AMD erklärt „Turbo Core 2.0“ für „Bulldozer“

Mit den neuen „Bulldozer“-Prozessoren wird AMD auch einen deutlich verbesserten Turbo zur dynamischen Taktsteigerung einführen, der diesmal nicht nur dem Desktop-Segment vorbehalten bleibt, sondern erstmals auch bei den Server-CPUs Verwendung findet. In seinem Blog erklärt John Fruehe von AMD den Turbo für „Bulldozer“ im Detail.

AMD hatte mit den Sechs-Kern-Prozessoren Phenom II X6 auf Basis des „Thuban“ erstmals die sogenannte „Turbo Core“-Technologie, die als Pendant zu Intels „Turbo Boost“ betrachtet werden kann, eingeführt. Sie erlaubte bei maximal der Hälfte der Kerne eine Taktsteigerung von bis zu 500 MHz, die übrigen inaktiven Kerne wurden hingegen in den Ruhezustand versetzt. Wurden jedoch mehr als die Hälfte der Kerne von Anwendungen gefordert, griff anstelle des Turbos die Standardfrequenz.

Die neue Generation von AMDs „Turbo Core“ soll bei den kommenden „Bulldozer“-Prozessoren hingegen den Takt aller aktiven Kerne um bis zu 500 MHz anheben können. Außerdem soll die Taktsteigerung bei Auslastung von der Hälfte oder weniger der Kerne noch höher ausfallen, wie es beispielsweise auch bei den aktuellen Intel-CPUs der Fall ist. Bei der Vermarktung der neuen „Bulldozer“-CPUs soll bei den verschiedenen Modellen sowohl der jeweilige Basistakt als auch die maximale Turbo-Frequenz angegeben werden. Konkrete Taktangaben will AMD allerdings noch nicht nennen. Bisher ist lediglich bekannt, dass man mit „Bulldozer“ Frequenzen von 3,5 GHz oder mehr anstrebt, ob dabei der Turbo mit einberechnet wurde, ist aber weiterhin unklar.

Wie eingangs erwähnt, werden neben den Desktop-CPUs („Zambezi“) auch die kommenden Opteron-Serien 6200 („Interlagos“) und 4200 („Valencia“) über „Turbo Core“ verfügen. John Fruehe ist für das Produkt-Marketing von AMDs Business-Lösungen, also die Bereiche Server, Embedded und professionelle Grafiklösungen zuständig und erklärt nun in seinem Blog die Funktionsweise der neuen „Turbo Core“-Generation für „Bulldozer“ am Beispiel des „Interlagos“ mit insgesamt 16 Kernen.

Da eine Steigerung der Frequenzen und insbesondere der CPU-Spannung immer eine erhöhte Leistungsaufnahme zur Folge hat, erklärt Fruehe, wie man mit „Turbo Core“ trotz allem im Rahmen der maximalen Wärmeverlustleistung (TDP) und somit dem maximalen Stromverbrauch des Prozessors bleibt, in dem man vorhandenen Spielraum bei den Frequenzen effektiv ausnutzt. Neben den geläufigen TDP-Werten, die als absolutes Maximum gelten und bei voller Belastung aller Transistoren ermittelt werden, gibt AMD seit Jahren bei seinen Server-CPUs zudem die sogenannte Average CPU Power (ACP) an. Letztere soll Werte für die Leistungsaufnahme einer CPU darstellen, die an praxisnahen Belastungsszenarien gemessen werden, da die TDP für gewöhnlich selten oder gar nie erreicht werde. Zwischen TDP und ACP klafft bei AMD somit eine große Lücke und ein entsprechend großes (verschenktes) Taktpotenzial: Beim Opteron 6174 mit 12 Kernen wird die TDP beispielsweise mit 115 Watt und die ACP mit nur 80 Watt angegeben, was einen Unterschied von rund 30 Prozent ausmacht. Bei den Vorgängern, wie dem Opteron 2376 mit sechs Kernen fiel die Differenz zwischen 115 Watt TDP und 75 Watt ACP mit etwa 35 Prozent sogar noch größer aus. Die Verringerung der Differenz um fünf auf 30 Prozent beim neueren Modell resultiert aus der Einführung der „CoolSpeed“-Technologie, die den Prozessor heruntertaktet, wenn er zu nahe an die TDP-Grenze kommt. Laut Fruehe war es somit möglich, 12 Kerne im gleichen TDP-Rahmen der Vorgänger mit sechs Kernen unterzubringen, ohne die Standardtaktraten übermäßig senken zu müssen.

