Problème de taille chez AMD : à quand une conception hybride de processeurs ?

Intel et Qualcomm montent en puissance avec leurs récents efforts dans les processeurs hybrides, qui combinent des cœurs à haute vitesse et à faible consommation. Ces designs semblent prometteurs. Mais qu'en est-il d'AMD ? Pour leur bien, on espère que ça arrive bientôt.

Les processeurs pour PC évoluent sans cesse, et lancer un design de puce révolutionnaire est toujours un pari risqué. Le concept de design hybride big.LITTLE d'Arm, très répandu dans le marché des smartphones, est une des histoires de succès les plus marquantes de la dernière décennie. Il a boosté les performances et l'efficacité des appareils mobiles pendant des années. Nous avons observé des avantages similaires lorsque Intel a lancé son schéma de conception parallèle avec ses processeurs "Alder Lake" en 2021, l'un des changements de paradigme architecturaux les plus importants jamais réalisés par l'entreprise.

AMD a connu du succès avec ses propres innovations de processeurs ces dernières années, notamment avec ses innovations en matière de chiplets. Cependant, l'entreprise est en retard pour adopter son propre design hybride big.LITTLE. Bien qu'AMD ait fait quelques efforts dans ce sens, elle n'a pas encore déployé un produit big.LITTLE véritable. Cela pourrait changer avec la prochaine génération de processeurs d'AMD, mais avant cela, discutons de pourquoi AMD a besoin d'un vrai design big.LITTLE et à quoi cela pourrait ressembler.

Qu'est-ce que big.LITTLE, et pourquoi est-ce important ?

Parlons d'abord de ce qu'est exactement un design de processeur hybride big.LITTLE. Dans les designs de processeurs des 50 dernières années, beaucoup ont leurs avantages uniques. Les unités centrales de traitement (CPU) sont généralement conçues pour être polyvalentes, mais comme c'est souvent le cas, elles finissent par ne maîtriser parfaitement aucun domaine. C'est pourquoi nous voyons des processeurs plus puissants spécialement conçus pour les superordinateurs et d'autres, moins puissants et plus économes en énergie, pour des appareils à faible consommation comme les smartphones et les tablettes.

Les designs de processeurs hybrides contournent cette tendance en utilisant généralement deux architectures de processeur distinctes, chacune avec ses forces et ses faiblesses. Les forces de chacune peuvent compenser les lacunes de l'autre, les annulant dans certaines situations. Prenons un bref coup d'œil aux designs d'Arm et d'Intel pour illustrer cela.

Arm a lancé le concept de design hybride big.LITTLE en combinant ses cœurs Cortex A15 avec des cœurs Cortex A7 en 2011. Comme Arm licencie ses designs, nous n'avons pas vu de produits basés sur ce design avant 2013, lorsque Mediatek, Qualcomm et Samsung ont été parmi les premiers à l'implémenter dans les SoC de smartphones. Les cœurs Cortex A7 étaient extrêmement économes en énergie mais, comparativement, manquaient de vitesse. Les cœurs Cortex A15 offraient nettement plus de performances que les Cortex A7 mais consommaient plus d'énergie.

En pratique, l'objectif était d'utiliser autant que possible les cœurs Cortex A7 pour économiser la batterie, et cela fonctionnait bien, car vous n'avez pas besoin de beaucoup de performances pour des tâches simples comme vérifier l'heure, envoyer des messages texte ou même travailler sur des emails. Les cœurs Cortex A15 étaient sollicités lorsque plus de performances étaient nécessaires, comme lors de jeux ou de multitâches intensifs. En plus, certains designs permettaient à tous les cœurs de s'activer simultanément lorsque des performances encore plus importantes étaient nécessaires.

Intel a fait quelque chose de similaire lors de l'introduction de son premier design hybride en 2021, nommé de code Alder Lake. Tous les processeurs Alder Lake n'implémentaient pas un design hybride, mais ceux qui le faisaient combinaient un mélange de cœurs Performance à haute vitesse (P-cores) avec des cœurs Efficients économes en énergie (E-cores). Toujours utilisés aujourd'hui, ces derniers visent à fonctionner exactement comme le big.LITTLE d'Arm pour conserver l'énergie en utilisant les E-cores lorsque c'est possible, et pour obtenir de meilleures performances en utilisant les P-cores (ou tous les cœurs ensemble, lorsque nécessaire). Les P-cores des CPU Intel sont une continuation directe des cœurs utilisés dans les générations précédentes de processeurs Intel Core. En revanche, les E-cores ont évolué à partir de la ligne de processeurs Atom d'Intel. Les cœurs Atom étaient destinés aux ordinateurs portables compacts, aux tablettes et même aux smartphones, donc ils se sont bien intégrés dans leur nouveau rôle aux côtés des P-cores.

