Архитектурата Zen на AMD: основите на процесорите Zen 4 на AMD

AMD направи голямото си завръщане през 2017 г. на гърба на своя Процесори Ryzen, които все още са част от най-доброто, което можете да купите днес, и всичко това беше възможно благодарение на чисто новата Zen архитектура на компанията. Успехът на Zen превърна AMD от почти фалит в една от най-известните технологични компании в света, всичко това в рамките на шест години. Това е историята на Zen, как той спаси AMD и как може да изглежда бъдещето на Zen.

Кратка история на Дзен

В края на 2000-те години на 2000 г. AMD изпадна в беда. Само преди няколко години неговите легендарни настолни процесори Athlon и сървърни процесори Opteron изглеждаха готови да свалят Intel, но в крайна сметка AMD изгуби хватката си и Intel изчисти действията си. Процесорите Phenom на AMD просто не се справяха с Core архитектурата на Intel и нещо трябваше да се промени, ако AMD искаше отново да има шанс за лидерство. И така, компанията реши да разработи тази архитектура, наречена Bulldozer, и се обзаложи, че многонишковите работни натоварвания са бъдещето на компютрите.

Булдозерът не беше просто лош, това беше обективно най-лошото нещо, което AMD някога е измисляло. Неговата еднопоточна производителност беше боклук (първото поколение FX чипове всъщност бяха по-бавни от процесорите Phenom II те замениха), консумира тонове енергия и в края на деня неговата многонишкова производителност беше в най-добрия посредствен. През следващите шест години AMD ще трябва да се издържа на тази ужасна архитектура, докато Intel достигне върха на своето надмощие.

Почти веднага след провала на Bulldozer, AMD разбра, че простото преработване няма да помогне и започна да работи върху чисто нова архитектура. Тази архитектура ще бъде моделирана след Intel's: висока еднонишкова производителност, типични за индустрията ядра и нишки и видът гъвкавост, който го направи подходящ за всичко - от най-ниския клас потребителски процесори до най-високия клас сървъри чипс. AMD по-късно нарече тази архитектура Zen и пускането на първите Zen процесори през 2017 г. бележи нов начало за AMD и въпреки че Zen не можеше да се сравни с Core архитектурата на Intel, не беше далеч изключено.

Докато компютърната индустрия, ентусиастите на CPU и дори самата AMD очакваха пътят към лидерството в производителността да бъде дълъг, той всъщност беше доста кратък. Zen 2, наследникът на Zen, стартира през 2019 г. и шокира почти всички, като издуха Intel от водата. AMD натрупа огромна преднина в многопоточната производителност в почти всеки сегмент, имаше значително по-добра енергийна ефективност в на практика всяко работно натоварване и дори надмина Intel в еднонишкова производителност, което AMD не успя да направи повече от десетилетие.

Оттук нататък пътят стана по-лесен за AMD. Пазарът на сървъри беше (и все още е) най-важната област, в която AMD трябваше да постигне напредък когато Zen 3 излезе през 2020 г., AMD контролираше 7% от пазара спрямо почти 0% преди появата на Zen навън. Това стана още по-лесно благодарение на това как Intel напълно провали плановете си да пусне мощни 10nm процесори, оставяйки AMD да се изправи срещу остарелите и практически остарели 14nm чипове, които са едни от най-лошите, правени някога от Intel.

До края на 2021 г. обаче Intel най-накрая се събра и пусна своите 10nm чипове Alder Lake. Стана доста ясно, че AMD изгуби представа за пазара и се увлече твърде много в своето лидерство в производителността, тъй като Intel нямаше конкуренция под марката от $300 за настолни компютри, тъй като AMD никога не си направи труда да пусне бюджетни чипове Ryzen 5000, докато Intel не наложи проблем. Месеците след пускането на пазара на Alder Lake бяха малко тежки за AMD, но тя все още имаше надмощие на пазара на сървъри и си върна лидерството в игрите благодарение на Ryzen 7 5800X3D и неговия 3D V-Cache.

Днес Zen е на четвъртата си голяма итерация, като Zen 4 стартира в края на 2022 г. с Серия Ryzen 7000 и Epyc 4-то поколение. Тази най-нова версия на Zen архитектурата е фокусирана върху висока производителност, което е в рязък контраст с оригиналната Zen архитектура, която се фокусира върху по-добра стойност. Въпреки че Zen 4 е значително по-различен от оригиналния Zen, има някои основи, от които AMD все още не се е отказала и вероятно няма да се откаже от известно време.

CCX, чиплети и ядра

Въпреки че през годините AMD подобри много неща в своята Zen архитектура, има много неща за Zen които са фундаментално верни от самото начало, и няколко нови неща, които ще оформят Дзен напред. Говоря за CCX, чиплети и ядра, основните аспекти на съвременните Zen чипове.

