AMDs Zen-Architektur: die Grundlagen der AMDs Zen 4-CPUs

AMD feierte im Jahr 2017 sein großes Comeback Ryzen-CPUs, das sind immer noch einige davon Das Beste, was Sie heute kaufen können, und das alles war dank der brandneuen Zen-Architektur des Unternehmens möglich. Der Erfolg von Zen machte AMD innerhalb von sechs Jahren von einem fast pleite gegangenen Unternehmen zu einem der herausragendsten Technologieunternehmen der Welt. Dies ist die Geschichte von Zen, wie es AMD rettete und wie die Zukunft von Zen aussehen könnte.

Eine kurze Geschichte des Zen

Ende der 2000er Jahre hatte AMD kein Glück. Nur ein paar Jahre zuvor schienen seine legendären Athlon-Desktop- und Opteron-Server-CPUs kurz davor zu stehen, Intel zu stürzen, doch schließlich verlor AMD die Kontrolle und Intel bereinigte seine Situation. Die Phenom-CPUs von AMD konnten sich einfach nicht gegen die Core-Architektur von Intel durchsetzen, und es musste sich etwas ändern, wenn AMD wieder die Führung übernehmen wollte. Deshalb beschloss das Unternehmen, diese Architektur namens Bulldozer zu entwickeln und darauf zu wetten, dass Multithread-Workloads die Zukunft des Computings seien.

Bulldozer war nicht nur schlecht, Es war objektiv das Schlimmste, was sich AMD jemals ausgedacht hat. Seine Single-Threaded-Leistung war Müll (FX-Chips der ersten Generation waren tatsächlich langsamer als die Phenom II-CPUs). sie ersetzten), verbrauchte jede Menge Strom und am Ende des Tages war die Multi-Thread-Leistung bestenfalls mittelmäßig. In den nächsten sechs Jahren musste AMD von dieser schrecklichen Architektur leben, während Intel den Höhepunkt seiner Vormachtstellung erreichte.

Fast unmittelbar nach dem Bulldozer-Debakel erkannte AMD, dass eine einfache Überarbeitung nicht ausreichen würde, und begann mit der Arbeit an einer brandneuen Architektur. Diese Architektur würde der von Intel nachempfunden sein: hohe Single-Threaded-Leistung, branchentypische Kerne und Threads usw Die Art von Flexibilität, die es für alles geeignet macht, von Verbraucher-CPUs der niedrigsten Preisklasse bis hin zu Servern der höchsten Preisklasse Chips. AMD nannte diese Architektur später Zen, und die Einführung seiner ersten Zen-CPUs im Jahr 2017 markierte einen Neuanfang Der Anfang war für AMD, und obwohl Zen nicht ganz mit der Core-Architektur von Intel mithalten konnte, war es nicht weit aus.

Während die Computerindustrie, CPU-Enthusiasten und sogar AMD selbst erwarteten, dass der Weg zur Leistungsführerschaft lang sein würde, war er in Wirklichkeit recht kurz. Zen 2, der Nachfolger von Zen, kam 2019 auf den Markt und schockierte so ziemlich alle, indem es Intel in den Schatten stellte. AMD hat sich in praktisch jedem Segment einen gewaltigen Vorsprung bei der Multi-Thread-Leistung erarbeitet und konnte 2017 eine deutlich bessere Energieeffizienz erzielen praktisch jede Arbeitslast und übertraf sogar Intel bei der Single-Threaded-Leistung, was AMD seit über einem Jahrzehnt nicht mehr geschafft hatte.

Von hier aus wird der Weg für AMD noch einfacher. Der Servermarkt war (und ist immer noch) der wichtigste Bereich, in dem AMD Fortschritte erzielen konnte Als Zen 3 im Jahr 2020 herauskam, kontrollierte AMD 7 % des Marktes, gegenüber fast 0 % vor Zen aus. Dies wurde umso einfacher, da Intel seine Pläne, leistungsstarke 10-nm-CPUs auf den Markt zu bringen, völlig vermasselt hat und AMD sich gegen veraltete und praktisch veraltete 14-nm-Chips behaupten muss. Das sind einige der schlechtesten, die Intel je gemacht hat.

