Η αρχιτεκτονική Zen της AMD: τα βασικά στοιχεία των επεξεργαστών Zen 4 της AMD

Η AMD έκανε τη μεγάλη της επιστροφή το 2017 στο πίσω μέρος της Επεξεργαστές Ryzen, τα οποία εξακολουθούν να είναι μερικά από τα το καλύτερο που μπορείτε να αγοράσετε σήμερα, και όλα ήταν δυνατά χάρη στην ολοκαίνουργια αρχιτεκτονική Zen της εταιρείας. Η επιτυχία του Zen μετέτρεψε την AMD από σχεδόν σπασμένη σε μια από τις πιο εξέχουσες εταιρείες τεχνολογίας στον κόσμο, όλα μέσα σε διάστημα έξι ετών. Αυτή είναι η ιστορία του Zen, πώς έσωσε την AMD και πώς μπορεί να μοιάζει το μέλλον του Zen.

Μια σύντομη ιστορία του Ζεν

Στα τέλη της δεκαετίας του 2000, η ​​AMD δεν είχε την τύχη της. Μόλις λίγα χρόνια νωρίτερα, οι θρυλικοί επιτραπέζιοι επεξεργαστές της Athlon και οι διακομιστής Opteron έμοιαζαν έτοιμοι να ανατρέψουν την Intel, αλλά τελικά, η AMD έχασε τη λαβή της και η Intel ξεκαθάρισε την πράξη της. Οι επεξεργαστές Phenom της AMD απλώς δεν το περιόριζαν σε σχέση με την αρχιτεκτονική Core της Intel και κάτι έπρεπε να αλλάξει εάν η AMD ήθελε να έχει ξανά την ηγετική θέση. Έτσι, η εταιρεία αποφάσισε να αναπτύξει αυτήν την αρχιτεκτονική που ονομάζεται Bulldozer και να στοιχηματίσει ότι οι φόρτοι εργασίας πολλαπλών νημάτων ήταν το μέλλον των υπολογιστών.

Η μπουλντόζα δεν ήταν απλώς κακή, ήταν αντικειμενικά το χειρότερο πράγμα που σκέφτηκε ποτέ η AMD. Η απόδοση ενός νήματος ήταν trash (τα τσιπ FX πρώτης γενιάς ήταν στην πραγματικότητα πιο αργά από τους επεξεργαστές Phenom II αντικατέστησαν), κατανάλωνε τόνους ενέργειας και στο τέλος της ημέρας, η απόδοση πολλαπλών νημάτων ήταν στην καλύτερη περίπτωση μέτριος. Για τα επόμενα έξι χρόνια, η AMD θα έπρεπε να επιβιώσει με αυτήν την απαίσια αρχιτεκτονική, ενώ η Intel έφτασε στο απόγειο της υπεροχής της.

Σχεδόν αμέσως μετά την καταστροφή του Bulldozer, η AMD συνειδητοποίησε ότι μια απλή επανεπεξεργασία δεν θα το έκοβε και άρχισε να εργάζεται σε μια ολοκαίνουργια αρχιτεκτονική. Αυτή η αρχιτεκτονική θα διαμορφωθεί σύμφωνα με την Intel: υψηλή απόδοση ενός νήματος, τυπικούς πυρήνες και νήματα της βιομηχανίας και το είδος της ευελιξίας που το έκανε κατάλληλο για τα πάντα, από τους επεξεργαστές χαμηλότερης ποιότητας έως τον διακομιστή υψηλότερης ποιότητας πατατάκια. Η AMD αργότερα ονόμασε αυτήν την αρχιτεκτονική Zen και η κυκλοφορία των πρώτων της Zen CPUs το 2017 σηματοδότησε μια νέα ξεκινώντας για την AMD, και παρόλο που το Zen δεν μπορούσε να συγκριθεί με την αρχιτεκτονική Core της Intel, δεν ήταν μακριά μακριά από.

