AMD Zen 3 Cezanne Ryzen 5000 Mobile genau angeschaut - Verbesserungen in Bezug auf SoC, Cache-Topologie und Energieeffizienz versprechen ein großartiges mobiles Erlebnis

AMD hat ein ganzes Jahr gebraucht, um die mobilen Zen-2-Renoir-APUs nach deren Desktop-Pendants zu launchen. Und obwohl die Renoir-APUs insgesamt besser performten als Intel Comet Lake-U- und H-Chips, liefen sie in Sachen Single-Core-Leistung noch leicht hinterher. Zudem gab es auch nicht viele Premium-Laptops mit AMD Renoir, selbst bei den Gaming-Laptops waren AMD-Optionen maximal auf die NVIDIA GeForce RTX 2060 begrenzt.

All das ändert sich in diesem Jahr!

2021 kann AMD den Zen 3 Ryzen 5000 Mobile mit dem Codenamen "Cezanne" nicht nur innerhalb weniger Monate nach dem Desktop-Zen-3 Vermeer herausbringen, wir werden außerdem wieder mehr Premium-Laptops mit AMD-CPU und einer dedizierten GPU bis hin zum Flaggschiff-Modell RTX 3080 Mobile zu Gesicht bekommen.

Zen 3 Ryzen 5000 Mobile entsteht im 7-nm-Prozess und hat eine Die-Größe von 180 mm² mit 10,7 Milliarden Transistoren. Cezanne kommt außerdem mit vielen willkommenen Änderungen daher, welche wir im Folgenden noch detailliert ausführen werden.

Mit Ryzen 4000 Renoir bot AMD APUs in den Serien U, H und HS an. Während sich die U-Serie vorwiegend auf dünne und leichte Laptops und einen niedrigen Akkuverbrauch fokussierte, zielte die H-Serie auf mobile Gamer und Content Creators. Die HS-Serie stellte mit ihrer auf 35 W limitierten TDP quasi den besten Kompromiss aus den beiden anderen Serien, also aus Mobilität und Leistung dar.

In diesem Jahr führt AMD Ryzen 5000 Cezanne eine neue HX-Serie ein, welche eine TDP von 45 W+ sowie Übertaktungsoptionen für Leistungsenthusiasten bereitstellt.

Die U-Serie beinhaltet auch weiter ein paar Zen-2-Chips, diese profitieren nun jedoch von aktiviertem SMT und haben zudem höhere Taktraten bei gleichzeitig aktivem AMD-Powermanagement namens Collaborative Processor Performance Control (CPPC), welches bislang auf Desktop-Prozessoren beschränkt war.

Und so gibt AMD an, dass der Ryzen 3 5300U eine bessere Multi-Core-Leistung bietet als ein Core i7-1165G7 und das obwohl es heißt, dass die gesamte H-Serie den Ryzen Threadripper 1900X der ersten Generation im Cinebench R20 schlägt.

Einer der Gründe, weshalb AMD es geschafft hat die mobilen Zen 3 so schnell nach den Desktop-Zen-3 herauszubringen ist, dass die SoC-Topologie von Renoir und Cezanne gleich geblieben ist. Die meisten Architekturänderungen beziehen sich auf cleveres Feintuning, reduzierter Latenz und einen über alle Lastbereiche reduzierten Energieverbrauch. 

Zen 3 verfügt jetzt über eine höhere Bandbreite für Verzweigungsprädiktoren und "no Bubble"-Prediction sowie über einen größeren L1-Puffer, der jetzt 1.024 Einträge für eine verbesserte Vorhersagelatenz besitzt. AMD selbst sag, dass ein Hauptziel darin bestand, ein schnelleres Abrufen von verzweigtem Code mit großem Footprint zu ermöglichen.

Auf der Ausführungsseite zielt Zen 3 darauf ab, die Latenz für Float- und Int-Operationen zu reduzieren und eine höhere Parallelität auf Befehlsebene (ILP) zu ermöglichen. Zen 3 bietet jetzt eine Bandbreite von +2 für Float und einen schnelleren Zyklus von +1 für FMAC-Operationen (Fused-Multiplly Accumulate).

Renoir bot 2 Loads und 1 Speicher pro Zyklus an. Cezanne erhöht dies jetzt auf 3 Loads und 2 Speicher pro Zyklus, um ein besseres Prefetching und eine schnellere Ausführung zu ermöglichen. Der Translation Lookaside Buffer (TLB) von Zen 3 enthält jetzt vier weitere Table Walker für eine verbesserte Übersetzung von virtuellem Speicher in physischen Speicher.

Ähnlich zum Desktop-Zen-3 verfügt auch die mobile Variante über 2x L3-Cache und einen verbundenen CCX. Zen 3 bietet nun einen 16 MB großen L3-Cache, auf den alle acht Kerne schnell über eine Art Ringsystem zugreifen können. Das reduziert die Kommunikationszeiten zwischen den Kernen, aber auch zwischen Kernen und Cache-Speicher, was theoretisch zu einer höheren Gaming-Leistung führen sollte.

AMD sagt aus, dass man während der Entwicklung von Zen 2 Mobile die ganze Zeit schon Zen 3 Mobile im Hinterkopf hatte. Durch die Nutzung der gleichen SoC-Topologie für Renoir und Cezanne, konnte AMD eine Drop-In-Pin-kompatible Unterstützung für Zen 3 Mobile hinzufügen, sodass OEMs die aktuellen Renoir-Designs weiter verwenden und so zügig Cezanne-Upgrades anbieten können. Auch dadurch konnte  AMD den Ryzen 5000 Mobile schon in weniger als einem Jahr nach Ryzen 4000 Mobile herausbringen.

