AMDs Zen-arkitektur: det grundlæggende i AMDs Zen 4 CPU'er

Zen forvandlede AMD fra en virksomhed på randen af ​​konkurs til en leder af computerindustrien med Zen 4. Her er alt, hvad du behøver at vide.

AMD gjorde sit store comeback tilbage i 2017 på bagsiden af ​​sit Ryzen CPU'er, som stadig er nogle af de bedste du kan købe i dag, og det var alt muligt takket være virksomhedens splinternye Zen-arkitektur. Zens succes forvandlede AMD fra næsten brudt til et af de mest fremtrædende teknologivirksomheder i verden, alt sammen inden for seks år. Dette er historien om Zen, hvordan det reddede AMD, og ​​hvordan Zens fremtid kan se ud.

En kort historie om Zen

Kilde: AMD

I slutningen af ​​2000'erne var AMD nede på heldet. Kun få år forinden så dens legendariske Athlon desktop- og Opteron-server-CPU'er ud til at vælte Intel, men til sidst mistede AMD grebet, og Intel ryddede op. AMD's Phenom CPU'er skar det bare ikke mod Intels Core-arkitektur, og noget skulle ændres, hvis AMD ville have en chance for lederskab igen. Så virksomheden besluttede at udvikle denne arkitektur kaldet Bulldozer og satsede på, at multi-threaded workloads var fremtiden for computere.

Bulldozer var ikke bare dårlig, det var objektivt set det værste, AMD nogensinde fandt på. Dens enkelttrådede ydeevne var skrald (første generations FX-chips var faktisk langsommere end Phenom II CPU'erne de erstattede), den forbrugte tonsvis af strøm, og i slutningen af ​​dagen var dens multi-threaded ydeevne i bedste fald middelmådig. I de næste seks år skulle AMD leve på denne forfærdelige arkitektur, mens Intel nåede toppen af ​​sin overherredømme.

Næsten umiddelbart efter Bulldozer-debaclet indså AMD, at en simpel omarbejdning ikke ville skære den og begyndte at arbejde på en helt ny arkitektur. Denne arkitektur ville være modelleret efter Intels: høj enkelttrådet ydeevne, industritypiske kerner og tråde, og den slags fleksibilitet, der gjorde den velegnet til alt fra de laveste forbruger-CPU'er til den højeste server chips. AMD kaldte senere denne arkitektur Zen, og lanceringen af ​​dens første Zen CPU'er i 2017 markerede en ny begynder for AMD, og ​​selvom Zen ikke helt kunne måle sig med Intels Core-arkitektur, var der ikke langt af.

Mens computerindustrien, CPU-entusiaster og endda AMD selv forventede, at vejen til præstationslederskab ville være lang, var den faktisk ret kort. Zen 2, efterfølgeren til Zen, blev lanceret i 2019 og chokerede stort set alle ved at blæse Intel op af vandet. AMD opnåede et enormt forspring inden for multi-threaded ydeevne i stort set alle segmenter, havde betydeligt bedre strømeffektivitet i praktisk talt enhver arbejdsbyrde, og endda overgået Intel i single-threaded ydeevne, hvilket AMD ikke havde været i stand til i over et årti.

Herfra blev vejen bare nemmere for AMD. Servermarkedet var (og er stadig) det vigtigste område for AMD at gøre fremskridt inden for og efter da Zen 3 udkom i 2020, kontrollerede AMD 7 % af markedet, op fra næsten 0 % før Zen kom ud. Dette blev gjort endnu nemmere takket være, hvordan Intel fuldstændig skruede op for sine planer om at lancere kraftfulde 10nm CPU'er, hvilket efterlod AMD at møde forældede og praktisk talt forældede 14nm-chips, som er noget af det værste, Intel nogensinde har lavet.

Ved udgangen af ​​2021 fik Intel dog endelig taget fat og lancerede sine 10nm Alder Lake-chips. Det blev ret tydeligt, at AMD mistede overblikket over markedet og blev for fanget af sit præstationslederskab, da Intel ikke havde nogen konkurrence under $300-mærket på skrivebordet, da AMD aldrig gad lancere budget Ryzen 5000-chips, indtil Intel tvang problem. Månederne efter lanceringen af ​​Alder Lake var lidt hårde for AMD, men den holdt stadig overhånden på servermarkedet og gentog føringen i spil takket være Ryzen 7 5800X3D og dens 3D V-Cache.

I dag er Zen på sin fjerde store iteration, hvor Zen 4 blev lanceret i slutningen af ​​2022 med Ryzen 7000-serien og Epyc 4. generation. Denne seneste version af Zen-arkitekturen er fokuseret på høj ydeevne, hvilket står i skarp kontrast til den originale Zen-arkitektur, som fokuserede på bedre værdi. Selvom Zen 4 er markant anderledes end den originale Zen, er der nogle grundlæggende ting, som AMD endnu ikke har sluppet og vil sandsynligvis heller ikke være før.

CCX'er, chiplets og kerner

Kilde: AMD

Mens AMD gennem årene har forbedret mange ting i sin Zen-arkitektur, er der mange ting ved Zen der har været fundamentalt sandt siden begyndelsen, og et par nye ting, der vil forme Zen-gang frem. Jeg taler om CCX'er, chiplets og kerner, de grundlæggende aspekter af moderne Zen-chips.