Ενώ η βιομηχανία των υπολογιστών, οι λάτρεις της CPU, ακόμη και η ίδια η AMD περίμεναν ότι ο δρόμος για την ηγετική θέση στην απόδοση θα ήταν μακρύς, στην πραγματικότητα ήταν αρκετά σύντομος. Το Zen 2, ο διάδοχος του Zen, κυκλοφόρησε το 2019 και συγκλόνισε λίγο πολύ τους πάντες βγάζοντας την Intel από το νερό. Η AMD κατέκτησε ένα τεράστιο προβάδισμα στην απόδοση πολλαπλών νημάτων σε σχεδόν κάθε τμήμα, είχε σημαντικά καλύτερη απόδοση ισχύος σε σχεδόν κάθε φόρτο εργασίας, και ξεπέρασε ακόμη και την Intel στην απόδοση ενός νήματος, κάτι που η AMD δεν ήταν σε θέση να κάνει για πάνω από μια δεκαετία.

Από εδώ, ο δρόμος έγινε πιο εύκολος για την AMD. Η αγορά διακομιστών ήταν (και εξακολουθεί να είναι) ο πιο σημαντικός τομέας για την AMD για να σημειώσει πρόοδο εντός και εκτός τη στιγμή που κυκλοφόρησε το Zen 3 το 2020, η AMD έλεγχε το 7% της αγοράς, από σχεδόν 0% πριν έρθει το Zen έξω. Αυτό έγινε ακόμα πιο εύκολο χάρη στον τρόπο με τον οποίο η Intel απέρριψε τελείως τα σχέδιά της για την κυκλοφορία ισχυρών CPU 10nm, αφήνοντας την AMD να αντιμετωπίσει τα ξεπερασμένα και πρακτικά απαρχαιωμένα τσιπ 14nm. που είναι μερικά από τα χειρότερα που έχει φτιάξει ποτέ η Intel.

Ωστόσο, μέχρι το τέλος του 2021, η Intel κατάφερε επιτέλους να τα καταφέρει και κυκλοφόρησε τα τσιπ Alder Lake 10nm. Έγινε αρκετά ξεκάθαρο ότι η AMD έχασε τα ίχνη της αγοράς και πιάστηκε υπερβολικά από την ηγετική της απόδοση, καθώς η Intel δεν είχε ανταγωνισμός κάτω από το όριο των 300 $ στον επιτραπέζιο υπολογιστή, καθώς η AMD δεν ενόχλησε ποτέ να κυκλοφορήσει τσιπ προϋπολογισμού Ryzen 5000 έως ότου η Intel ανάγκασε την θέμα. Οι μήνες που ακολούθησαν την κυκλοφορία του Alder Lake ήταν λίγο δύσκολοι για την AMD, αλλά εξακολουθούσε να κρατά το πάνω χέρι στην αγορά των διακομιστών και να ξαναπήρε το προβάδισμα στα gaming χάρη στο Ryzen 7 5800X3D και 3D V-Cache.

Σήμερα, το Zen βρίσκεται στην τέταρτη σημαντική επανάληψη του, με το Zen 4 να έχει κυκλοφορήσει στα τέλη του 2022 με το Σειρά Ryzen 7000 και Epyc 4ης γενιάς. Αυτή η τελευταία έκδοση της αρχιτεκτονικής Zen επικεντρώνεται στην υψηλή απόδοση, η οποία έρχεται σε πλήρη αντίθεση με την αρχική αρχιτεκτονική Zen, η οποία εστίαζε στην καλύτερη αξία. Αν και το Zen 4 είναι σημαντικά διαφορετικό από το αρχικό Zen, υπάρχουν ορισμένα βασικά στοιχεία που η AMD δεν τα έχει αφήσει ακόμα και πιθανότατα δεν θα είναι για κάποιο χρονικό διάστημα.

CCX, chiplet και πυρήνες

Ενώ η AMD με τα χρόνια έχει βελτιώσει πολλά πράγματα στην αρχιτεκτονική Zen της, υπάρχουν πολλά πράγματα για το Zen που ίσχυαν θεμελιωδώς από την αρχή, και μερικά νέα πράγματα που θα διαμορφώσουν τον Ζεν προς τα εμπρός. Μιλάω για CCX, chiplet και πυρήνες, τις θεμελιώδεις πτυχές των σύγχρονων τσιπ Zen.