Архитектурата Zen е мощна, но не е толкова гъвкава, колкото конкурентните проекти на компании като Intel. Докато най-малкият градивен елемент в повечето процесори е ядрото, за Zen това е Core Complex или CCX. CCX е клъстер от ядра и може да съдържа (към момента на писане) две, четири или осем ядра, има собствен L3 кеш и работи с други CCX в същия процесор. CCX по същество е пълен процесор сам по себе си, което е едновременно добро и лошо нещо. Всеки CCX е много способен сам по себе си, но комуникацията между CCX отнема значително време, което намалява производителността.

За AMD генерализираният характер на CCX прави предизвикателство да предложи определен брой ядра. Например, ако AMD иска да направи шестядрен процесор, не може просто да разработи чип с шест ядра, защото AMD няма шестядрен CCX. Първоначално AMD имаше само четириядрения CCX, така че трябваше да вземе чип с два от тези CCX и да деактивира по едно ядро ​​на всеки, за да получи шестядрен процесор. Днес AMD взема чип с осемядрен CCX и деактивира две ядра, за да намали до шест. Технически AMD може да комбинира CCX с различни размери, за да получи повече опции, но ще обсъдя това по-късно.

Със Zen 2 AMD разработи чиплети, за да направи Zen още по-мощен. Докато оригиналната Zen архитектура просто свързва множество процесори, за да постигне по-висок брой ядра, Zen 2 чиплета въведе радикална концепция, като постави процесорните ядра на собствените си чипове и всичко останало на друг. Дизайнът на чиплетите се противопоставя на традиционния монолитен дизайн, при който всички функции на процесора съществуват на един чип. Чиплетите с ядрата се наричат ​​Core Complex Dies (или CCD), които могат да съдържат един или два CCX, а чиплетите с всичко останало са I/O Dies (или IOD).

Има много предимства с чиплетите, които са в съответствие с целта на AMD за пестеливо изграждане на процесори. Първо, по-евтино е да се правят много малки чипове, за разлика от големи със същите характеристики. Второ, улеснява производството на процесори със супер висок брой ядра, тъй като всичко, което трябва да направите, е да добавите повече чипове. Може би най-голямото предимство е гъвкавостта, тъй като AMD е в състояние да покрие почти целия пазар на настолни компютри и сървъри с един вид CCD и два вида IOD. AMD вече разполага и с кеш чиплети, наречени 3D V-Cache за още повече гъвкавост и персонализиране.

Последната иновация на AMD е въвеждането на по-плътни варианти на Zen ядра с Zen 4c. Тези плътни версии на Zen архитектурата са напълно идентични с обикновените версии освен че са много по-малки, което позволява на 16-ядрения Zen 4c CCD на AMD да бъде със същия размер като осем-ядрения Zen 4 CCD. Тази повишена плътност обаче не позволява на ядрата c-тип да достигнат тактовите скорости, които обикновените ядра могат. Това прави Zen c-вариантните ядра по-предпочитани за процесори с висок брой ядра, които не се нуждаят от голяма еднонишкова производителност.

Тези видове ядра са полезни и за потребителски приложения. Phoenix 2 APU на AMD комбинира двуядрен Zen 4 CCX с четириядрен Zen 4c CCX, първият, който комбинира CCX с различни размери. Използването на две различни ядра се нарича хибридна архитектура и цялата идея е, че обикновената ядрата се използват за еднонишкови работни натоварвания, докато c-тип ядрата помагат при многонишкови натоварвания. Въпреки че този чип изглежда необичайно специализиран за AMD, той всъщност може да се използва и за Ryzen APU от по-нисък клас, в случай че нехибридният чип Phoenix не е наличен.

С Zen архитектурата, AMD се фокусира изключително върху това как да покрие пазара по най-широк начин, без загуба на време и ресурси за разработване на процесори, което AMD не може да си позволи поради сравнително малкия си размер. Вместо да третира всеки сегмент от компютърната индустрия по различен начин, AMD използва обобщен подход и разработва само няколко дизайна и отделни чипове, за да покрие всичко. Докато Intel направи четири дизайна за Alder Lake, които обхващаха само настолни компютри и лаптопи, AMD имаше един Zen 3 CCX дизайн, използван за настолни, лаптопи и сървърни процесори.

Бъдещето на дзен

Като толкова иновативна и умна компания, никога не е лесно да се познае какво ще направи AMD след това. AMD разкри плановете си да пусне процесори Zen 5 през 2024 г., но освен това не знаем нищо със сигурност. Може би ще видим AMD да предлага по-голямо разнообразие от хибридни процесори, може би дори някои, които комбинират обикновени и c-вариантни CCD, за да предложат най-доброто от двата свята за настолни компютри и сървъри.

Също така не можем да пренебрегнем конкурентите на AMD, главно Intel и Arm, когато става въпрос за бъдещето на Zen. Въпреки че Zen безспорно е добра архитектура, голяма част от успеха на AMD след въвеждането на оригиналната Zen архитектура се дължи на стратегическите грешки на Intel през 2010-те години. Но не само, че Intel най-накрая успя да се завърне, наближава нов претендент, тъй като Arm се промъква в компютрите и сървърите. Ако AMD иска да запази и подобри позицията си, Zen ще трябва да се подобрява с всяко поколение.