Zen-arkitekturen er kraftfuld, men den er ikke helt så fleksibel som konkurrerende designs fra virksomheder som Intel. Mens den mindste byggesten i de fleste CPU'er er kernen, er det for Zen Core Complex eller CCX. En CCX er en klynge af kerner og kan indeholde (i skrivende stund) to, fire eller otte kerner, har sin egen L3-cache og fungerer sammen med andre CCX'er i samme CPU. En CCX er i bund og grund en fuld CPU i sig selv, hvilket er både en god og en dårlig ting. Hver CCX er meget kapabel alene, men kommunikation mellem CCX'er tager en betydelig mængde tid, hvilket reducerer ydeevnen.

For AMD gør den generaliserede karakter af CCX det udfordrende at tilbyde visse kernetællinger. Hvis AMD for eksempel vil lave en seks-core CPU, kan den ikke bare udvikle en chip med seks kerner, for AMD har ikke en seks-core CCX. I starten havde AMD kun den fire-core CCX, så den skulle tage en chip med to af disse CCX'er og deaktivere en kerne på hver for at få en seks-core CPU. I dag tager AMD en chip med en otte-kernet CCX og deaktiverer to kerner på den for at komme ned på seks. Teknisk set kan AMD kombinere CCX'er af forskellige størrelser for at få flere muligheder, men det vil jeg diskutere senere.

Med Zen 2 udviklede AMD chiplets for at gøre Zen endnu mere kraftfuld. Mens den originale Zen-arkitektur simpelthen syede flere CPU'er sammen for at opnå højere kerneantal, Zen 2 chiplets introducerede et radikalt koncept ved at sætte CPU-kernerne på sine egne chips og alt andet på en anden. Chiplet-design står i modsætning til traditionelt monolitisk design, hvor alle CPU-funktioner findes på en enkelt chip. Chiplets med kernerne kaldes Core Complex Dies (eller CCD'er), som kan indeholde enten en eller to CCX'er, og chiplets med alt andet er I/O Dies (eller IOD'er).

Kilde: AMD

Der er mange fordele med chiplets, der stemmer overens med AMD's mål om at bygge CPU'er sparsomt. For det første er det billigere at lave mange små chips i modsætning til en stor med samme egenskaber. For det andet gør det det nemt at lave CPU'er med superhøje kernetal, da alt du skal gøre er at tilføje flere chips. Den største fordel er måske fleksibilitet, da AMD er i stand til at dække stort set hele desktop- og servermarkedet med en slags CCD og to slags IOD'er. AMD har også nu cache-chiplets kaldet 3D V-Cache for endnu mere fleksibilitet og tilpasning.

AMDs seneste innovation er introduktionen af ​​tættere varianter af Zen-kerner med Zen 4c. Disse tætte versioner af Zen-arkitekturen er fuldstændig identiske med de almindelige versioner undtagen er meget mindre, hvilket gør det muligt for AMD's 16-core Zen 4c CCD at have samme størrelse som den otte-core Zen 4 CCD. Den øgede tæthed forhindrer imidlertid c-type kerner i at ramme de clockhastigheder, som almindelige kerner kan. Dette gør Zen c-variant-kerner mere foretrukne til CPU'er med højt antal kerner, der ikke har brug for stor enkelttrådet ydeevne.

Disse slags kerner er også nyttige til forbrugerapplikationer. AMD's Phoenix 2 APU kombinerer en to-core Zen 4 CCX med en fire-core Zen 4c CCX, den første til at kombinere CCX'er i forskellige størrelser. At bruge to forskellige kerner kaldes hybridarkitektur, og hele ideen er, at den regulære kerner bruges til enkelttrådede arbejdsbelastninger, mens c-type kerner hjælper med multi-tråde arbejdsbyrder. Selvom denne chip ser usædvanligt specialiseret ud til AMD, kan den faktisk også bruges til Ryzen APU'er i lavere ende, hvis den ikke-hybride Phoenix-chip ikke er tilgængelig.

Med Zen-arkitekturen har AMD været enestående fokuseret på, hvordan man dækker markedet på den bredeste måde uden spilder tid og ressourcer på at udvikle processorer, hvilket AMD ikke har råd til på grund af dens relativt lille størrelse. I stedet for at behandle hvert segment af computerindustrien forskelligt, bruger AMD en generaliseret tilgang og udvikler kun nogle få designs og individuelle chips til at dække alt. Mens Intel lavede fire designs til Alder Lake, som kun dækkede stationære og bærbare computere, havde AMD et enkelt Zen 3 CCX-design, der blev brugt til stationære, bærbare og server-CPU'er.

Zens fremtid

Da det er sådan et innovativt og klogt firma, er det aldrig nemt at gætte, hvad AMD vil gøre næste gang. AMD har afsløret sine planer om at lancere Zen 5 CPU'er i 2024, men derudover ved vi ikke noget med sikkerhed. Måske vil vi se AMD tilbyde en bredere spredning af hybrid-CPU'er, måske endda nogle, der kombinerer almindelige CCD'er og c-varianter for at tilbyde det bedste fra begge verdener til desktops og servere.

Vi kan heller ikke ignorere AMDs konkurrenter, primært Intel og Arm, når det kommer til Zens fremtid. Mens Zen unægtelig er en god arkitektur, er meget af AMDs succes siden introduktionen af ​​den originale Zen-arkitektur takket være Intels strategiske fejl gennem 2010'erne. Men ikke alene har Intel endelig fået sit eget comeback, en ny udfordrer nærmer sig, da Arm kryber ind på pc'er og servere. Hvis AMD ønsker at bevare og forbedre sin position, bliver Zen nødt til at blive bedre for hver generation.