Η αρχιτεκτονική Zen είναι ισχυρή, αλλά δεν είναι τόσο ευέλικτη όσο ανταγωνιστικά σχέδια από εταιρείες όπως η Intel. Ενώ το μικρότερο δομικό στοιχείο στις περισσότερες CPU είναι ο πυρήνας, για το Zen είναι το Core Complex ή CCX. Ένα CCX είναι ένα σύμπλεγμα πυρήνων και μπορεί να περιέχει (τη στιγμή της γραφής) δύο, τέσσερις ή οκτώ πυρήνες, έχει τη δική του κρυφή μνήμη L3 και λειτουργεί με άλλα CCX στην ίδια CPU. Ένα CCX είναι ουσιαστικά μια πλήρης CPU από μόνη της, κάτι που είναι και καλό και κακό. Κάθε CCX είναι πολύ ικανό από μόνο του, αλλά η επικοινωνία μεταξύ των CCX απαιτεί σημαντικό χρόνο, γεγονός που μειώνει την απόδοση.

Για την AMD, η γενικευμένη φύση του CCX καθιστά δύσκολη την προσφορά ορισμένων βασικών αριθμών. Για παράδειγμα, εάν η AMD θέλει να φτιάξει έναν επεξεργαστή έξι πυρήνων, δεν μπορεί απλώς να αναπτύξει ένα τσιπ με έξι πυρήνες, επειδή η AMD δεν έχει εξαπύρηνο CCX. Αρχικά, η AMD είχε μόνο τον τετραπύρηνο CCX, οπότε χρειάστηκε να πάρει ένα τσιπ με δύο από αυτά τα CCX και να απενεργοποιήσει έναν πυρήνα σε καθένα για να αποκτήσει μια CPU έξι πυρήνων. Σήμερα, η AMD παίρνει ένα τσιπ με CCX οκτώ πυρήνων και απενεργοποιεί δύο πυρήνες σε αυτό για να φτάσει στους έξι. Τεχνικά, η AMD μπορεί να συνδυάσει CCX διαφορετικών μεγεθών για περισσότερες επιλογές, αλλά θα το συζητήσω αργότερα.

Με το Zen 2, η AMD ανέπτυξε chiplet για να κάνει το Zen ακόμα πιο ισχυρό. Ενώ η αρχική αρχιτεκτονική Zen απλώς συνδύαζε πολλές CPU για να επιτύχει υψηλότερο αριθμό πυρήνων, το Zen 2 chiplet εισήγαγαν μια ριζοσπαστική ιδέα βάζοντας τους πυρήνες της CPU στα δικά τους τσιπ και οτιδήποτε άλλο αλλο. Ο σχεδιασμός chiplet βρίσκεται σε αντίθεση με τον παραδοσιακό μονολιθικό σχεδιασμό, στον οποίο όλες οι λειτουργίες της CPU υπάρχουν σε ένα μόνο τσιπ. Τα chiplet με τους πυρήνες ονομάζονται Core Complex Dies (ή CCD), τα οποία μπορούν να περιέχουν είτε ένα είτε δύο CCX, και τα chiplet με όλα τα άλλα είναι τα I/O Dies (ή IOD).

Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα με τα chiplet που ευθυγραμμίζονται με τον στόχο της AMD να χτίζει CPU με φθηνό τρόπο. Πρώτον, είναι φθηνότερο να φτιάξεις πολλές μικρές μάρκες σε αντίθεση με μια μεγάλη με τα ίδια χαρακτηριστικά. Δεύτερον, διευκολύνει τη δημιουργία CPU με εξαιρετικά υψηλό αριθμό πυρήνων, καθώς το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να προσθέσετε περισσότερες μάρκες. Ίσως το μεγαλύτερο πλεονέκτημα είναι η ευελιξία, καθώς η AMD μπορεί να καλύψει σχεδόν ολόκληρη την αγορά επιτραπέζιων υπολογιστών και διακομιστών ένα είδος CCD και δύο είδη IOD. Η AMD διαθέτει επίσης chiplet cache που ονομάζονται 3D V-Cache για ακόμη μεγαλύτερη ευελιξία και προσαρμογή.

Η τελευταία καινοτομία της AMD είναι η εισαγωγή πυκνότερων παραλλαγών πυρήνων Zen με Zen 4c. Αυτές οι πυκνές εκδόσεις της αρχιτεκτονικής Zen είναι εντελώς πανομοιότυπες με τις κανονικές εκδόσεις εκτός είναι πολύ μικρότερα, επιτρέποντας στο Zen 4c CCD 16 πυρήνων της AMD να έχει το ίδιο μέγεθος με το Zen οκτώ πυρήνων 4 CCD. Ωστόσο, αυτή η αυξημένη πυκνότητα εμποδίζει τους πυρήνες τύπου c να φτάσουν τις ταχύτητες ρολογιού που μπορούν οι κανονικοί πυρήνες. Αυτό καθιστά τους πυρήνες της παραλλαγής Zen c πιο προτιμητέους για επεξεργαστές υψηλών πυρήνων που δεν χρειάζονται εξαιρετική απόδοση με ένα νήμα.