Wo zuvor ein Jahr zwischen Desktop- und Mobilvariante lag, sind es jetzt nur drei Monate. Und obwohl die SoC-Topologie gleich bleibt, gestattet Zen 3 verbesserte Taktraten und ein verbessertes Energiemanagement. 

Die Reduzierung der Inter-Core- und Inter-Cache-Latenz in Verbindung mit den Takterhöhungen und besseren Prozesskenntnissen, bietet deutliche Verbesserungen der Single-Thread- und Gaming-Leistung. Zusätzlich profitieren Spiele, die vor allem auf eine Single-Core-Auslastung ausgerichtet sind vom größeren L3-Cache, den Cezanne zu bieten hat.

Zen 3 unterstützt aber auch neue Sicherheitsfunktionen wie GMET, UMIP und CET.

Glaubt man AMD, so resultieren die vielen Änderungen von Zen 3 Mobile in einer bis zu 23 Prozent höheren Single-Thread- und einer bis zu 17 Prozent höheren Multi-Thread-Leistung, verglichen mit Zen 2 Mobile.

Cezanne unterstützt nun LPDDR4X-RAM, welcher nicht nur energieeffizienter ist, sondern auch über eine um 33 Prozent gestiegene, theoretische Bandbreite im Vergleich zu DDR4 verfügt. Der neue Speichercontroller führt einen Deep-Power-Status ein und unterstützt gleichzeitig sowohl LPDDR4X- als auch DDR4-Speicher. 

Der Speicher-PHY enthält einen Spannungsregler mit niedrigem Ausfall (LDO), der eine geringe Potentialdifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung ermöglicht, wodurch die Wärmeabgabe verringert wird und gleichzeitig ein schneller Übergang aus dem Zustand niedriger in die volle Leistung ermöglicht wird. 

Laut AMD unterstützt Zen 3 Mobile:

• Dual 64b Channel von DDR4 bis zu 3200 MT/s (1 DPC SR or 1 DPC DR)
• Quad 32b Channel von LPDDR4x bis zu 4266 MT/s

Cezanne nutzt die gleiche Vega-iGPU, die man auch in Renoir findet. Allerdings sind die Taktraten der diesjährigen Version um 350 MHz gesteigert worden und die Energieeffizienz wurde weiter erhöht. Laut AMD ist die Vega 8 iGPU aus dem Ryzen 7 5800U im 3DMark Time Spy bis zu 15 Prozent schneller als der Ryzen 7 4800U.

AMD präsentierte weitere Performancevergleiche zwischen Ryzen 7 4800U, Ryzen 7 5800U und dem Core i7-1165G7 bei populären Games aus dem eSports-Bereich bei 1080p und niedrigen Detaileinstellungen. Titel wie DOTA 2 und Valorant scheinen von Cezanne ordentlich zu profitieren.

Eine Verbesserung der allgemeinen Energieeffizienz war eines der Fokuspunkte bei Cezanne. Der Verbrauch konnte unter allen Arbeitszuständen reduziert werden, sowohl im Standby, aber auch im Idle, bei der Videowiedergabe und Alltagsaufgaben, so AMD.

Das Unternehmen behauptet, dass alleine der Wechsel von einem Ryzen 4000 U auf einen Ryzen 5000 U bis zu 2 zusätzliche Stunden an Akkuausdauer bei der allgemeinen Produktivität einbringen soll, ohne dass sonst etwas am System verändert werden müsse. Die Standbyzeit ist auf bis zu 20 Stunden gestiegen.

Laut AMD tragen mehrere Faktoren zu verbesserten Effizienz des Ryzen 5000 bei. Wann immer möglich werden nun V_core MilliVolts in der Pipeline entfernt, um Energie zu sparen und zusätzlichen thermischen Spielraum, höhere Frequenzen und eine bessere Akkulaufzeit zu erreichen. Zusätzlich sorgt der neue Deep-Power-State im Speichercontroller dafür, dass der PHY an eine Low-Voltage-Versorgung umgangen wird, was hier ebenfalls eine Rolle spielt. 

AMDs Desktop-Prozessoren nutzen ein UEFI-Feature namens Collaborative Processor Performance Control (CPPC). Dieses erlaubt der CPU über ihre eigene Taktraten-Spannungs-Kurve (f/v) zu entscheiden. So kann die CPU ihre f/v dynamisch innerhalb von 1 - 2 ms anpassen, anstatt auf das Betriebssystem angewiesen zu sein, welches alle 30 ms den voreingestellten pState-Wert per Planer ändert. Das bietet Vorteile beim Vollast-zu-Idle-Übergang, weil Threads nun an schnellere und effizientere Kerne übergeben werden können.

Unter Renoir waren alle Kerne an die aktive GPU-Spannung in einem 1:1 V_core bis V_GFX Verhältnis, unabhängig von der Last, gebunden. Bei Cezanne kann jeder Kern seinen eigenen V_core für eine spezifische Taktrate selbst bestimmen. Zusammen mit CPPC hat dies einen deutlich schnelleren Übergang zwischen Last und Idle zur Folge.

AMD sagt auch, dass es die oft ignorierte Audio-Pipeline als einen wichtigen Stromverbrauchsfaktor identifiziert hat. Daher arbeitet AMD mit den OEMs zusammen, um Audio-Codecs zu verwenden, die einen verbesserten Leerlauf ermöglichen. Weitere Aspekte des Laptop-Designs, die ebenfalls berücksichtigt werden, sind eingebettete Controller, die sich im Leerlauf befinden, die Energieverwaltung im Dual-Display-Betrieb sowie die Steuerung der Hintergrundbeleuchtung.