AMD 6nm Ryzen 6000「Rembrandt」SoCの深掘り：Alder Lakeを狙う

AMDはCES 2022で、期待のRyzen 6000「Rembrandt」モバイルプロセッサを発表しました。注目すべき機能として、新しいZen 3+ CPUアーキテクチャとTSMCの6nmノードで製造されたRDNA 2統合グラフィックスが挙げられます。本日、薄型軽量市場を席巻する初の35W HSシリーズモデルが発売され、フラッグシップモデルでは最大5.0GHzまでブーストアップ可能です。AMDはまた、統合グラフィックス向けに新しいRadeon 600Mシリーズのブランドを発表しました。

AMDはIntelの新しいAlder Lakeプロセッサを非常に辛辣に評価し、Ryzen 6000チップはパフォーマンス、ワット当たり性能、バッテリー駆動時間が優れていると主張しながら、同社のx86ハイブリッドアプローチに疑問を投げかけています。AMDの担当者は私たちのブリーフィングで明確に述べました。Ryzen 6000のZen 3+コアは、Alder LakeのEfficiencyコアよりも電力効率が高く、Performanceコアよりもパフォーマンスが高いと考えています。ただし、AMDによると、これらのコアはすべて、優れたダイナミックレンジを持つ8つの高性能Zen 3+コアからなる1つのグループで構成されているとのことです。

AMDはまた、Intelが初期レビューで見られた110Wの「最大出力」ノートPCから、市場の大多数を占める35W、28W、15WノートPCへと移行するにつれて、スケーラビリティの問題に直面するだろうと考えています。そのため、AMDは当然のことながら、Ryzen 6000のパフォーマンスとバッテリー寿命の優位性につながると考えています。実際、AMDは、Ryzen 6000が製品全体で8つのフルパフォーマンスコアを提供しているのに対し、28Wと15Wの超薄型ノートPCに8つのパフォーマンスコアを詰め込むことはできないため、Intelは効率コアを使用せざるを得ないと主張しています。AMDは、Intelがプロセスノードの問題を解決していないため、依然として問題に直面していると主張しています。

AMDの主張は大胆ですが、同社はその主張を製品出荷で裏付ける必要があることを明らかに認識しています。その第一歩として、200種類以上のRyzen 6000シリーズの第一弾が本日発表され、今後数ヶ月かけて市場投入される予定です。

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5つの層の力

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AMDは、上記のスライドに記載されている5つの最適化ポイントに電力効率の改善を集中させました。ご覧のとおり、AMDは、ワット当たりの性能とシリコン面積当たりの性能を最大化するという目標達成にあたり、TSMCの6nm「N6」プロセスを採用することで、性能/消費電力/面積（PPA）のメリットを享受できたと主張しています。

上記アルバムの2枚目のスライドでは、SoCトポロジの概要をご覧いただけます。主な特徴として、DDR4/LPDDR4XインターフェースからDDR5-5200およびLPDDR5-6400インターフェースのみへの移行が挙げられます。これらのインターフェースは、デュアル128ビット幅メモリコントローラ（2つのサブチャネル）を介して接続されます。これら4つの32ビットチャネルを組み合わせることで、DDR4/Xに比べて圧倒的なスループットの優位性が得られ、RDNA 2エンジンにより多くの帯域幅を供給できます。

特に、DDR4 インターフェイスのサポートがないため、Ryzen 6000 ラップトップは、市場の価値エンドには適さない高い DDR5 の価格にさらされますが、AMD は、ローエンドの設計に Vega グラフィックスを搭載した 3 つの更新された Cezanne モデルを使用すると述べています。

比較のために、Ryzen 5000のブロックダイアグラムもアルバムに掲載しました。Ryzen 6000には、 AMDの既存のプラットフォーム・セキュリティ・プロセッサ（PSP）に加えて、より多くの機能と「Xboxクラス」のセキュリティを備えた新しいMicrosoft Plutonセキュリティ・コプロセッサが搭載されていることにもお気づきいただけるでしょう。PSPは、セキュアブートのためのファームウェア認証、ランタイム時のマッピングされたI/O、そしてセキュリティ目的の暗号化エンジンを引き続き制御します。Plutonプロセッサは、fTPM機能とOS主導の追加機能を提供します。

