بنية AMD's Zen: أساسيات Zen 4 CPUs من AMD

استعادت AMD عودتها الكبيرة في عام 2017 على خلفية إصدارها وحدات المعالجة المركزية Ryzen، والتي لا تزال بعض من أفضل ما يمكنك شراؤه اليوم، وكان كل ذلك ممكنًا بفضل هندسة Zen الجديدة تمامًا للشركة. أدى نجاح شركة Zen إلى تحويل AMD من حالة الانهيار تقريبًا إلى واحدة من أبرز شركات التكنولوجيا في العالم ، كل ذلك في غضون ست سنوات. هذه هي قصة Zen ، وكيف أنقذت AMD ، وكيف سيبدو مستقبل Zen.

تاريخ موجز لـ Zen

في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، كانت AMD محظوظة. قبل بضع سنوات فقط ، بدا أن وحدات المعالجة المركزية الأسطورية لسطح المكتب وخادم Opteron من Athlon تستعد للإطاحة بشركة Intel ، ولكن في النهاية ، فقدت AMD قبضتها وقامت Intel بتنظيف عملها. لم تكن وحدات المعالجة المركزية Phenom من AMD تقطعها مقابل بنية Intel Core ، وهناك شيء يحتاج إلى تغيير إذا أرادت AMD الحصول على فرصة للقيادة مرة أخرى. لذلك ، قررت الشركة تطوير هذه البنية المسماة Bulldozer وراهنت على أن أعباء العمل متعددة الخيوط هي مستقبل الحوسبة.

لم تكن الجرافة سيئة فحسب ، كان من الناحية الموضوعية أسوأ شيء توصلت إليه AMD على الإطلاق. كان أداؤها ذو الخيط الفردي مهملاً (كانت رقائق FX من الجيل الأول في الواقع أبطأ من وحدات المعالجة المركزية Phenom II استبدلت) ، استهلكت أطنانًا من الطاقة ، وفي نهاية اليوم ، كان أدائها متعدد الخيوط في أحسن الأحوال متوسط. على مدى السنوات الست المقبلة ، سيتعين على AMD أن تعيش على هذه البنية الفظيعة بينما وصلت Intel إلى ذروة تفوقها.

بعد كارثة البلدوزر مباشرة تقريبًا ، أدركت AMD أن إعادة العمل البسيطة لن تقطعها وبدأت في العمل على بنية جديدة تمامًا. سيتم تصميم هذه البنية على غرار Intel: أداء عالي أحادي الخيط ، ونوى وخيوط نموذجية للصناعة ، و نوع المرونة الذي جعله مناسبًا لكل شيء بدءًا من وحدات المعالجة المركزية للمستهلك الأقل نهاية إلى الخادم الأعلى نهاية رقائق. أطلقت AMD لاحقًا على هذه البنية اسم Zen ، وكان إطلاق وحدات المعالجة المركزية Zen لأول مرة في عام 2017 بمثابة علامة جديدة بداية من AMD ، وعلى الرغم من أن Zen لا يمكن مقارنتها تمامًا ببنية Intel Core ، إلا أنها لم تكن بعيدة عن.

بينما توقعت صناعة الحوسبة وعشاق وحدة المعالجة المركزية وحتى AMD نفسها أن يكون الطريق إلى قيادة الأداء طويلاً ، إلا أنها كانت في الواقع قصيرة جدًا. تم إطلاق Zen 2 ، خليفة Zen ، في عام 2019 وصدم الجميع تقريبًا بإخراج Intel من الماء. حققت AMD تقدمًا هائلاً في الأداء متعدد الخيوط في كل قطاع تقريبًا ، وكان لها كفاءة طاقة أفضل بشكل ملحوظ في كل عبء عمل تقريبًا ، وحتى تجاوزت Intel في الأداء أحادي الخيط ، وهو ما لم تتمكن AMD من القيام به لأكثر من عقد من الزمان.

من هنا ، أصبح الطريق أسهل بالنسبة لشركة AMD. كان سوق الخوادم (ولا يزال) أهم مجال لشركة AMD لإحراز تقدم فيه في الوقت الذي ظهر فيه Zen 3 في عام 2020 ، سيطرت AMD على 7٪ من السوق ، ارتفاعًا من حوالي 0٪ قبل ظهور Zen خارج. أصبح هذا الأمر أسهل بفضل الطريقة التي أخطأت بها Intel تمامًا في خططها لإطلاق وحدات معالجة مركزية قوية ذات 10 نانومتر ، تاركة AMD في مواجهة معالجات 14 نانومتر التي عفا عليها الزمن والتي عفا عليها الزمن عمليًا ، والتي تعد من أسوأ ما حققته Intel على الإطلاق.

