AMD Radeon VII – först ut på 7 nanometer

Med tillverkningsteknik i världsklass och 16 GB HBM2-minne tar AMD återigen upp kampen om entusiastsegmentet med arkitekturen Vega. Häng med för att se om det räcker hela vägen fram.

2. Vega på 7 nanometer

Krympningar och nya tillverkningstekniker har traditionellt inneburit rejäla framsteg inom halvledarindustrins tre viktigaste parametrar – energieffektivitet, prestanda (klockfrekvenser) och så klart transistortäthet. Historiskt har det varit mer regel än undantag att en ny teknik givit tydliga fördelar.

AMD-Polaris-4.jpg

AMD om teknikskiftet 28 till 14 nanometer.

AMD-Polaris-5.jpg
AMD-Polaris-6.jpg
AMD-Polaris-7.jpg
AMD-Polaris-8.jpg
AMD-Polaris-9.jpg

Så blev också fallet när långlivade 28 nanometer förpassades till historieböckerna på grafikkortssidan. Det här var också för första gången på länge som AMD bröt sitt samarbete med TSMC och började tillverka grafikkretsar någon annanstans – Globalfoundries, samma aktör som under många år tillverkat AMD:s processorer. Nvidia stannade kvar hos TSMC.

Efter avstickaren till Globalfoundries återvänder AMD till TSMC när det är dags för stora nästa tillverkningstekniska kliv till 7 nanometer. Det handlar återigen om stora teoretiska fördelar jämfört mot föregående generation, men de är inte lika påtagliga som tidigare teknikskiften.

DavidWang_NextHorizon-06.jpg

När AMD talar om 7 nanometer ger tekniken upp till "halverad strömförbrukning vid likvärdig prestanda" jämfört med den 12-/14-nanometersteknik bolaget använder hos Globalfoundries. Påståendet gäller vid en lägre frekvens och optimal spänning, rent krasst ett bästa scenario.

Det andra påståendet från AMD är 25 procent högre prestanda med 7 nanometer. I kontexten tillverkningstekniker menas klockfrekvenser när det talas om prestanda och inte arkitektoniska förändringar som ger högre prestanda vid en given frekvens (IPC). Även här handlar det om ett bästa scenario och ett värde som krymper för framförallt högpresterande kretsar, det vill säga med höga klockfrekvenser.

Processorer på över 3,0 GHz är typexemplet på saker som brukar komma en bra bit under de procentuella förbättringar som utlovas. Grafikkretsar som än så länge har klockfrekvenser under 2,0 GHz har mer att vinna på nya tillverkningstekniker än designer ämnade höga klockfrekvenser.

Prestanda och strömförbrukning är viktiga, men den parameter som verkligen drivit utvecklingen framåt är högre transistortäthet. Här talar AMD om en dubblering, vilket betyder att det är möjligt att skapa en dubbelt så komplex krets på samma yta om med föregående tillverkningsteknik.

När det talas om nya tillverkningstekniker och kostnadsfördelar har lägre pris per transistor i årtionden varit halvledarindustrins heliga graal. En dubblering har tidigare inneburit en halvering i tillverkningskostnad. Sedan ungefär tio år tillbaka har kostnadsfördelarna för varje ny teknik krympt – "Moores lag är död".

I och med 7 nanometer är det flera aktörer som har is i magen och stannar kvar på äldre tillverkningstekniker, då den nya har både högre utvecklingskostnader och är dyrare att tillverka på. Samtidigt är de prestandamässiga fördelarna inte lika stora som tidigare. De som inte hoppar på 7 nanometer idag väntar på att tekniken ska förfinas och gå ned i pris.

De allra senaste tillverkningsteknikerna har med andra ord blivit en lyxvara, som endast de största aktörerna har råd att investera i. Apple och Huawei var tidigt ute under hösten 2018 med kretsar tillverkade på 7 nanometer. Nu får de sällskap av AMD som med start år 2019 storsatsar på tekniken.

Vega 20 – första grafikkretsen på 7 nanometer

För att ta det första steget på 7 nanometer använder AMD sin arkitektur Vega, som lanserades under sensommaren 2017. Grafikkretsen heter Vega 20 och är i allt väsentligt en krympning av Vega 10 med den stora nyheten att minnesbussen för HBM2-minne dubblerats från 2 048 till 4 096 bitar.

Vega20_575px.png

Rendering av Vega 20 med fyra stycken HBM2-minneskapslar.

Grafikkort

GPU

Teknik

Transistorer

Storlek

Trans./mm²

Radeon VII

Vega 20

7nm

13 200 milj.

331 mm²

39,88 milj.

RX Vega 64

Vega 10

14nm

12 500 milj.

486 mm²

25,72 milj.