6nmプロセスとコアアーキテクチャ

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AMDは7nmから6nmへとプロセス技術を進化させました。同時に、クリティカルパスウェイなどパフォーマンスが重視される領域では高速でリーク電流の大きいトランジスタを使用し、その他の領域では低速で効率の高いトランジスタを使用するなど、トランジスタ配置の最適化も行いました。

AMDは、コアに50の新機能を追加し、より深いスリープ状態に重点を置くことで消費電力を削減したと述べています。これらの省電力化により、バッテリー駆動時間が延長し、バースト的な処理時にブーストクロックを高く設定するための熱的余裕が生まれます。特に重要なのは、新しいPC6 Restore機能です。この機能により、AMDはスリープ状態からの復帰をファームウェア支援からハードウェアアクセラレーションによるアプローチへと移行し、復帰速度を4倍高速化しました。

AMDのCPPC機能により、OSは特定のコアにワークロードを集中させることができます。これは、物理コアのうち2つしかピークブースト周波数に到達できないため、重要な機能です。AMDはコアテレメトリをさらに強化し、チップがスレッドごと（論理コアと物理コア）に通信してスレッド配置を受信できるようになったため、スレッドの集中化を最適化できます。

その他の最適化には、CCX Light C-Stateが含まれます。これは、コアがキャッシュから処理を実行しており、他のソースからのデータを必要としない場合、Infinity Fabricをスリープ状態に切り替えます。遅延L3初期化により、ウェイクアップタスク中にフラッシュするためだけにL3キャッシュを点灯したり、コアがRAMからのデータのみを必要とする場合にL3キャッシュを点灯したりすることを防ぎます。

キャッシュ・ダーティネス・カウンタは、キャッシュミス率が高いためにシステムがメインメモリから頻繁にデータを取得している場合、DRAMがスリープモードに移行するのを防ぎます。これにより、消費電力が削減されるだけでなく、DRAMはスリープ状態からの復帰が比較的遅いため、レイテンシも短縮されます。

キャッシュについて言えば、AMD によれば、Rembrandt では Cezanne と比べてキャッシュレイテンシの改善はないとのことです。

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SoCアーキテクチャ

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RembrandtのSoC再設計は、再設計された電源ドメインと、それらのドメインに対するより効率的な制御プレーン（ハードウェアによるスリープへの移行を含む）を特徴としています。ここで、AMDがチップを前世代の3つの電源プレーンではなく、6つの電源ドメインに分割したことがわかります。これにより、より厳密なパワーゲーティングが可能になり、内部および外部電源レールの粒度が向上し、電力効率が向上し、各領域がスリープ状態に移行して復帰するまでの時間が短縮されます。また、各領域は電圧/周波数曲線上の最適なポイントで動作できるようになります。

ダイダイアグラムの右下隅に、新しいZステート領域があることに気づくでしょう。この領域は、ハードウェア支援による新しいZ10およびZ9スリープ状態を制御します。前者は基本的にプロセッサを完全にシャットダウンし、後者はチップの電源をオフにしますが、ディスプレイはオンのままです。この領域もパワーゲーティングされています。

AMDは長年、センサーデータに基づいて電圧を制御するシステム管理ユニット（SMU）を使用してきましたが、SoCにはSMUが1つしか搭載されていませんでした。Rembrandtでは、AMDはリモートSMUを追加しました。リモートSMUは、チップの様々な要素に分散配置された小型のSMUで、中央SMUによって割り当てられたバジェットに基づいて、クロックゲーティングとパワーゲーティングを自律的に、そしてより高速に制御できます。