بحلول نهاية عام 2021 ، استطاعت شركة إنتل أخيرًا أن تعمل معًا وأطلقت رقائق 10 نانومتر Alder Lake. أصبح من الواضح تمامًا أن AMD فقدت مسارها في السوق وانخرطت في ريادتها للأداء ، حيث لم يكن لدى Intel المنافسة أقل من 300 دولار على سطح المكتب لأن AMD لم تكلف نفسها عناء إطلاق رقائق Ryzen 5000 ذات الميزانية المحدودة حتى أجبرت Intel على مشكلة. كانت الأشهر التي أعقبت إطلاق Alder Lake صعبة بعض الشيء على AMD ، لكنها ما زالت لها اليد العليا في سوق الخوادم واستعادت صدارة الألعاب بفضل Ryzen 7 5800X3D و 3D V-Cache.

اليوم ، Zen في رابع تكرار رئيسي لها ، مع إطلاق Zen 4 في أواخر عام 2022 مع سلسلة Ryzen 7000 و Epyc الجيل الرابع. يركز هذا الإصدار الأخير من بنية Zen على الأداء العالي ، والذي يتناقض بشكل صارخ مع بنية Zen الأصلية ، والتي ركزت على قيمة أفضل. على الرغم من أن Zen 4 يختلف اختلافًا كبيرًا عن Zen الأصلي ، إلا أن هناك بعض الأساسيات التي لم تتركها AMD بعد وربما لن تكون كذلك لبعض الوقت.

CCXs و chiplets و النوى

بينما قامت AMD على مر السنين بتحسين العديد من الأشياء في بنية Zen ، إلا أن هناك الكثير من الأشياء حول Zen كان هذا صحيحًا بشكل أساسي منذ البداية ، وبعض الأشياء الجديدة التي ستشكل Zen مستمرًا إلى الأمام. أنا أتحدث عن CCXs ، و chiplets ، والنوى ، وهي الجوانب الأساسية لرقائق Zen الحديثة.

تتميز بنية Zen بأنها قوية ، ولكنها ليست مرنة تمامًا مثل التصاميم المنافسة من شركات مثل Intel. في حين أن اللبنة الأصغر في معظم وحدات المعالجة المركزية هي اللب ، بالنسبة إلى Zen فهي Core Complex أو CCX. CCX عبارة عن مجموعة من النوى ويمكن أن تحتوي (في وقت كتابة هذا التقرير) على اثنين أو أربعة أو ثمانية مراكز ، ولها ذاكرة تخزين مؤقت L3 خاصة بها ، وتعمل مع CCXs الأخرى في نفس وحدة المعالجة المركزية. تعد CCX في الأساس وحدة معالجة مركزية كاملة في حد ذاتها ، وهو أمر جيد وسيئ. كل CCX قادر جدًا بمفرده ، لكن الاتصال بين CCXs يستغرق وقتًا طويلاً ، مما يقلل من الأداء.

بالنسبة إلى AMD ، فإن الطبيعة المعممة لـ CCX تجعل من الصعب تقديم بعض التهم الأساسية. على سبيل المثال ، إذا أرادت AMD إنشاء وحدة معالجة مركزية سداسية النواة ، فلا يمكنها فقط تطوير شريحة بستة أنوية ، لأن AMD لا تحتوي على CCX سداسية النواة. في البداية ، كان لدى AMD فقط CCX رباعي النواة ، لذلك احتاجت إلى أخذ شريحة مع اثنين من تلك CCXs وتعطيل النواة على كل منها للحصول على وحدة معالجة مركزية سداسية النواة. اليوم ، تأخذ AMD شريحة ذات ثماني نوى CCX وتعطل نواتين على ذلك لتصل إلى ستة. من الناحية الفنية ، يمكن أن تجمع AMD بين CCXs بأحجام مختلفة للحصول على المزيد من الخيارات ، لكنني سأناقش ذلك لاحقًا.

مع Zen 2 ، طورت AMD شرائح لجعل Zen أكثر قوة. في حين أن بنية Zen الأصلية قامت ببساطة بتجميع وحدات المعالجة المركزية المتعددة معًا لتحقيق عدد نواة أعلى ، فإن Zen قدمت 2 chiplets مفهومًا جذريًا من خلال وضع نوى وحدة المعالجة المركزية على شرائحها الخاصة وكل شيء آخر عليها آخر. يتعارض تصميم Chiplet مع التصميم التقليدي المتجانس ، حيث توجد جميع وظائف وحدة المعالجة المركزية على شريحة واحدة. تُسمى chiplets ذات النوى قوالب Core Complex (أو CCDs) ، والتي يمكن أن تحتوي إما على واحد أو اثنين من CCXs ، والشرائح مع كل شيء آخر هي I / O Dies (أو IODs).

