Arquitectura Zen de AMD: los fundamentos de las CPU Zen 4 de AMD

AMD hizo su gran regreso en 2017 en la parte posterior de su CPU Ryzen, que siguen siendo algunos de los lo mejor que puedes comprar hoy, y todo fue posible gracias a la nueva arquitectura Zen de la empresa. El éxito de Zen convirtió a AMD de casi en quiebra a una de las empresas tecnológicas más destacadas del mundo, todo en el lapso de seis años. Esta es la historia de Zen, cómo salvó a AMD y cómo podría ser el futuro de Zen.

Una breve historia del zen

A fines de la década de 2000, AMD no tuvo suerte. Solo unos años antes, su legendaria computadora de escritorio Athlon y las CPU de servidor Opteron parecían estar a punto de derrocar a Intel, pero finalmente, AMD perdió el control e Intel limpió su acto. Las CPU Phenom de AMD simplemente no estaban a la altura de la arquitectura Core de Intel, y algo tenía que cambiar si AMD quería volver a tener una oportunidad de liderazgo. Entonces, la empresa decidió desarrollar esta arquitectura llamada Bulldozer y apostó a que las cargas de trabajo de subprocesos múltiples eran el futuro de la informática.

Bulldozer no solo era malo, fue objetivamente lo peor que se le ocurrió a AMD. Su rendimiento de subproceso único era basura (los chips FX de primera generación eran en realidad más lentos que las CPU Phenom II). reemplazaron), consumía toneladas de energía y, al final del día, su rendimiento de subprocesos múltiples era el mejor mediocre. Durante los próximos seis años, AMD tendría que subsistir con esta horrible arquitectura mientras Intel alcanzaba la cima de su supremacía.

Casi inmediatamente después de la debacle de Bulldozer, AMD se dio cuenta de que un simple rediseño no sería suficiente y comenzó a trabajar en una arquitectura completamente nueva. Esta arquitectura seguiría el modelo de Intel: alto rendimiento de subproceso único, núcleos y subprocesos típicos de la industria, y el tipo de flexibilidad que lo hizo adecuado para todo, desde las CPU de consumo de gama más baja hasta el servidor de gama más alta papas fritas. Posteriormente, AMD nombró a esta arquitectura Zen, y el lanzamiento de sus primeras CPU Zen en 2017 marcó un nuevo principio para AMD, y aunque Zen no podía compararse con la arquitectura Core de Intel, no estaba lejos apagado.

Si bien la industria informática, los entusiastas de las CPU e incluso AMD esperaban que el camino hacia el liderazgo en rendimiento fuera largo, en realidad fue bastante corto. Zen 2, el sucesor de Zen, se lanzó en 2019 y sorprendió a casi todos al sacar a Intel del agua. AMD obtuvo una enorme ventaja en el rendimiento de subprocesos múltiples en prácticamente todos los segmentos, tuvo una eficiencia energética significativamente mejor en prácticamente todas las cargas de trabajo, e incluso superó a Intel en rendimiento de subproceso único, lo que AMD no había podido hacer durante más de una década.

A partir de aquí, el camino se volvió más fácil para AMD. El mercado de servidores era (y sigue siendo) el área más importante para que AMD progresara, y por cuando salió Zen 3 en 2020, AMD controlaba el 7 % del mercado, frente a casi el 0 % antes de la llegada de Zen afuera. Esto se hizo aún más fácil gracias a cómo Intel arruinó por completo sus planes de lanzar potentes CPU de 10 nm, dejando a AMD enfrentándose a chips de 14 nm obsoletos y obsoletos. cuáles son algunos de los peores que Intel ha hecho.

Sin embargo, a fines de 2021, Intel finalmente se puso manos a la obra y lanzó sus chips Alder Lake de 10 nm. Quedó bastante claro que AMD perdió la pista del mercado y quedó demasiado atrapada en su liderazgo en rendimiento, ya que Intel no tenía competencia por debajo de la marca de $ 300 en el escritorio ya que AMD nunca se molestó en lanzar chips Ryzen 5000 económicos hasta que Intel forzó el asunto. Los meses posteriores al lanzamiento de Alder Lake fueron un poco duros para AMD, pero aun así mantuvo la ventaja en el mercado de servidores y retomó el liderazgo en juegos gracias al Ryzen 7 5800X3D y su V-caché 3D.

Hoy, Zen se encuentra en su cuarta iteración principal, con Zen 4 lanzado a fines de 2022 con el Serie Ryzen 7000 y Epyc de cuarta generación. Esta última versión de la arquitectura Zen se centra en el alto rendimiento, lo que contrasta marcadamente con la arquitectura Zen original, que se centraba en una mejor relación calidad-precio. Aunque Zen 4 es significativamente diferente al Zen original, hay algunos fundamentos que AMD aún no ha dejado de lado y probablemente no lo hará por algún tiempo.

CCX, chiplets y núcleos

Si bien AMD ha mejorado muchas cosas en su arquitectura Zen a lo largo de los años, hay muchas cosas sobre Zen que han sido fundamentalmente cierto desde el principio, y algunas cosas nuevas que darán forma a Zen va adelante. Estoy hablando de CCX, chiplets y núcleos, los aspectos fundamentales de los chips Zen modernos.