Infinity Fabric（データファブリック）は、負荷が低いときに拡張スリープ状態に移行できるようになりました。また、メモリとファブリックは帯域幅をリアルタイムで動的に調整し、電力を節約します。これは、帯域幅を大量に消費するRDNA 2グラフィックスがアクティブでないときに特に役立ちます。CPUがデータファブリックを飽和させることはほとんどないからです。

RDNA 2について言えば、このグラフィックエンジンは前世代APUに搭載されていたVegaグラフィックよりも最大300MHz高速化され（そう、AMDはRDNA 1をAPUに採用しませんでした）、IPCも向上しています。AMDは、ディープスリープ状態、パワーゲーティング、動的クロック調整といった同様のアプローチを採用することで、グラフィックエンジンの電力とパフォーマンスの最適なバランスを実現しています。

システムソフトウェア

AMDの新しいファームウェアベースの電源プロファイルは、ユーザーのアクティビティに動的に適応し、パフォーマンス、電力、温度、音響（PPTA）の最適なバランスをユーザーに提供します。このアプローチは、バランス、高パフォーマンス、サイレントといったWindowsの電源プランの標準的なパラダイムを回避し、ドライバーと電源管理ファームウェアに組み込まれた適応型アルゴリズムを採用しています。

この電源管理フレームワーク（PMF）アルゴリズムは、人の存在検知、皮膚温度、SoCなど（スライドに記載）といった様々な入力データを分析し、あらゆるワークロードに合わせてPPTAをリアルタイムにカスタマイズします。Windowsの電源スライダーまたはOEMソフトウェアを使用して、好みのプロファイルタイプを全体的に指定できます。また、標準のWindows電源プランを選択するだけでPMFを上書きすることも可能です。残念ながら、この機能はすべてのRyzen 6000搭載デバイスに標準搭載されるわけではありません。ベンダーによる有効化が必要となるため、サポート内容はデバイスによって異なります。

AMD Radeon 600Mシリーズのベンチマーク - RDNA 2がAPUに登場

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AMDは、Cezanneに搭載されていたVegaグラフィックスをRembrandtのNaviに直接移行しました。つまり、RDNA 1を完全にスキップし、RembrandtではRDNA 2の完全実装と呼ぶものを採用したということです。AMDはまた、この新しい統合グラフィックエンジンにRadeonのブランドを冠しました。

Radeon 680Mと呼ばれるiGPUは、最大2.4GHzまでブースト可能な12個のコアと4つのレンダリングバックエンドを搭載し、FP32で最大3.4TFLOPS、FP16で最大6.8TFLOPSの演算性能を実現します。ローエンドのRadeon 660Mは、最大1.9GHzまでブースト可能な6個のコアと2つのレンダリングバックエンドを搭載しています。

iGPUには、最大50%拡張された実行エンジン、LPDDR5Xによる1.5倍のメモリ帯域幅、2倍のL2キャッシュ、2倍のレンダリングバックエンドが搭載されています。Rembrandtは、DirectX 12 Ultimate、FSR、Radeon Super Resolution（RSR - 2022年春に登場）もサポートしています。

AMD は、300 MHz 高いブーストクロックと Navi のより高い IPC を宣伝しています。これらを組み合わせることで最大 2 倍の iGPU パフォーマンスが得られ、薄型軽量デバイスで 1080p ゲームが可能になります (ただし、一部のタイトルでは忠実度が低下します)。

上記のアルバムに掲載されているベンチマークはAMDが提供したものですが、ベンダー提供のベンチマークと同様に、鵜呑みにしないようご注意ください（記事末尾にテスト結果を掲載しています）。AMDはRyzen 7 6800UをIntel Tiger Lake Core i7-1185G7と比較しました。また、Nvidia GeForce GTX 1650 Max-Qディスクリートグラフィックスとの比較も掲載しており、FSRとRSRを追加することで、リードを奪うための後押しとなっています。

プラットフォームと新しいUncore

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Ryzen 6000 は、LPDDR5 および DDR5 メモリ、PCIe 4.0 接続、40 Gbps の USB4 (20 Gbps はオプションではありません)、デュアルバンド同時機能を備えた WiFi 6E、Bluetooth LE 5.2、および AV1 ハードウェアデコード (残念ながら、AV1 ハードウェアエンコードはサポートされていません) など、豊富な接続オプションをサポートしています。

