AMD Radeon R9 290X et R9 290 en test : Hawaii sort ses watts

Powertune

PowerTune est depuis quelques années la technologie de contrôle de la consommation des GPU AMD. A l'origine, elle consistait à utiliser de nombreux capteurs de charge internes pour estimer aussi précisément que possible la consommation du GPU de manière à l'empêcher de dépasser le TDP. Une approche totalement déterministe qui permet à chaque exemplaire d'afficher des performances identiques dans des conditions identiques, comme c'est le cas sur les CPU et contrairement à la technologie GPU Boost de Nvidia qui se base sur une mesure directe de l'intensité du courant. Par ailleurs, PowerTune est une unité de contrôle intégrée directement dans le GPU alors que GPU Boost est un monitoring principalement logiciel. PowerTune peut donc réagir beaucoup plus vite et surtout travailler à une fréquence plus élevée.


Sur les Radeon HD 7000 originales, 3 P-states étaient exploités par PowerTune avec un High State dans lequel pouvait évoluer les fréquences/tensions. Les Radeon HD 7970 GHz Edition et HD 7950 v2 ont introduit un 4ème P-state. Ce Boost State permet de faire évoluer la fréquence avec une tension plus élevée.

À partir de Bonaire, AMD a remis à plat sa gestion des P-sates :


Pour la Radeon 7790, 8 P-States qui représentent des couples fréquence/tension différents sont cette fois exploités. Suivant l'activité du GPU, l'estimation de sa consommation et de son échauffement, PowerTune va faire passer le GPU d'un P-Sate à l'autre avec une granularité de 10 ms. AMD précise cependant que dans les outils d'overclocking, la fréquence reportée sera lissée, sans donner plus de précisions à ce sujet.

Avec Hawaii, PowerTune poursuit son évolution et ce sont cette fois pas moins de 64 P-states qui sont disponibles. Pour gérer tout cela avec un délai de réaction très court, AMD a développé une nouvelle interface, nettement plus rapide, pour le contrôleur de l'étage d'alimentation : SVI2 ( Serial VID 2).


Celle-ci autorise des changements de tension/fréquence tous les 10 µs, avec une granularité de 6.25 mV. AMD n'a pas pu nous indiquer la variation minimale de fréquence à laquelle cela correspond mais nous l'estimons à +/- 10 MHz dans le cas des Radeon R9 290. Il est difficile de l'estimer précisément puisque la valeur reportée par exemple dans GPU-Z n'est jamais la valeur réelle mais une valeur lissée (qui varie alors par +/- 0.8 MHz). Notez que cette interface est capable de supporter jusqu'à 255 P-states mais AMD n'en a pas besoin d'autant pour le moment.

Cette interface est capable de transmettre au GPU des tensions/intensités à 40 kHz, ce qui exige une bande passante significative de l'ordre de 20 Mbps. Si le GPU reçoit dorénavant toutes ces données c'est parce qu'AMD a revu complètement le fonctionnement de PowerTune :


En effet, PowerTune sur Radeon R9 290X est dorénavant non-déterministe, exactement comme GPU Boost. Il se base sur la température réelle du GPU ainsi que sur sa consommation réelle, deux paramètres qui vont varier d'un échantillon à l'autre du GPU. Nous n'avons cependant pas ici à faire à la double variation que l'on retrouve du côté de Nvidia du fait que la fréquence turbo varie aussi d'un échantillon à l'autre, ce qui est un autre sujet. La fréquence maximale du GPU de la Radeon R9 290X reste bien fixe et identique pour tous.

L'algorithme utilisé par PowerTune peut être très complexe, la technologie étant flexible et les capteurs internes étant toujours présents. PowerTune peut par exemple exploiter les données des capteurs internes et/ou de la consommation instantanée pour en déduire une future élévation de la température GPU et l'anticiper avec une légère hausse de la vitesse du ventilateur alors que sans celle-ci une hausse plus importante aurait été nécessaire. Depuis très longtemps, la courbe de vitesse du ventilateur des cartes graphiques est on ne peut plus simple : T° X = Y %. Ce n'est plus le cas avec la Radeon R9 290X.