En plus de jouer sur les forces de plus d'une architecture de processeur, les designs de processeurs hybrides big.LITTLE ont d'autres avantages, notamment en termes de nombre total de cœurs et de coût. Les cœurs efficaces sont typiquement beaucoup plus petits que leurs homologues à haute performance et sont constitués de moins de transistors. Cela les rend moins chers à produire ; ils prennent moins de place sur une galette de silicium, permettant de découper plus de puces par galette, ce qui réduit le prix par puce grâce aux économies d'échelle.

La taille plus petite de ces puces a également permis à Intel d'augmenter le nombre total de cœurs de ses processeurs pour obtenir encore plus de performances, particulièrement dans les applications fortement multithreadées. C'est un détail crucial, car un petit cœur peut ne pas égaler un de ses homologues à grand cœur, mais comme ils sont plus petits, vous en obtenez généralement plus d'un dans l'espace qu'occuperait un seul grand cœur. Comme vous pouvez le voir sur le schéma ci-dessous, Intel montre que quatre de ses E-cores sont à peu près de taille similaire à l'un de ses P-cores.

En termes de performances, un P-core serait nettement plus rapide dans une charge de travail à thread unique, mais les E-cores ensemble seraient susceptibles de le surpasser dans une charge de travail fortement multithreadée. Fondamentalement, cela revient au fait que, en échangeant quelques P-cores pour un plus grand nombre d'E-cores, vous pouvez potentiellement voir de meilleures performances globales sans augmenter la taille du chip et augmenter considérablement les coûts de production. Cela s'est avéré avantageux pour Intel et ses récents designs de processeurs, lui donnant un avantage en termes de prix sur certains produits et en nombre total de cœurs.

Les puces big.(pas si)LITTLE actuelles d'AMD

Les premiers efforts d'AMD pour produire un design de cœur big.LITTLE ont différé des efforts d'Arm et d'Intel de manière intéressante. Alors que Arm et Intel utilisaient des designs de processeurs totalement différents, avec des gros cœurs optimisés pour la haute performance et des petits cœurs adaptés à la haute efficacité, AMD utilisait à peu près la même architecture pour les deux. Pour ce faire, AMD a retravaillé son architecture de processeur Zen 4 existante en la nouvelle architecture Zen 4c, qui a été introduite avec la série de processeurs serveur Epyc 9004 Bergamo.

Les cœurs de CPU Zen 4c sont rapportés comme étant environ 35% plus petits que leurs homologues Zen 4. Cela a été réalisé principalement en retravaillant certaines parties du processeur pour être plus compactes et en réduisant la quantité de cache L3 par cœur à 2MB au lieu de 4MB. AMD affirme que les architectures Zen 4 et Zen 4c devraient offrir les mêmes performances, mais je suis réticent à croire cela entièrement, car ce cache supplémentaire donnera probablement un avantage aux cœurs CPU Zen 4 réguliers dans certaines situations, comme les jeux. Cependant, cela n'est probablement pas une préoccupation pour les clients de serveurs achetant du matériel fonctionnant sur un processeur Epyc.

Les cœurs de CPU Zen 4c ont depuis fait leurs débuts sur les marchés mobiles et de bureau. Sur ces processeurs, nous voyons les cœurs de CPU Zen 4c associés aux cœurs de CPU Zen 4 standard et aux processeurs graphiques Radeon dans une solution à puce unique. Ils disposent également d'une quantité considérable de cache L3. Cela varie d'une puce à l'autre, mais dans tous les cas, c'est plus que les 2MB de cache L3 par cœur comme présenté sur les processeurs Epyc. Ce retour à un pool de cache plus grand pour ces puces a du sens, car elles peuvent être utilisées pour les jeux et disposent de processeurs graphiques intégrés relativement puissants (IGP), mais probablement, ces puces ne sont également pas tout à fait aussi petites. Vous trouverez encore moins de différence entre les cœurs Zen 4 et Zen 4c dans ces produits.

Aussi intéressants que soient ces nouveaux produits, ils ne sont tout simplement pas les mêmes que les designs big.LITTLE proposés par Arm et Intel, et les choix de conception d'AMD ont des conséquences notables. D'un côté positif, le design d'AMD évite des écarts significatifs en termes de performances d'un cœur à l'autre, ce qui ne peut pas être dit pour les autres.