La arquitectura Zen es potente, pero no es tan flexible como los diseños de la competencia de empresas como Intel. Si bien el bloque de construcción más pequeño en la mayoría de las CPU es el núcleo, para Zen es Core Complex o CCX. Un CCX es un grupo de núcleos y puede contener (al momento de escribir este artículo) dos, cuatro u ocho núcleos, tiene su propio caché L3 y funciona con otros CCX en la misma CPU. Un CCX es esencialmente una CPU completa en sí misma, lo cual es bueno y malo. Cada CCX es muy capaz por sí solo, pero la comunicación entre los CCX requiere una cantidad significativa de tiempo, lo que reduce el rendimiento.

Para AMD, la naturaleza generalizada de CCX hace que sea un desafío ofrecer ciertos recuentos de núcleos. Por ejemplo, si AMD quiere hacer una CPU de seis núcleos, no puede simplemente desarrollar un chip con seis núcleos, porque AMD no tiene un CCX de seis núcleos. Inicialmente, AMD solo tenía el CCX de cuatro núcleos, por lo que necesitaba tomar un chip con dos de esos CCX y deshabilitar un núcleo en cada uno para obtener una CPU de seis núcleos. Hoy, AMD toma un chip con un CCX de ocho núcleos y deshabilita dos núcleos para reducirlo a seis. Técnicamente, AMD puede combinar CCX de diferentes tamaños para obtener más opciones, pero hablaré de eso más adelante.

Con Zen 2, AMD desarrolló chipsets para hacer que Zen sea aún más potente. Mientras que la arquitectura Zen original simplemente unió varias CPU para lograr un mayor número de núcleos, Zen 2 chiplets introdujeron un concepto radical al colocar los núcleos de la CPU en sus propios chips y todo lo demás en otro. El diseño de chiplet se opone al diseño monolítico tradicional, en el que todas las funciones de la CPU existen en un solo chip. Los chiplets con los núcleos se llaman Core Complex Dies (o CCD), que pueden contener uno o dos CCX, y los chiplets con todo lo demás son los I/O Dies (o IOD).

Hay muchos beneficios con los chiplets que se alinean con el objetivo de AMD de construir CPU de forma económica. En primer lugar, es más barato hacer muchos chips pequeños que uno grande con las mismas características. En segundo lugar, facilita la creación de CPU con recuentos de núcleos muy altos, ya que todo lo que tiene que hacer es agregar más chips. Quizás la mayor ventaja es la flexibilidad, ya que AMD puede cubrir prácticamente todo el mercado de servidores y computadoras de escritorio con un tipo de CCD y dos tipos de IOD. AMD ahora también tiene chipsets de caché llamados 3D V-Cache para una mayor flexibilidad y personalización

La última innovación de AMD es la introducción de variantes más densas de núcleos Zen con Zen 4c. Estas versiones densas de la arquitectura Zen son completamente idénticas a las versiones regulares. excepto que son mucho más pequeños, lo que permite que el CCD Zen 4c de 16 núcleos de AMD tenga el mismo tamaño que el Zen de ocho núcleos 4CC. Sin embargo, esa mayor densidad evita que los núcleos de tipo c alcancen las velocidades de reloj que alcanzan los núcleos normales. Esto hace que los núcleos de la variante c de Zen sean más preferidos para las CPU de alto número de núcleos que no necesitan un gran rendimiento de subproceso único.

Este tipo de núcleos también son útiles para aplicaciones de consumo. APU Phoenix 2 de AMD combina un Zen 4 CCX de dos núcleos con un Zen 4c CCX de cuatro núcleos, el primero en combinar CCX de diferentes tamaños. El uso de dos núcleos diferentes se llama arquitectura híbrida, y la idea general es que el regular Los núcleos se utilizan para cargas de trabajo de subproceso único, mientras que los núcleos de tipo C ayudan en subprocesos múltiples. cargas de trabajo Si bien este chip parece inusualmente especializado para AMD, en realidad también se puede usar para APU Ryzen de gama baja en caso de que el chip Phoenix no híbrido no esté disponible.

Con la arquitectura Zen, AMD se ha centrado singularmente en cómo cubrir el mercado de la manera más amplia sin perder tiempo y recursos en el desarrollo de procesadores, algo que AMD no puede permitirse debido a su tamaño relativamente pequeño. En lugar de tratar cada segmento de la industria informática de manera diferente, AMD utiliza un enfoque generalizado y solo desarrolla unos pocos diseños y chips individuales para cubrir todo. Mientras que Intel hizo cuatro diseños para Alder Lake, que solo cubrían computadoras de escritorio y portátiles, AMD tenía un único diseño Zen 3 CCX utilizado para CPU de escritorio, portátiles y servidores.

El futuro del zen

Al ser una empresa tan innovadora e inteligente, nunca es fácil adivinar qué hará AMD a continuación. AMD ha revelado sus planes para lanzar CPU Zen 5 en 2024, pero más allá de eso, no sabemos nada con certeza. Tal vez veamos a AMD ofrecer una variedad más amplia de CPU híbridas, tal vez incluso algunas que combinen CCD regulares y variantes C para ofrecer lo mejor de ambos mundos para computadoras de escritorio y servidores.

Tampoco podemos ignorar a los competidores de AMD, principalmente Intel y Arm, cuando se trata del futuro de Zen. Si bien Zen es sin duda una buena arquitectura, gran parte del éxito de AMD desde la introducción de la arquitectura Zen original se debe a los errores estratégicos de Intel a lo largo de la década de 2010. Pero Intel no solo ha montado finalmente su propio regreso, sino que se acerca un nuevo desafío a medida que Arm se está infiltrando en las PC y los servidores. Si AMD quiere mantener y mejorar su posición, Zen tendrá que seguir mejorando cada generación.