Ende 2021 nahm Intel jedoch endlich die Fassung und brachte seine 10-nm-Alder-Lake-Chips auf den Markt. Es wurde ziemlich deutlich, dass AMD den Überblick über den Markt verlor und sich zu sehr auf seine Leistungsführerschaft einließ, während Intel keine hatte Konkurrenz unter der 300-Dollar-Marke auf dem Desktop, da AMD sich nie die Mühe gemacht hat, preisgünstige Ryzen 5000-Chips auf den Markt zu bringen, bis Intel dies durchgesetzt hat Ausgabe. Die Monate nach der Einführung von Alder Lake waren für AMD etwas schwierig, aber das Unternehmen behielt immer noch die Oberhand auf dem Servermarkt und eroberte dank des Ryzen 7 5800X3D und seines Vorgängers die Gaming-Führung zurück 3D-V-Cache.

Heute befindet sich Zen in der vierten großen Iteration, wobei Zen 4 Ende 2022 auf den Markt kam Ryzen 7000-Serie und Epyc 4. Generation. Diese neueste Version der Zen-Architektur konzentriert sich auf hohe Leistung, was im krassen Gegensatz zur ursprünglichen Zen-Architektur steht, bei der der Schwerpunkt auf einem besseren Preis-Leistungs-Verhältnis lag. Obwohl sich Zen 4 erheblich vom ursprünglichen Zen unterscheidet, gibt es einige Grundlagen, die AMD noch nicht aufgegeben hat und die es wahrscheinlich auch noch einige Zeit lang nicht lassen werden.

CCXs, Chiplets und Kerne

Während AMD im Laufe der Jahre viele Dinge an seiner Zen-Architektur verbessert hat, gibt es bei Zen viele Dinge die im Grunde von Anfang an wahr waren, und ein paar neue Dinge, die das Zen-Leben prägen werden nach vorne. Ich spreche von CCXs, Chiplets und Kernen, den grundlegenden Aspekten moderner Zen-Chips.

Die Zen-Architektur ist leistungsstark, aber nicht ganz so flexibel wie konkurrierende Designs von Unternehmen wie Intel. Während der kleinste Baustein in den meisten CPUs der Kern ist, ist es beim Zen der Core Complex oder CCX. Ein CCX ist ein Cluster von Kernen und kann (zum Zeitpunkt des Schreibens) zwei, vier oder acht Kerne enthalten, verfügt über einen eigenen L3-Cache und arbeitet mit anderen CCXs in derselben CPU zusammen. Ein CCX ist im Wesentlichen eine eigenständige CPU, was sowohl eine gute als auch eine schlechte Sache ist. Jeder CCX ist für sich genommen sehr leistungsfähig, aber die Kommunikation zwischen CCXs nimmt viel Zeit in Anspruch, was die Leistung verringert.

Für AMD ist es aufgrund der allgemeinen Natur des CCX schwierig, bestimmte Kernzahlen anzubieten. Wenn AMD beispielsweise eine CPU mit sechs Kernen herstellen möchte, kann es nicht einfach einen Chip mit sechs Kernen entwickeln, da AMD keinen CCX mit sechs Kernen hat. Anfangs verfügte AMD nur über den CCX mit vier Kernen, sodass man einen Chip mit zwei dieser CCXs nehmen und jeweils einen Kern deaktivieren musste, um eine CPU mit sechs Kernen zu erhalten. Heute nimmt AMD einen Chip mit einem CCX mit acht Kernen und deaktiviert darauf zwei Kerne, um auf sechs zu kommen. Technisch gesehen kann AMD CCXs unterschiedlicher Größe kombinieren, um mehr Optionen zu erhalten, aber darauf werde ich später noch eingehen.

Mit Zen 2 hat AMD Chiplets entwickelt, um Zen noch leistungsfähiger zu machen. Während die ursprüngliche Zen-Architektur einfach mehrere CPUs zusammenfügte, um eine höhere Kernzahl zu erreichen, ist Zen 2-Chiplets führten ein radikales Konzept ein, indem sie die CPU-Kerne auf eigenen Chips und alles andere darauf platzierten ein anderer. Das Chiplet-Design steht im Gegensatz zum traditionellen monolithischen Design, bei dem alle CPU-Funktionen auf einem einzigen Chip vorhanden sind. Die Chiplets mit den Kernen werden Core Complex Dies (oder CCDs) genannt, die entweder einen oder zwei CCXs enthalten können, und die Chiplets mit allem anderen sind die I/O Dies (oder IODs).