Αυτοί οι τύποι πυρήνων είναι επίσης χρήσιμοι για εφαρμογές καταναλωτών. APU Phoenix 2 της AMD συνδυάζει ένα Zen 4 CCX δύο πυρήνων με ένα Zen 4c CCX τεσσάρων πυρήνων, το πρώτο που συνδύασε CCX διαφορετικών μεγεθών. Η χρήση δύο διαφορετικών πυρήνων ονομάζεται υβριδική αρχιτεκτονική και η όλη ιδέα είναι ότι η κανονική οι πυρήνες χρησιμοποιούνται για φόρτους εργασίας ενός νήματος, ενώ οι πυρήνες τύπου c βοηθούν σε πολλαπλά νήματα φόρτους εργασίας. Αν και αυτό το τσιπ φαίνεται ασυνήθιστα εξειδικευμένο για την AMD, μπορεί στην πραγματικότητα να χρησιμοποιηθεί και για Ryzen APU χαμηλότερης ποιότητας σε περίπτωση που το μη υβριδικό τσιπ Phoenix δεν είναι διαθέσιμο.

Με την αρχιτεκτονική Zen, η AMD έχει επικεντρωθεί αποκλειστικά στον τρόπο κάλυψης της αγοράς με τον ευρύτερο τρόπο χωρίς χάνουμε χρόνο και πόρους για την ανάπτυξη επεξεργαστών, κάτι που η AMD δεν έχει την πολυτέλεια να κάνει λόγω του σχετικά μικρού της μεγέθους. Αντί να αντιμετωπίζει διαφορετικά κάθε τμήμα της βιομηχανίας υπολογιστών, η AMD χρησιμοποιεί μια γενικευμένη προσέγγιση και αναπτύσσει μόνο μερικά σχέδια και μεμονωμένα τσιπ για να καλύψει τα πάντα. Ενώ η Intel έκανε τέσσερα σχέδια για το Alder Lake, τα οποία κάλυπταν μόνο επιτραπέζιους και φορητούς υπολογιστές, η AMD είχε ένα μοναδικό σχέδιο Zen 3 CCX που χρησιμοποιείται για επιτραπέζιους υπολογιστές, φορητούς υπολογιστές και επεξεργαστές διακομιστή.

Το μέλλον του Ζεν

Όντας μια τόσο καινοτόμος και έξυπνη εταιρεία, δεν είναι ποτέ εύκολο να μαντέψεις τι θα κάνει η AMD στη συνέχεια. Η AMD αποκάλυψε τα σχέδιά της να κυκλοφορήσει επεξεργαστές Zen 5 το 2024, αλλά πέρα ​​από αυτό δεν γνωρίζουμε τίποτα με βεβαιότητα. Ίσως θα δούμε την AMD να προσφέρει μια ευρύτερη εξάπλωση υβριδικών CPU, ίσως ακόμη και ορισμένων που συνδυάζουν κανονικές και c-variant CCD για να προσφέρουν το καλύτερο και των δύο κόσμων για επιτραπέζιους υπολογιστές και διακομιστές.

Δεν μπορούμε επίσης να αγνοήσουμε τους ανταγωνιστές της AMD, κυρίως την Intel και την Arm, όταν πρόκειται για το μέλλον του Zen. Ενώ το Zen είναι αναμφισβήτητα μια καλή αρχιτεκτονική, μεγάλο μέρος της επιτυχίας της AMD από την εισαγωγή της αρχικής αρχιτεκτονικής Zen οφείλεται στα στρατηγικά λάθη της Intel κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 2010. Αλλά όχι μόνο η Intel έκανε επιτέλους τη δική της επιστροφή, αλλά ένας νέος αμφισβητίας πλησιάζει καθώς ο Arm εισχωρεί σε υπολογιστές και διακομιστές. Εάν η AMD θέλει να διατηρήσει και να βελτιώσει τη θέση της, το Zen θα πρέπει να συνεχίσει να βελτιώνεται κάθε γενιά.