Architektura Zen AMD: základy procesorů AMD Zen 4

AMD udělalo svůj velký návrat v roce 2017 na zadní straně CPU Ryzen, které jsou stále některé z to nejlepší, co si dnes můžete koupita to vše bylo možné díky zcela nové Zen architektuře společnosti. Úspěch Zen změnil AMD z téměř krachu na jednu z nejvýznamnějších technologických společností na světě, to vše během šesti let. Toto je příběh Zen, jak zachránil AMD a jak by mohla vypadat budoucnost Zenu.

Stručná historie zenu

Na konci roku 2000 mělo AMD štěstí. Jen před několika lety se zdálo, že jeho legendární stolní procesory Athlon a serverové procesory Opteron svrhnou Intel, ale nakonec AMD ztratilo kontrolu a Intel svůj čin uklidil. Procesory Phenom od AMD to prostě neřešily s architekturou Core Intel a něco se muselo změnit, pokud chtělo AMD znovu získat šanci na vedení. Společnost se tedy rozhodla vyvinout tuto architekturu nazvanou Bulldozer a vsadila na to, že vícevláknové pracovní zátěže jsou budoucností výpočetní techniky.

Buldozer nebyl jen špatný, to bylo objektivně to nejhorší, co AMD kdy vymyslelo. Jeho jednovláknový výkon byl odpad (čipy FX první generace byly ve skutečnosti pomalejší než CPU Phenom II nahradili), spotřebovával tuny energie a na konci dne byl jeho vícevláknový výkon přinejlepším průměrný. Dalších šest let by se AMD muselo živit touto příšernou architekturou, zatímco Intel dosáhl vrcholu své nadvlády.

Téměř okamžitě po debaklu Bulldozeru si AMD uvědomilo, že jednoduchým přepracováním to nevyřeší, a začalo pracovat na zcela nové architektuře. Tato architektura by byla modelována podle Intelu: vysoký jednovláknový výkon, průmyslově typická jádra a vlákna a druh flexibility, díky kterému je vhodný pro vše od nejnižších spotřebitelských CPU až po server nejvyšší třídy bramborové hranolky. AMD později pojmenovalo tuto architekturu Zen a uvedení jejích prvních procesorů Zen v roce 2017 znamenalo novinku začátek pro AMD, a přestože se Zen nemohl tak docela srovnávat s architekturou Core Intel, nebylo to daleko vypnuto.

Zatímco počítačový průmysl, nadšenci CPU a dokonce i samotné AMD očekávali, že cesta k vedoucímu postavení ve výkonu bude dlouhá, ve skutečnosti byla docela krátká. Zen 2, nástupce Zen, byl uveden na trh v roce 2019 a šokoval téměř každého tím, že vyhodil Intel z vody. AMD dosáhlo obrovského náskoku ve vícevláknovém výkonu v téměř každém segmentu a mělo výrazně lepší energetickou účinnost prakticky v každé zátěži a dokonce předčil Intel ve výkonu s jedním vláknem, což AMD nedokázalo více než deset let.

Odtud byla cesta pro AMD jednodušší. Trh serverů byl (a stále je) pro AMD nejdůležitější oblastí, v níž a kolem ní dosáhla pokroku Když Zen 3 vyšel v roce 2020, AMD ovládalo 7 % trhu, oproti téměř 0 % před příchodem Zen ven. To bylo o to snazší díky tomu, jak Intel naprosto zpackal své plány na uvedení výkonných 10nm CPU a nechal AMD čelit zastaralým a prakticky zastaralým 14nm čipům, které jsou jedny z nejhorších, jaké kdy Intel vyrobil.

Do konce roku 2021 se však Intel konečně dal dohromady a uvedl na trh své 10nm čipy Alder Lake. Bylo jasné, že AMD ztratilo přehled o trhu a příliš se uchytilo ve svém vedoucím postavení ve výkonu, protože Intel ne konkurence na stolních počítačích pod hranicí 300 USD, protože AMD se nikdy neobtěžovalo uvést na trh levné čipy Ryzen 5000, dokud Intel nevynutil problém. Měsíce po uvedení Alder Lake byly pro AMD trochu krušné, ale stále drželo navrch na trhu serverů a díky Ryzen 7 5800X3D a jeho 3D V-Cache.

Dnes je Zen na své čtvrté velké iteraci, přičemž Zen 4 byl uveden na trh koncem roku 2022 s Ryzen řady 7000 a Epyc 4. generace. Tato nejnovější verze architektury Zen je zaměřena na vysoký výkon, což je v ostrém kontrastu s původní architekturou Zen, která se zaměřovala na lepší hodnotu. I když je Zen 4 výrazně jiný než původní Zen, jsou zde některé základy, které AMD zatím nepustilo a ještě nějakou dobu nebude.

CCX, chiplety a jádra

Zatímco AMD v průběhu let vylepšilo mnoho věcí ve své architektuře Zen, na Zen je spousta věcí které jsou v zásadě pravdivé od samého začátku, a několik nových věcí, které budou formovat chod zenu vpřed. Mluvím o CCX, čipletech a jádrech, základních aspektech moderních čipů Zen.

