結盟AMD 索尼新主機PS4版APU構成解析

        如無意外，索尼新一代遊戲主機「PlayStation 4」(PS4)將會成為一款在價格上極具競爭力的產品。不過如果我們從晶片的層次對其進行觀察，那麼得出的結論會相對更加合理。而SCE也能夠果斷得採用價格戰，將產品價格控制到一定的水準之下的同時依然能夠保持盈利。
    第一代PLAYSTATION 3(PS3)晶片面積約為200平方毫米，由2個晶片組成。而PS4則使用了同樣為200平方毫米的單個APU晶片，電晶體數量超過了30億個。PS4主要的成本就是其APU晶片，以及與之搭配的那些4Gbit GDDR5晶片。不過相比以前，GDDR記憶體晶片的價格已經開始走低。另外在功耗方面，PS4的功耗將會大幅降低。
通過與之前PlayStation 2/3晶片進行對比，應該可以更好瞭解PS4晶片的發展，通過下圖你可以看到相關的對比。總的來說SCE公司遊戲主機的晶片已經完成了3-4代的產品發展。
首先看到的是PS2，其CPU為EE(Emotion Engine)，GPU為GS(Graphics Synthesizer)。在使用250nm工藝時，CPU晶片面積約為200平方毫米。在工藝不斷提升，最終提升至90nm時，晶片面積減少至86平方毫米。
    而PS3所用晶片工藝則由90nm升級至45/40nm，雖然工藝獲得了提升，但是CPU方面Cell Broadband Engine(Cell B.E.)面積並沒有進一步減少，同時GPU方面RSX(Reality Synthesizer)也止步於40nm（之前曾有報導指出會提升至28nm，實際為錯報）。同時也沒有實現單晶片設計，因此PS3並沒有象PS2那樣將晶片的成本降下來。
    而通過PS4可以看到，此次使用的是單晶片設計。晶片面積在200平方毫米，因此實際上相比之前面積是減少了許多。雖然目前還不清楚PS4晶片的性能，但是現在可以確定的是晶片成本肯定是降低了不少。
從AMD GPU和CPU推測PS4晶片尺寸
    PS4版APU(Accelerated Processing Unit)的核心尺寸推測起來應該是很方便，原因是在工藝方面應該使用的是TSMC的28nm工藝，因此在某種程度上也能夠瞭解到其晶片架構（chip architecture）。
實際上PS4版APU包括有擁有更強性能的GPU Core，8個CPU內核+緩存SRAM和CPU內核調節及GPU Core的邏輯控制等晶片。並且CPU部分和GPU部分核心面積大體上也可以推測出來。
    據稱PS4的CPU核心為AMD低功耗核心「Jaguar」(美洲豹)，GPU Core為下一代Radeon Core。GPU Core的 組成包括有18個「CU(Compute Unit)」，1152個MAD單元。顯存介面為256bit，使用的是GDDR5顯存。因此這種組合，除了CPU核心，基本上接近於AMD當前的性能級GPU顯示核心「Radeon HD 7870」(Pitcairn)。
    下面是Radeon HD 7870(Pitcairn)的結構圖，其中有效CU單元數量為20個，MAD單元數量為1280個。 顯存介面為GDDR5 256bit。PS4 GPU Core無論從運算單元數量和顯存介面位元寬均與其相當接近。而Radeon HD 7870核芯面積為212平方毫米，由於PS4 APU的CU數量少了一些，因此其面積要更小一些。因此我們也可以據此推測其核芯面積到底有多大。
另一方面，Jaguar的CPU核心在AMD x86-64系列CPU核心中是最小的，甚至比Intel Atom系列晶片的核心還要小。通過對比AMD公司各代CPU核心的面積就可以更加清楚，比如使用32nm工藝K10 CPU核心面積為10平方毫米左右，而Bulldozer的雙核心模組為18平方毫米，使用了28nm工藝的Jaguar僅有3.1平方 毫米。因此PS4 CPU核心面積是非常小的。
AMD之前曾經在ISSCC 2013大會上發佈了28nm Jaguar 4 Core處理器的相關概要，這款處理器配備有2MB二級快取記憶體 。下面這張圖就是當時AMD所展示的，圖中可以看到4個CPU核心，上面512KB的二級快取記憶體共計4個。 中間是二級快取記憶體介面和縱橫接線器。
Jaguar的構成
    根據當時公佈的資訊，Jaguar四核CPU的面積為是26.2平方mm。 因此PS4由於擁有8個核心，因此簡單乘以2就是52.4平方毫米。
AMD性能級GPU加上Jaguar
    由於Pitcairn的核心面積在212平方毫米左右，因此加上8個Jaguar核心52.4平方毫米，這樣總計為264平方毫米。作為APU晶片，要加上CPU核心和GPU核心之間的相關電路的話，核心面積應該還要再略大一些。下面這張圖展示的是APU Trinity中，CPU和GPU核心是如何實現複雜融合的。
Trinity架構圖
    不過實際上PS4版APU使用了新一代的合併架構，並且記憶體介面也升級為GDDR5，因此與普通的APU產品相比還存在很大的不同。估算起來，PS4版APU核心面積預計回控制在300平方毫米左右。AMD當前的APU Trinity核心面積為246平方 毫米，PS4晶片很有可能會比這個大一圈。下面是基於32nm工藝Trinity的核心構成，差不多這個面積提升20%就達到了PS4版APU相同的水準。  
Trinity的構成
    Trinity核心中，上半部分為2個模組，為4個核心，另外還包括有北橋，下半部分為GPU/視頻處理塊。Trinity使用的是Bulldozer系列Piledriver Core， 面積比Bulldozer稍大一些。不過儘管如此，2個模組加上L2緩存，其面積總計約30平方毫米。