Intel précise que ses cœurs P haute performance et ses cœurs E à haute efficacité ne performent pas au même niveau. Les cœurs E ne sont pas destinés à performer au même niveau qu'un cœur P ou l'un des cœurs CPU Zen 4 d'AMD. Cela signifie que lorsqu'il y a parité de nombre de cœurs entre un CPU moderne Intel et un CPU AMD, nous nous attendrions généralement à ce que le CPU AMD soit plus rapide. Cela se confirme effectivement. En regardant le Intel Core i7-13700K à 16 cœurs et le AMD Ryzen 9 7950X à 16 cœurs, nous constatons des signes clairs que le 7950X était plus rapide dans les tâches centrées sur le CPU. Le 7950X était battu dans de nombreux tests à son tour par le Core i9-13900K, cependant, ce qui est principalement dû au 13900K expédié avec huit cœurs E supplémentaires, portant son nombre total de cœurs à 24. Ce n'est pas la meilleure comparaison, car le 7950X n'a que des cœurs Zen 4 standard, mais les résultats seraient peu susceptibles de changer beaucoup si la moitié des cœurs du 7950X étaient des cœurs Zen 4c.

À première vue, cela peut donner l'impression que le design d'AMD est supérieur, mais considérons pourquoi un fabricant de puces met en œuvre un design big.LITTLE en premier lieu. Il s'agit de performances, de coût et d'efficacité.Avec ses processeurs Epyc, AMD pourrait loger 16 cœurs de processeur Zen 4c dans un espace légèrement plus grand que ce que huit cœurs de processeur Zen 4 occuperaient. Bien que cela soit impressionnant, passer à un véritable petit cœur de processeur qui serait encore plus petit, plus économe en énergie et moins coûteux à produire que un cœur Zen 4c serait probablement bénéfique pour AMD.

Un ancien petit cœur pourrait-il revenir ?

Il est difficile de dire avec certitude si AMD travaille sur une nouvelle architecture avec un vrai schéma de design big.LITTLE. Bien que ces designs se soient avérés bénéfiques pour Arm et Intel, l'industrie technologique ne reste jamais immobile, et AMD a indéniablement de nouvelles idées qu'elle espère se traduire par un avantage. Cependant, si AMD devait créer un nouveau petit cœur, je vois quelques endroits prometteurs à partir desquels elle pourrait commencer.

Pour AMD, le point de départ le plus prometteur pour un cœur de processeur petit et à haute efficacité moderne pourrait être de revenir à son architecture "Jaguar" désormais ancienne. AMD avait initialement conçu des processeurs basés sur cette configuration pour les tablettes et les ordinateurs portables clients légers, mais les cœurs Jaguar étaient également utilisés à l'intérieur des consoles de jeux Xbox One et PlayStation 4 de Microsoft et Sony. L'architecture Jaguar est trop vieille pour servir de petit cœur dans un processeur moderne, mais le design pourrait être modernisé avec quelques éléments de design de Zen 4 et déplacé vers un nouveau processus de fabrication.

Alternativement, AMD pourrait concevoir un nouveau cœur à partir de zéro, ou encore plus dépouiller son architecture Zen 4c pour créer un petit. Savoir quelle option serait la meilleure est difficile, car je ne suis pas un ingénieur en conception de puces. Mais, dans le passé, j'ai vu de vieux designs revenir dans de nouveaux produits, ce qui laisse l'impression que la mise à jour du vieux cœur Jaguar pourrait être le moyen le plus simple pour AMD d'obtenir un petit cœur E à haute efficacité de son cru.

Franchement, si AMD veut rester compétitif, compte tenu des signes que Qualcomm se lance sérieusement dans les PC (pour de bon, cette fois !) et des puces "Lunar Lake" d'Intel arrivant au troisième trimestre, elle pourrait devoir puiser dans le passé. La prochaine conception de processeur de nouvelle génération d'AMD est attendue plus tard cette année, et bientôt, nous aurons probablement un aperçu de ce qu'AMD a développé. Le PDG d'AMD, le Dr. Lisa Su, donnera une keynote de 90 minutes au salon Computex Taipei le 3 juin. AMD fera probablement allusion à ses futurs processeurs lors de cet événement, et nous pourrions obtenir notre premier aperçu d'un véritable processeur hybride AMD à ce moment-là. Si ce n'est pas le cas, alors espérons que ce qu'AMD a développé comme alternative sera excitant et compétitif.