هناك العديد من الفوائد مع chiplets التي تتوافق مع هدف AMD المتمثل في بناء وحدات المعالجة المركزية (CPU) بتوفير. أولاً ، من الأرخص صنع الكثير من الرقائق الصغيرة مقارنةً بالرقائق الكبيرة بنفس الخصائص. ثانيًا ، يجعل من السهل إنشاء وحدات معالجة مركزية ذات عدد نواة فائقة نظرًا لأن كل ما عليك فعله هو إضافة المزيد من الرقائق. ربما تكون الميزة الأكبر هي المرونة ، نظرًا لأن AMD قادرة على تغطية سوق سطح المكتب والخوادم بالكامل إلى حد كبير نوع واحد من CCD ونوعين من IODs. تحتوي AMD الآن أيضًا على وحدات تخزين مؤقت تسمى 3D V-Cache لمزيد من المرونة و التخصيص.

أحدث ابتكارات AMD هي تقديم متغيرات أكثر كثافة من أنوية Zen مع Zen 4c. هذه الإصدارات الكثيفة من هندسة Zen متطابقة تمامًا مع الإصدارات العادية فيما عدا أنها أصغر بكثير ، مما يسمح لـ Zen 4c CCD ذو 16 نواة من AMD أن يكون بنفس حجم Zen ثماني النواة 4 اتفاقية مكافحة التصحر. ومع ذلك ، فإن هذه الكثافة المتزايدة تمنع النوى من النوع C من الوصول إلى سرعات الساعة التي تستطيع النوى العادية القيام بها. هذا يجعل أنوية Zen c متغيرة أكثر تفضيلاً لوحدات المعالجة المركزية عالية النوى التي لا تحتاج إلى أداء خيط واحد رائع.

هذه الأنواع من النوى مفيدة لتطبيقات المستهلك أيضًا. العنقاء 2 APU من AMD يجمع بين Zen 4 CCX ثنائي النواة مع Zen 4c CCX رباعي النواة ، وهو أول من يجمع CCXs بأحجام مختلفة. إن استخدام نواتين مختلفين يسمى الهندسة الهجينة ، والفكرة كلها هي أن النظام العادي يتم استخدام النوى لأحمال العمل أحادية الخيوط بينما تساعد النوى من النوع C في الخيوط المتعددة أعباء العمل. على الرغم من أن هذه الشريحة تبدو متخصصة بشكل غير عادي بالنسبة لـ AMD ، إلا أنه يمكن استخدامها في الواقع لوحدات Ryzen APU منخفضة المستوى في حالة عدم توفر شريحة Phoenix غير الهجينة.

مع بنية Zen ، ركزت AMD بشكل فريد على كيفية تغطية السوق بأوسع طريقة بدونها إضاعة الوقت والموارد في تطوير المعالجات ، وهو ما لا تستطيع AMD القيام به نظرًا لصغر حجمها نسبيًا. بدلاً من التعامل مع كل جزء من صناعة الحوسبة بشكل مختلف ، تستخدم AMD نهجًا عامًا وتطور فقط عددًا قليلاً من التصميمات والرقائق الفردية لتغطية كل شيء. في حين أن Intel صنعت أربعة تصميمات لـ Alder Lake ، والتي غطت فقط أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة ، كان لدى AMD تصميم Zen 3 CCX واحد يستخدم لسطح المكتب والكمبيوتر المحمول ووحدات المعالجة المركزية للخادم.

مستقبل زين

كونها شركة مبتكرة وذكية ، ليس من السهل تخمين ما ستفعله AMD بعد ذلك. كشفت AMD عن خططها لإطلاق Zen 5 CPUs في عام 2024 ، ولكن بعد ذلك لا نعرف شيئًا على وجه اليقين. ربما سنرى AMD تقدم مجموعة واسعة من وحدات المعالجة المركزية الهجينة ، وربما حتى بعضها الذي يجمع بين CCDs العادية والمتغيرة C لتقديم أفضل ما في العالمين لأجهزة الكمبيوتر المكتبية والخوادم.

لا يمكننا أيضًا تجاهل منافسي AMD ، وخاصة Intel و Arm ، عندما يتعلق الأمر بمستقبل Zen. في حين أن Zen هي بنية جيدة بلا شك ، فإن الكثير من نجاح AMD منذ إدخال بنية Zen الأصلية يرجع إلى أخطاء Intel الإستراتيجية طوال العقد 2010. ولكن لم يقتصر الأمر على عودة شركة Intel أخيرًا ، بل إن هناك منافسًا جديدًا يقترب بينما يتسلل Arm إلى أجهزة الكمبيوتر والخوادم. إذا أرادت AMD الحفاظ على موقعها وتحسينه ، فسيتعين على Zen الاستمرار في التحسن في كل جيل.