AMDs „Turbo Core“ bei „Interlagos“
AMDs „Turbo Core“ bei „Interlagos“

Mit „CoolSpeed“ hatte man also einen Weg gefunden, die Frequenzen erst bei Annäherung an die TDP zu senken und somit etwa fünf Prozent des Spielraums zwischen TDP und ACP effektiv zu nutzen. Mit „Turbo Core“ will man bei „Bulldozer“ schließlich auch den restlichen Spielraum und somit das volle Taktpotenzial nutzen, was schließlich auch die Leistung der CPU steigert. Sollte dadurch das TDP-Limit fast erreicht werden, werde der Prozessor ein wenig heruntergetaktet um weiterhin innerhalb der Spezifikationen zu arbeiten. Ob sich dann im Praxisbetrieb der Stromverbrauch bei Einsatz des Turbo eher den ACP- oder den TDP-Werten von AMD annähert, müssen erste Tests noch zeigen. Mit der oberen Grafik verdeutlicht AMD die Unterschiede zu den Vorgängergenerationen ohne „Turbo Core“.

Bei den „Bulldozer“-Plattformen will AMD seinen Kunden allerdings die Wahl überlassen, ob sie mit „Turbo Core“ die maximale Performance – aber somit auch den maximalen Verbrauch – nutzen oder lieber die sparsamste Variante wählen, bei der dank des „PowerCap“-Managers diverse Frequenzen limitiert werden können oder schließlich eine ausbalancierte Plattform mit AMDs herkömmlicher „PowerNow!“-Technologie bevorzugen.

Drei verschiedene Power-Management/Leistungs-Modi
Drei verschiedene Power-Management/Leistungs-Modi

Mit einer einfachen Grafik demonstriert John Fruehe, wie „Turbo Core“ zusammen mit „PowerNow!“ bei einem typischen Serverszenario im dynamischen Wechsel Einfluss auf die CPU-Frequenzen nimmt. Zu Beginn bewegt sich der CPU-Takt bei geringer Auslastung zwischen der Minimal-Frequenz und dem Basiswert, was in der Abbildung als Standard-Zone bezeichnet wird. Dabei regelt „PowerNow!“ je nach Beanspruchung die Frequenzen mittels verschiedener Stufen (P-States).

Zusammenspiel von „PowerNow!“ und „Turbo Core“
Zusammenspiel von „PowerNow!“ und „Turbo Core“

Bei höherer CPU-Last und mit dem Erreichen des Basistaktes kommt „Turbo Core“ ins Spiel und reagiert auf die Anforderungen mit einer Takterhöhung jenseits der Standardfrequenz um die maximale Leistung im Rahmen der TDP bereitzustellen. Wird das TDP-Limit mit der maximalen Frequenz erreicht, taktet der Prozessor wieder etwas herunter und bei andauernder Belastung schließlich wieder hinauf bis zum Maximum, was die Schwankungen des Graphen innerhalb der sogenannten „Boost-Zone“ verdeutlichen. Wenn die CPU-Last wieder abnimmt und die Frequenz unter den Basiswert sinkt, übernimmt wieder „PowerNow!“ das Ruder, bis zur nächsten Lastspitze.

+ AMDs „Turbo Core“ in Kurzform

Some of the benefits of AMD Turbo CORE include:

  • Up to 500MHz of additional clock speed available with all cores active. This means even with 16 cores active with server workloads, all cores can boost at the same time. For those customers that want to maximize their performance, they now have the tools to do it.
  • Even higher boost states available with half of the cores active. We’re not stating exactly how high processors can boost with AMD Turbo CORE, but obviously if there is room for up to 500MHz with all cores active, fewer active cores would obviously mean less power, and more headroom to recapture with AMD Turbo CORE. At launch you will see processors marketed with a base and a maximum frequency, base will reflect the actual clock speed on the processor and max will reflect the highest AMD Turbo CORE state.
  • AMD Turbo CORE is deterministic, governed by power draw, not temperature as other competing products are. This means that even in warmer climates you’ll be able to take advantage of that extra headroom if you choose. This helps ensure a max frequency is workload dependent, making it more consistent and repeatable.
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