Architektura Zen je výkonná, ale není tak flexibilní jako konkurenční návrhy společností jako Intel. Zatímco nejmenším stavebním kamenem většiny CPU je jádro, pro Zen je to Core Complex neboli CCX. CCX je shluk jader a může obsahovat (v době psaní článku) dvě, čtyři nebo osm jader, má vlastní mezipaměť L3 a pracuje s jinými CCX ve stejném CPU. CCX je v podstatě úplný CPU sám pro sebe, což je dobrá i špatná věc. Každý CCX je sám o sobě velmi schopný, ale komunikace mezi CCX trvá značné množství času, což snižuje výkon.

Pro AMD je zobecněná povaha CCX náročným nabídnout určité počty jader. Pokud chce AMD například vyrobit šestijádrový CPU, nemůže vyvinout jen čip se šesti jádry, protože AMD nemá šestijádrový CCX. Zpočátku mělo AMD pouze čtyřjádrový CCX, takže potřebovalo vzít čip se dvěma z těchto CCX a deaktivovat jádro na každém, aby získalo šestijádrový CPU. Dnes AMD vezme čip s osmijádrovým CCX a zakáže na něm dvě jádra, aby se dostal na šest. Technicky AMD může kombinovat CCX různých velikostí, aby získalo více možností, ale o tom budu diskutovat později.

S Zen 2 vyvinula AMD čiplety, aby byl Zen ještě výkonnější. Zatímco původní architektura Zen jednoduše spojila dohromady více CPU, aby se dosáhlo vyššího počtu jader, Zen 2 chiplety zavedly radikální koncept umístěním jader CPU na vlastní čipy a vše ostatní další. Chiplet design stojí v opozici k tradičnímu monolitickému designu, ve kterém všechny funkce CPU existují na jediném čipu. Čiplety s jádry se nazývají Core Complex Dies (nebo CCD), které mohou obsahovat buď jeden nebo dva CCX, a čipy se vším ostatním jsou I/O Dies (nebo IOD).

Čiplety mají mnoho výhod, které jsou v souladu s cílem AMD vyrábět úsporně CPU. Za prvé, je levnější vyrobit spoustu malých čipů než velké se stejnými vlastnostmi. Za druhé, usnadňuje výrobu procesorů se super vysokým počtem jader, protože vše, co musíte udělat, je přidat další čipy. Snad největší výhodou je flexibilita, protože AMD je schopna pokrýt prakticky celý trh desktopů a serverů jeden druh CCD a dva druhy IOD. AMD má nyní také čiplety mezipaměti nazývané 3D V-Cache pro ještě větší flexibilitu a přizpůsobení.

Poslední novinkou AMD je uvedení hustších variant jader Zen se Zen 4c. Tyto husté verze architektury Zen jsou zcela totožné s běžnými verzemi kromě toho, že jsou mnohem menší, což umožňuje 16jádrovému CCD Zen 4c od AMD mít stejnou velikost jako osmijádrový Zen 4 CCD. Tato zvýšená hustota však brání jádrům typu c v tom, aby dosáhly taktovacích rychlostí, jaké mohou běžná jádra. Díky tomu jsou jádra Zen c-varianty preferována pro procesory s vysokým počtem jader, které nepotřebují velký výkon s jedním vláknem.

Tyto druhy jader jsou užitečné i pro spotřebitelské aplikace. APU Phoenix 2 od AMD kombinuje dvoujádrový Zen 4 CCX se čtyřjádrovým Zen 4c CCX, který jako první kombinuje CCX různých velikostí. Použití dvou různých jader se nazývá hybridní architektura a celá myšlenka spočívá v tom, že regulérní jádra se používají pro jednovláknové pracovní zátěže, zatímco jádra typu c pomáhají ve vícevláknových pracovní zátěže. I když tento čip vypadá pro AMD neobvykle specializovaný, ve skutečnosti jej lze použít i pro APU Ryzen nižší třídy v případě, že není k dispozici nehybridní čip Phoenix.

S architekturou Zen se AMD mimořádně soustředilo na to, jak pokrýt trh co nejširším způsobem plýtvání časem a zdroji vývojem procesorů, což si AMD nemůže dovolit kvůli své relativně malé velikosti. Namísto toho, aby AMD zacházelo s každým segmentem výpočetního průmyslu jinak, používá zobecněný přístup a vyvíjí pouze několik návrhů a jednotlivých čipů, které pokrývají vše. Zatímco Intel vytvořil čtyři návrhy pro Alder Lake, které pokrývaly pouze stolní počítače a notebooky, AMD mělo jediný návrh Zen 3 CCX používaný pro stolní počítače, notebooky a serverové CPU.

Budoucnost zenu

Vzhledem k tomu, že jde o tak inovativní a chytrou společnost, není nikdy snadné odhadnout, co AMD udělá příště. AMD zveřejnilo své plány na uvedení procesorů Zen 5 v roce 2024, ale kromě toho nevíme nic jistého. Možná se dočkáme toho, že AMD nabídne širší rozšíření hybridních CPU, možná dokonce některé, které kombinují běžné CCD a CCD varianty, aby nabídly to nejlepší z obou světů pro stolní počítače a servery.

Nemůžeme také ignorovat konkurenty AMD, zejména Intel a Arm, pokud jde o budoucnost Zen. Zatímco Zen je nepopiratelně dobrá architektura, velká část úspěchu AMD od představení původní architektury Zen je díky strategickým chybám Intelu v průběhu roku 2010. Ale nejenže Intel konečně zahájil svůj vlastní comeback, blíží se nový vyzyvatel, protože Arm se plíží do počítačů a serverů. Pokud si AMD chce udržet a zlepšit svou pozici, Zen se bude muset každou generací zlepšovat.