USB4はチップに直接統合されているため、外付けチップは不要です。一方、WLAN接続には引き続き外付けモジュールを使用します。さらに、5G LTEモデムなどの他の接続オプションもPCIeバスに接続するため、外付けチップが必要になります。一方、Thunderbolt 4の認証はノートPCのモデルごとに行われるため、すべてのシステムが認証されるわけではありません。

AMD は、GPU とストレージデバイスの両方で電力効率 (pj/ビットの低下) が優れているため、PCIe 4.0 接続を選択したと述べています。

AMDは、AIノイズキャンセリング技術を念頭に開発しました。この技術はRealtekとの提携により実現しているため、すべてのシステムでサポートされているわけではありません。しかし、AMDはノイズとエコーのキャンセリングにRealtekの事前学習済みニューラルネットワークを採用しています。このニューラルネットワークはRyzen 6000のDSPで動作し、AMDによるとGPU搭載の製品よりもはるかに消費電力が少ないとのことです。

AMDは最新技術のサポートを継続しており、Panel Self Refresh-Self Update（PSR-SU）などの新機能のサポートも追加しています。この技術により、ディスプレイはリフレッシュ間で変更された画面部分のみを更新することで消費電力を削減できます。AMDはまた、より高速できめ細かな電圧供給制御を実現するSVI3レギュレータに移行しました。

2枚目のスライドには、印象的なディスプレイ機能のリストが掲載されています。特に注目すべきは、AMDがHDMI 2.1仕様の開発に携わったHDMI標準化団体と協力したため、まだリリースされていないにもかかわらず、ハードウェアは同インターフェースを完全にサポートしている点です。

AMDのRyzen 6000ベンチマーク

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ここでAMDのパフォーマンスに関する主張をいくつか見ることができますが、その多くは疑問視すべき点です。例えば、最初のスライドは、IntelのCore i9-12900HKのオンラインパフォーマンス結果を用いたAMDの安易な計算に基づいています。AMDはここで、マルチスレッドCinebenchベンチマークに基づいてワットあたりのパフォーマンスを計算するための基本的な計算を行い、Ryzen 9 6900HSはCore i9-12900HKと比較してワットあたりのパフォーマンスが最大2.6倍優れていると主張しています。

しかし、スライドでは12900HKの持続電力制限が110Wであると指摘されていますが、チップは明らかに電圧/周波数曲線の上限、つまり最も効率の悪い領域で調整/動作しています。しかし、これは信じられないほどよく収容された筐体と驚異的な冷却能力を備えているからこそ可能なのです。そのため、Intelチップは明らかに、35WのRyzen 9 6900HSのように最適化された低電圧/周波数範囲で動作しているわけではありません。そのため、2つのモデルの電力効率を比較しても、TDPが低いAlder Lakeモデルや、より主流の筐体に搭載された同様の45Wモデルで見られるものとは異なります。つまり、これはやや異なるモデルを比較していることになります。

AMD はまた、Ryzen 5000 ノートブックから Ryzen 6000 に移行することで得られるパフォーマンスとバッテリー寿命の向上を強調するベンチマークもいくつか提供しました。

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AMDはまた、15W vs. 15W、および15W vs. 28Wのパフォーマンスを様々なベンチマークで比較した一連のベンチマーク結果も公開し、大幅な向上を示しました。ただし、これらのスライドにはTiger Lake Core i7-1185G7もサンドバッグとして含まれています。ただし、これらの結果はRyzen 6000の真のライバルであるAlder Lakeと比較した際の結果を代表するものではないことに注意してください。

Ryzen 9 6900HXと前世代のCore i9-11980HKを比較したところ、AMDは新しいAlder Lakeチップを含めた比較でも同様の違いが見られると主張しています。繰り返しますが、これらの主張は鵜呑みにしないでください。