RX 590

Polaris 30

12nm

5 700 milj.

232 mm²

24,57 milj.

RX 480/580

Polaris 10/20

14nm

5 700 milj.

232 mm²

24,57 milj.

R9 Fury X

Fiji

28nm

8 900 milj.

596 mm²

14,93 milj.

R9 290X

Hawaii

28nm

6 200 milj.

438 mm²

14,16 milj.

HD 7970

Tahiti

28nm

4 300 milj.

365 mm²

11,78 milj.

HD 6970

Cayman

40nm

2 640 milj.

389 mm²

6,787 milj.

HD 5870

Cypress

40nm

2 150 milj.

334 mm²

6,437 milj.

HD 4890

RV790

55nm

959 milj.

282 mm²

3,400 milj.

HD 4870

RV770

55nm

956 milj.

260 mm²

3,677 milj.

HD 3870

RV670

55nm

666 milj.

192 mm²

3,469 milj.

HD 2900 XT

R600

80nm

720 milj.

420 mm²

1,714 milj.

RTX 2080 Ti

TU102

12nm

18 600 milj.

754 mm²

24,67 milj.

RTX 2080

TU104

12nm

13 600 milj.

545 mm²

24,95 milj.

RTX 2070

TU106

12nm

10 600 milj.

445 mm²

23,82 milj.

Titan V

GV100

12nm

21 000 milj.

815 mm²

25,77 milj.

Tesla P100

GP100

16nm

15 300 milj.

610 mm²

25,08 milj.

GTX 1080 Ti

GP102

16nm

12 000 milj.

471 mm²

25,48 milj.

GTX 1080

GP104

16nm

7 200 milj.

314 mm²

22,93 milj.

GTX 1060

GP106

16nm

4 400 milj.

200 mm²

22,00 milj.

GTX Titan X

GM200

28nm

8 000 milj.

601 mm²

13,31 milj.

GTX Titan

GK110

28nm

7 080 milj.

561 mm²

12,62 milj.

GTX 680

GK104

28nm

3 540 milj.

294 mm²

12,04 milj.

GTX 580

GF110

40nm

3 000 milj.

520 mm²

5,769 milj.

GTX 480

GF100

40nm

3 000 milj.

529 mm²

5,671 milj.

GTX 285

GT200b

55nm

1 400 milj.

470 mm²

2,979 milj.

GTX 280

GT200a

65nm

1 400 milj.

576 mm²

2,431 milj.

9800 GTX+

G92b

55nm

754 milj.

260 mm²

2,900 milj.

8800 GT

G92a

65nm

754 milj.

324 mm²

2,327 milj.

8800 Ultra

G80

90nm

681 milj.

484 mm²

1,407 milj.

Få arkitektoniska nyheter innebär också att AMD inte ökat antalet transistorer drastiskt mot tidigare. Jämfört med Vega 10 handlar det om 13,2 miljarder eller knappt 6 procent fler för Vega 20. Kretsytan för nykomlingen ligger på 331 mm² jämfört mot 486 mm² för Vega 10.

Med både antalet transistorer och kretsyta i hand står det klart att Vega 20 endast huserar 55 procent fler transistorer på en given yta än Vega 10, vilken tillverkas på Globalfoundries 14-nanometersteknik. Det är ungefär hälften av vad AMD gör gällande att de ska kunna få ut av TSMC:s 7-nanometersteknik.

Medan Vega 20 rymmer närmare 40 miljoner transistorer per kvadratmillimeter är antalet mer än det dubbla med Apples systemkrets A12, som med samma teknik rymmer 82,8 miljoner transistorer på samma yta. Även om jämförelsen inte är helt rätt – företag räknar olika och vissa IP-block skalar inte ned lika bra som andra – är det tydligt att Vega 20 inte utnyttjar 7-nanometersteknikens fulla potential.

Varför Vega 20 inte når den dubblering AMD talar om kan vi endast spekulera i. En möjlighet är att AMD behöva lätta på transistortätheten för att hålla temperaturerna i schack. En annan är att bolaget valde att vara försiktiga med sin första krets på 7 nanometer då det är riskfyllt att göra en alltför komplex krets på en obeprövad tillverkningsteknik. I klartext att Vega 20 är en "piprensare" som används för att AMD ska lära sig bemästra tekniken till Zen 2 och nästa grafikarkitektur Navi. Eller en kombination av båda.

Oavsett anledningar blir 7 nanometer en riktig långkörare och under året släpper TSMC en uppföljare (7nm+) som levererar ytterligare lite bättre transistortäthet och energieffektivitet, men försumbara prestandafördelar. Det är också dessa tekniker som kommer vara det bästa AMD och Nvidia har att tillgå under lång tid framåt.