PowerTune tout comme GPU Boost ne définissent cependant pas le comportement des produits qu'ils pilotent, cette tâche revient à Nvidia et AMD qui choisissent quelles limites imposer pour chaque produit. Avec la Radeon HD 7970, AMD fixait une consommation maximale et une table de correspondance du taux d'activité de chaque bloc du GPU avec la consommation liée. Cette table de correspondance représentait le pire des cas et vu que PowerTune se basait exclusivement sur cette estimation, de nombreuses cartes étaient en pratique à une consommation inférieure et auraient peut-être pu tourner à une fréquence supérieure. C'était le prix à payer pour garantir les mêmes performances pour tous.

Avec GPU Boost, Nvidia ne s'est jamais embarrassé de ce détail et étant donné que son approche a été acceptée par la majorité, AMD a estimé qu'il n'y avait plus de raison d'imposer cette limite à ses cartes graphiques. Pour les GeForce GTX 700, Nvidia a opté pour une limite de température basse de 80 °C qui permet de limiter la vitesse du ventilateur puisqu'il s'agit d'une simple courbe comme expliqué plus haut. Son système de contrôle logiciel du GPU se charge de faire en sorte de respecter cette température.

Pour la Radeon R9 290X, AMD a dû faire des compromis, en privilégiant les performances. La température visée est ainsi élevée : 95 °C. AMD indique que tous les composants sont prévus pour cette température, bien entendu principalement le GPU et son packaging. Avant d'avoir du recul sur les taux de retour nous ne pouvons que laisser le bénéfice du doute à AMD. Notez que la comparaison avec les 80 °C de Nvidia n'est pas spécialement valide puisque les choix ont été différents et peuvent faire que 95 °C est un problème pour l'un et pas pour l'autre.

Ensuite, le lien température – vitesse ventilateur n'étant plus rigide, AMD peut imposer une vitesse de ventilateur maximale, ce qui est une meilleure approche au final pour limiter les nuisances sonores que celle de Nvidia.

Le problème bien entendu c'est qu'au vu de la consommation élevée du GPU Hawaii, AMD doit accepter une vitesse de ventilateur suffisante. C'est la raison pour laquelle deux modes sont proposés pour la Radeon R9 290X : Quiet avec 40% max (2120 RPM) et Uber avec 55% max (3120 RPM). PowerTune doit s'assurer de ne pas dépasser 94 °C, 40% ou 55% (47% pour la Radeon R9 290) ainsi qu'une consommation GPU de 208W. Il s'agit ici de la consommation du GPU seul, en sortie de l'étage d'alimentation. Ajoutez la perte à son niveau (elle est visible dans GPU-Z en comparant les courants d'entrée et de sortie), la consommation de la mémoire et du reste de la carte graphique et vous obtenez un TDP de +/- 300W.

Typiquement voici comment PowerTune se comporte sur la Radeon R9 290X lors du démarrage d'une tâche 3D telle qu'un jeu :

1. Le GPU monte à 1000 MHz
2. Il y reste si sa consommation ne dépasse pas 208W, sinon tension et fréquence sont réduites
3. Le ventilateur accélère lentement jusqu'à 94 °C
4. Si cela est nécessaire, il accélère rapidement jusqu'à sa vitesse maximale pour ne pas atteindre 95 °C
5. Si le GPU atteint 95 °C, tension et fréquence sont réduites jusqu'à revenir à 94 °C
6. Si le GPU est descendu à 727 MHz, le ventilateur peut accélérer au-delà de la vitesse maximale
7. Si la température atteint 100°C pendant 2 secondes, la carte se coupe brutalement

Dans le cas de la Radeon R9 290, c'est à partir de 662 MHz que le ventilateur peut accélérer au-delà de la vitesse maximale qui a été définie.