреблении намного более выражена. При значении частоты до 4,0 ГГц потребляемая мощность увеличивается не намного. Но, начиная с 4,5 ГГц и выше, энергопотребление резко увеличивается и любые идеи о эффективности приходится забыть.

Оценка эффективности в однопоточных тестах

Когда вы запускаете систему с низким напряжением процессора, разница в производительности, по сравнению с настройками по умолчанию, минимальна. Это довольно странно, но система действительно работает быстрее.

Поскольку энергопотребление заметно падает, система с пониженными значениями напряжения показывает наилучший результат по производительности для однопоточных приложений. Этот тест также показывает, что, по крайней мере, с точки зрения эффективности, разгон процессоров AMD семейства FX не оправдывает себя.

Оценка эффективности в многопоточных тестах

Многопоточные приложения показали схожие результаты. Как видно из результатов измерений, система с пониженным значением напряжения ЦП оказалась чуть медленнее (на две секунды), хотя это и незаметно. Тем не менее, эффективность использования энергии значительно повысилась. Однако, это не приведёт к снижению цифр в ваших счетах за электричество.

Суммарные результаты оценки эффективности

Если взглянуть на общую картину в однопоточных и многопоточных тестов, результат будет очевиден. Наша испытательная система работала наиболее эффективно при пониженном напряжении, причём она была чуть быстрее, чем система с заводскими настройками.

Если вас волнует вопрос эффективности, то разгон процессоров серии FX разочарует вас.

Баллы за производительность и диаграмма энергопотребления

При построении графика производительности на ватт становится очевидно, что процессоры на базе Bulldozer наиболее эффективны, когда на них подают наименьшее возможное напряжение. Понижение напряжения не приводит к выравниванию скачков производительности, когда вы применяете его к FX-8150 при базовых настройках частоты значении множителя по умолчанию.

Разгон и производительность Bulldozer

Разгон приносит свои плоды, когда вы разгоняете процессоры AMD серии FX, но только тогда, когда ваша цель – добиться максимальной производительности. В нашем тесте мы довольно легко разогнали процессор, используя жидкостный или воздушный кулер. Если вас не интересует энергопотребление, можете увеличивать напряжение и получите частоту, превышающую 4,5 ГГц на всех четырёх модулях Bulldozer. Но если там, где вы живёте, электроэнергия стoит дорого и вас заботят проблемы эффективности энергопотребления, то рассуждения о производительности для вас играют не главную роль. Те же результаты разгона приводят к нежелательному увеличению энергопотребления.

Когда мы, используя весь свой самоконтроль, оставили все настройки AMD без изменений (тактовая частота, напряжение и так далее), процессор FX-8150 работал более эффективно, чем при любой из настроек разгона, которые мы опробовали, и достиг уровня эффективности в 288 очков. Когда напряжение ЦП было снижено, наблюдался небольшой прирост производительности, возможно, это объясняется снижением тепловыделения и более активным применением TurboCore. В то же время, система потребляла значительно меньше энергии и, таким образом, оказалась нашим чемпионом по эффективности, набрав 319 очков.

Тем не менее, этого недостаточно, чтобы произвести впечатление на того, у кого компьютер оборудован платформой на базе Sandy Bridge. FX, конечно же, не может опередить основного конкурента от Intel в данном вопросе. Как мы видим, отсчёт эффективности процессоров Intel начинается с 320 и заканчивается на уровне свыше 635 очков, который показали модели Core i5-2500K и Core i7-2600K. Таким образом, Sandy Bridge и Sandy Bridge-E предлагают потребителям значительно бoльший результат производительности на ватт электроэнергии, чем Bulldozer, что происходит, в первую очередь, из-за того, что процессоры Intel не требуют таких экстремальных увеличений напряжения, чтобы получить бoльшие значения частоты.

Во время пресс-конференции архитекторы AMD утверждали, что решения, которые они приняли при разработке Bulldozer, были продиктованы желанием достичь лучшей эффективности, чем у устаревшей архитектуры Stars. С учётом цифр, представленных вам сегодня, мы уверены в том, что что-то пошло не так. При стандартных настройках Bulldozer почти достиг уровня конкурентоспособности, но ещё неясно, каким образом AMD планирует масштабировать производительность этой конструкции через год (до выхода новой архитектуры Piledriver), не увеличивая напряжение и, фактически, ухудшая эффективность в ходе эксплуатации.