Chiplets bieten viele Vorteile, die mit dem Ziel von AMD übereinstimmen, CPUs sparsam zu bauen. Erstens ist es günstiger, viele kleine Chips herzustellen als einen großen mit den gleichen Eigenschaften. Zweitens erleichtert es die Herstellung von CPUs mit extrem hoher Kernzahl, da Sie lediglich weitere Chips hinzufügen müssen. Der vielleicht größte Vorteil ist die Flexibilität, da AMD damit nahezu den gesamten Desktop- und Servermarkt abdecken kann eine Art CCD und zwei Arten IODs. Für noch mehr Flexibilität verfügt AMD jetzt auch über Cache-Chiplets namens 3D V-Cache Anpassung.

AMDs neueste Innovation ist die Einführung dichterer Varianten von Zen-Kernen mit Zen 4c. Diese dichten Versionen der Zen-Architektur sind völlig identisch mit den regulären Versionen außer dass sie viel kleiner sind, sodass AMDs 16-Kern-Zen-4c-CCD die gleiche Größe hat wie der Achtkern-Zen 4 CCD. Diese erhöhte Dichte verhindert jedoch, dass C-Typ-Kerne die Taktraten erreichen, die normale Kerne erreichen können. Dies macht Zen-C-Varianten-Kerne bevorzugter für CPUs mit hoher Kernanzahl, die keine große Single-Thread-Leistung benötigen.

Solche Kerne sind auch für Verbraucheranwendungen nützlich. AMDs Phoenix 2 APU kombiniert einen Zen 4 CCX mit zwei Kernen mit einem Zen 4c CCX mit vier Kernen und ist damit der erste, der CCXs unterschiedlicher Größe kombiniert. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Kerne wird als Hybridarchitektur bezeichnet, und die Grundidee besteht darin, dass sie regelmäßig ist Kerne werden für Single-Thread-Workloads verwendet, während die C-Typ-Kerne bei Multi-Thread-Workloads hilfreich sind Arbeitsbelastungen. Während dieser Chip für AMD ungewöhnlich speziell aussieht, kann er tatsächlich auch für Ryzen-APUs der unteren Preisklasse verwendet werden, falls der nicht-hybride Phoenix-Chip nicht verfügbar ist.

AMD hat sich bei der Zen-Architektur vor allem darauf konzentriert, den Markt möglichst umfassend abzudecken Zeit- und Ressourcenverschwendung bei der Entwicklung von Prozessoren, die sich AMD aufgrund seiner relativ geringen Größe nicht leisten kann. Anstatt jedes Segment der Computerindustrie unterschiedlich zu behandeln, verfolgt AMD einen allgemeinen Ansatz und entwickelt nur wenige Designs und einzelne Chips, um alles abzudecken. Während Intel vier Designs für Alder Lake entwarf, die nur Desktops und Laptops abdeckten, hatte AMD ein einziges Zen 3 CCX-Design für Desktop-, Laptop- und Server-CPUs.

Die Zukunft des Zen

Da AMD ein so innovatives und cleveres Unternehmen ist, ist es nie leicht zu erraten, was AMD als nächstes tun wird. AMD hat seine Pläne bekannt gegeben, im Jahr 2024 Zen-5-CPUs auf den Markt zu bringen, aber darüber hinaus wissen wir nichts Genaues. Vielleicht werden wir sehen, dass AMD eine größere Auswahl an Hybrid-CPUs anbietet, vielleicht sogar einige, die reguläre und C-Varianten-CCDs kombinieren, um das Beste aus beiden Welten für Desktops und Server zu bieten.

Wenn es um die Zukunft von Zen geht, können wir auch die Konkurrenten von AMD, vor allem Intel und Arm, nicht außer Acht lassen. Während Zen zweifellos eine gute Architektur ist, ist ein Großteil des Erfolgs von AMD seit der Einführung der ursprünglichen Zen-Architektur auf die strategischen Fehler von Intel in den 2010er Jahren zurückzuführen. Aber nicht nur, dass Intel endlich sein eigenes Comeback geschafft hat, es naht auch ein neuer Herausforderer, da Arm in PCs und Server vordringt. Wenn AMD seine Position halten und verbessern will, muss Zen von Generation zu Generation besser werden.