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AMDs Polaris Architektur

Klaus Hinum, Tanja Hinum, 29.08.2016

Polaris bezeichnet die 4. Generation der GCN Architektur für Grafikkarten von AMD und wurde Mitte 2016 mit zwei Chips eingeführt. Sie werden in 14-nm-FinFET produziert und sind für aktuelle Technologien wie DirectX 12, DisplayPort 1.4, HDR und HVEC vorbereitet. In folgendem Artikel gehen wir auf die Neuheiten der Architektur und auf die beiden Chips näher ein.

Radeon RX480 Die
Radeon RX480 Die

Die Polaris-Architektur wird in zwei Chips eingesetzt, dem kleineren Polaris 11 mit 16 CUs (Compute Units) und dem Polaris 10 mit 36 Compute Units (CUs). Beide Chips werden in zahlreichen Modellen für Desktops und Notebooks eingesetzt und variieren in freigeschalteten CUs, Taktraten und Speicherausführung. Die Features sind jedoch nach derzeitigen Informationen in allen Produkten gleich (keine künstliche Beschneidung). Bei der Namensgebung erkennt man Polaris basierende Produkte an der RX vor einer 400er Nummer.

14-nm-Prozess

Die Polaris-Chips werden im neuen 14-nm-FinFET-Prozess (3D-Transistoren) bei GlobalFoundries gefertigt und stellen dadurch einen deutlichen Schritt von den Vorgängergenerationen dar, die noch im 28-nm-Prozess produziert wurden. Zusätzlich zum kleineren Produktionsprozess gibt es auch noch einige technische Neuerungen:

  • Adaptive Clocking - bis zu 25% Stromsparpotential in manchen Situationen
  • Adaptive Voltage & Frequency Scaling (AVFS) - wie bei den aktuellen Bristol Ridge APUs sorgt dies für eine optimale Stromversorgung bei jedem Endprodukt
  • Boot Time Power Supply Calibration (BTC) - ebenfalls aus den APUs bekannt, kalibriert den Chip auf die Stromversorgung
  • Adaptive Aging Compensation - ebenfalls aus den APUs bekannt, feinere Anpassung auf den Alterungsprozess führt zu geringeren Toleranzen
Größenvergleich der Produktionsprozesse
Größenvergleich der Produktionsprozesse

GCN 4

Polaris integriert die vierte Generation der Graphics Architecture Next (auch GCN 4 genannt). Diese bietet zahlreiche Verbesserungen und Optimierungen im Vergleich zur Vorgängergeneration. AMD spricht hier vor allem von folgenden Verbesserungen:

  • Geometrie Engine
  • Shader Effizienz - bis zu 15% im Vergleich RX 480 zu R9 290 pro CU
  • Farbkompression - Delta Color Compression (DCC) kann nun über 30% Bandbreite sparen bei komprimierbaren Daten. Bei der Vorgängergeneration waren dies nur 18%.
  • Async Compute
  • größerer L2 Cache - soll zu einer höheren Energieeffizienz verhelfen und auch DCC unterstützen
  • Speicherkontroller optimiert
  • Liquid VR Support - z.B. Variable Rate Shading: nur im Blickmittelpunkt mit hoher Auflösung rendern mittels Multi-Viewport-Engine
  • TrueAudio Next; Ray Tracing Audio und Asynchronous Compute Nutzung ohne dedizierte Hardware

Display-Ausgänge

Wie auch die Pascal-Architektur, unterstützt Polaris ebenfalls die neuesten (und kommende) Standards für die Bildausgabe. DisplayPort 1.4 (ready) und HDMI 2.0b unterstützen hochauflösende Monitore. Hier nennt AMD z.B. 5K60 mit einem einzelnen Kabel (SDR) und 4K120 mit FreeSync (beides per DisplayPort). HDR Bildschirme werden mit 10-Bit 4K96 unterstützt.

Videoengine

Auch bei der Videoengine gibt es einige Verbesserungen. Hauptsächlich wurde die Unterstützung für HEVC/H.265 verbessert (z.b. HEVC Main-10 4K60). Laut AMD unterstüzten die Chips folgende Codecs in Hardware zur Dekodierung:

  • HEVC 4K60 Main-10
  • VP9 4K
  • MJPEG 4K30
  • H.264 4K120
  • MP4-P2 1080p60
  • VC1 1080p60
  • Netflix und Amazon 10-bit HEVC
  • Twitch H.264
  • Youtube VP9
  • Skype HEVC & MJPEG
DXVAChecker einer XFX RX 460 Desktop GPU
DXVAChecker einer XFX RX 460 Desktop GPU
H.256 4k 57Mbits 60fps Video Benchmark der XFX RX 460
H.256 4k 57Mbits 60fps Video Benchmark der XFX RX 460

Die beiden Chips Polaris 10 und Polaris 11

Polaris 10
Polaris 10

Polaris 10

Polaris 10 ist der größere Chip und wurde anfangs in den Produkten AMD Radeon RX 480 und RX 470 als Desktop-Grafikkarten vorgestellt. Der Chip bietet 36 Compute Unites (CUs) = 2.304 Shader, 4 Geometry Processors, 144 Texture Units, 2 MB L2 Cache und ein 256 Bit GDDR5 Speicherinterface (für bis zu 8 GB).

Polaris 11

Der kleinere Polaris 11 Chip bietet 16 CUs = 1.024 Shader, 1 MB L2 Cache und einen 128 Bit GDDR5 Speicherbus. Zusätzlich zu den Features des Polaris 10 Chips, bietet der Polaris 11 noch Power Gating zwischen den einzelnen CUs, wodurch er deutlich effizienter bei Teillast ist. Auch ohne Last zeigt er sich dadurch deutlich sparsamer. Anfangs gibt es einen Desktop Chip namens AMD Radeon RX 460 jedoch mit nur 14 CUs. Die mobile RX 460 (früher RX 480M benannt) bietet jedoch die vollen 16 CUs (bei reduzierten Taktraten).

Effizienz

Die Effizienz der Polaris-Chips kann nicht ganz mit den teuren Pascal-Modellen (z.B. GTX 1060) mithalten. Durch die günstigeren anvisierten Preispunkte ist hier jedoch wahrscheinlich noch einiges an Potential im Board Design möglich.

Ohne Last ist hier vor allem Polaris 11 zu Launch in der RX 470 und RX 480 etwas enttäuschend. Unter Last zeigen sich beide Produkte mit deutlichen Effizienzsteigerungen zu den Vorgängergenerationen. 

Zusammenfassung

Die Polaris-Chips sind die ersten Produkte von AMD im neuen 14-nm-FinFET-Prozess. Sie sind jedoch kein reiner Die-Shrink, sondern beinhalten zahlreiche Neuerungen auf technischer und architektureller Ebene. Bezüglich Feature-Level scheinen Polaris und Pascal auf einem Level zu sein, die Effizienz ist bei den ersten Pascal-Karten jedoch noch etwas besser. Sie deckt jedoch auch nicht den günstigen Einstiegsbereich ab, wo der Preis ein wichtiger Faktor ist.

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Autor: Klaus Hinum, 29.08.2016 (Update: 15.05.2018)