    28nm Jaguar 4核心的面積大約為32nm Bulldozer雙核心的80～85%。 兩個架構，CPU模組的尺寸差距還是蠻大的，另外就是在相同面積的情況下，Jaguar可以配備更高容量的二級快取記憶體。
Jaguar的計算單元與Bulldozer模組對比
    Bulldozer如果工藝提升至28nm，那麼其核心面積最多可以縮減到原來的70％。如果同樣基於28nm工藝，那麼8核心Jaguar和4核心Steamroller面積應該差不多。如果使用上面的圖中的資料話，那麼8核心Jaguar面積約為4核心Piledriver核心的80％。
    當然如果SCE決定增加Jaguar Core的二級緩存容量，比如提升至4M，那麼CPU核心的面積將會因此而增加。另外就是Jaguar原先使用的9T設計，如果SCE決定使用28nm的同時，採用高性的12T設計，那麼核心面積自然也會增加。不過儘管如此，相比Trinity CPU面積減少的可能性還是相當高的。很有可能的是，原先計畫中，PS4採用的是四核心Bulldozer設計。
    Trinity右邊的DRAM控制器部分，雖然工藝獲得了提升，但是由於從DDR3變為GDDR5，因此面積會因此增加。 而左邊的I/O塊則預計會變小。另外就是CPU元件周圍的北橋，雖然由於28nm的使用會變小，但是由於記憶體的高速化以及CPU核心的增加，其面積也會因此而提升。
    其餘部就是GPU Core了。這方面簡單得說，雖然其相對於Trinity GPU Core的面積有所增加，但是增加的面積依然要小於其它部分所減少的面積 。PS4版APU相比Trinity，GPU Core所占的面積比率變大了，這主要是由於晶片的運算性能提升了2倍以上， 因此GPU Core比率變大也就成為必然了。
28nm工藝及與AMD GPU相同架構
    PS4的GPU Core為下一代Radeon。根據AMD的計畫其下代產品為Sea Islands，GPU Core架構本身與現在的Radeon HD 7000系(Northern Islands)的Core變化並不大，因此可以認為PS4 GPU Core構成與當前的28nm產品基本相似。
    由於Sea Islands和Northern Islands差別不大，使用的都是28nm工藝，這也決定了針對不同市場的經濟且合適的核心尺寸，根據這也可以確定GPU的單位構成。下麵是GPU全部的核心尺寸圖。GPU核心尺寸分別100平方 毫米以下的價值GPU市場，100平方毫米所代表的主流GPU和200平方毫米以下所代表的性能級GPU，500平方 毫米所代表的則是發燒級GPU市場。
GPU的發展及核心尺寸的變化
    這裡順便介紹一下的是，由於現在的GPU同樣以每2年實現工藝的提升步調，晶片電晶體數增加也是每2年 提升1倍。因此架構大規模變更也是每2年一次。
GPU的發展及核心尺寸的變化
PS4 GPU Core構成分析
    我們現在已經知道了有關PlayStation 4(PS4)的GPU Core，並且大略瞭解了其組成及性能水準。CU單元共計18個，單精確度浮點運算性能 約1.84 TFLOPS。採用GCN架構以後的AMD GPU，每個CU包括64個SIMD(Single Instruction, Multiple Data)算術單元，再乘以18共計1,152個。倒過來算的話，GPU Core的運行頻率大概在800MHz。
PS4的構成
    PS4的Texture單元數量總共為72個， 如果運行頻率為800MHz，那麼頻寬就達到了57.6GTexel/sec。記憶體介面為GDDR5 256bit， 記憶體控制器分為4個x64單元，ROP(Rendering Output Pipeline)單位通常與記憶體控制器密切聯合。ROP處理時memory access頻率很高，而且各個ROP單元的參照都與特定的記憶體控制器連接。因此現在記憶體控制器和ROP單元基本上都是屬於同一個單元。
    由於PS4使用的是APU，因此CPU方面是如何實現memory access就無從得知了。其實PS4 APU架構最令人迷惑的就是記憶體控制器與CPU/GPU Core的連接。如果PS4嘗試將CPU和GPU使用相同的連接方式，那麼這將會 使其與當前的AMD APU的方式存在很大不同，同時與AMD將來的APU也有不同，這也是讓我們感到意外的部分。
Compute Unit的架構
AMD GPU晶片面積對比PS4 GPU
    現在我們已經知道PS4版APU採用的AMD 28nm GPU，很大可能性和Radeon HD 7870(Pitcairn)近似。在使用28nm工藝後，晶片面積為212平方毫米左右，而電晶體數 量則為28億。因此SCE在使用28nm工藝後，出於經濟性方面的考量，GPU核心選擇Pitcairn這個級別的產品應該是基本確定的。
AMD GPU核心尺寸
    Pitcairn是AMD在28nm時代面向遊戲發燒友推出的GPU晶片，基於該晶片顯卡的價格在200-300美元左右，而這也認為是這個市場的suite spot價格。因此PS4此次使用的顯卡基本上可以確定為28nm工藝的suite spot級GPU。
AMD GPU構成對比
PS4的GPU和Radeon HD 7870/7850構成比較
從PS4處理器的架構，大概不難想像，隨著AMD製程技術的進步
APU架構不僅核心越放越多，GPU可以放的空間也變更大
因此塞一顆7870或是7850進去也不是一件困難的事情
你可以想像內顯可以有7800的水準嗎XDDD