AMD Zeni arhitektuur: AMD Zen 4 protsessorite põhialused

AMD tegi oma suure tagasituleku 2017. aastal oma tagaküljel Ryzeni protsessorid, mis on endiselt mõned parim, mida täna osta saab, ja see oli kõik võimalik tänu ettevõtte uhiuuele Zen-arhitektuurile. Zeni edu muutis AMD kuue aasta jooksul peaaegu lagunenud ja üheks silmapaistvamaks tehnoloogiaettevõtteks maailmas. See on lugu Zenist, kuidas see AMD päästis ja milline võib Zeni tulevik välja näha.

Zeni lühike ajalugu

2000. aastate lõpus oli AMD-l õnne käes. Vaid paar aastat tagasi tundus, et selle legendaarsed Athloni töölaua- ja Opteroni serveriprotsessorid võivad Inteli kukutada, kuid lõpuks kaotas AMD oma haarde ja Intel tegi oma tegevuse puhtaks. AMD Phenom CPU-d lihtsalt ei vastanud Inteli põhiarhitektuurile ja midagi oli vaja muuta, kui AMD sooviks taas juhtpositsioonile jõuda. Seega otsustas ettevõte välja töötada selle arhitektuuri nimega Bulldozer ja kihla vedada, et mitme keermega töökoormused on andmetöötluse tulevik.

Buldooser polnud lihtsalt halb, see oli objektiivselt halvim asi, millega AMD kunagi välja tuli. Selle ühe keermega jõudlus oli prügikas (esimese põlvkonna FX-kiibid olid tegelikult aeglasemad kui Phenom II protsessorid nad asendasid), tarbis see tonni energiat ja päeva lõpuks oli selle mitme keermega jõudlus parimal juhul keskpärane. Järgmised kuus aastat peaks AMD elama selle kohutava arhitektuuriga, kuni Intel saavutas oma ülemvõimu haripunkti.

Peaaegu kohe pärast buldooseri kokkuvarisemist mõistis AMD, et lihtne ümbertegemine seda ei vähenda, ja asus töötama uhiuue arhitektuuri kallal. See arhitektuur oleks modelleeritud Inteli arhitektuuri järgi: kõrge ühe keermega jõudlus, tööstusharule tüüpilised tuumad ja niidid ning selline paindlikkus, mis muutis selle sobivaks kõige jaoks, alustades madalaima hinnaga tarbijaprotsessoritest kuni kõrgeima taseme serveriteni laastud. AMD nimetas selle arhitektuuri hiljem Zeniks ja selle esimeste Zen CPU-de turuletoomine 2017. aastal tähistas uut alguses AMD jaoks ja kuigi Zeni ei saanud Inteli põhiarhitektuuriga päris võrrelda, polnud see kaugel väljas.

Kuigi arvutitööstus, CPU-entusiastid ja isegi AMD ise eeldasid, et tee jõudluse juhtimiseni on pikk, oli see tegelikult üsna lühike. Zen 2, Zeni järglane, käivitati 2019. aastal ja šokeeris peaaegu kõiki, puhudes Inteli veest välja. AMD saavutas suure edumaa mitme keermega jõudluses peaaegu igas segmendis, energiatõhusus oli oluliselt parem peaaegu iga töökoormusega ja isegi ületas Inteli ühelõimelise jõudluse osas, mida AMD polnud suutnud üle kümne aasta.

Siit edasi läks tee AMD jaoks lihtsamaks. Serveriturg oli (ja on endiselt) AMD jaoks kõige olulisem valdkond, kus ja mille jooksul edu saavutada Zen 3 ilmumise ajal 2020. aastal kontrollis AMD 7% turust, võrreldes peaaegu 0%ga enne Zeni tulekut välja. See muutus veelgi lihtsamaks tänu sellele, kuidas Intel lõi oma plaanid käivitada võimsad 10 nm protsessorid, jättes AMD seisma vananenud ja praktiliselt vananenud 14 nm kiipide vastu. mis on ühed halvimad, mida Intel on kunagi teinud.

2021. aasta lõpuks sai Intel siiski lõpuks oma teod kokku ja tõi turule oma 10 nm Alder Lake'i kiibid. Sai üsna selgeks, et AMD kaotas turu jälgi ja jäi liialt oma jõudluse juhtpositsioonile kinni, kuna Intelil ei olnud seda konkurents töölaual alla 300 dollari piiri, sest AMD ei viitsinud kunagi soodsa hinnaga Ryzen 5000 kiipe turule tuua, kuni Intel sundis probleem. Alder Lake'i turuletulekule järgnenud kuud olid AMD jaoks pisut rasked, kuid siiski hoidis ta serveriturul eduseisu ja saavutas mängujuhtimise tänu Ryzen 7 5800X3D-le ja selle 3D V-vahemälu.

Täna on Zenil neljas suurem iteratsioon, kusjuures Zen 4 käivitati 2022. aasta lõpus koos Ryzen 7000 seeria ja Epyc 4. põlvkond. See Zen-arhitektuuri uusim versioon on keskendunud suurele jõudlusele, mis on teravas kontrastis algse Zen-arhitektuuriga, mis keskendus paremale väärtusele. Kuigi Zen 4 erineb märkimisväärselt algsest Zenist, on mõned põhialused, millest AMD pole veel lahti lasknud ja tõenäoliselt ei tee seda ka mõnda aega.

CCX-id, kiibid ja südamikud

Kuigi AMD on aastate jooksul oma Zeni arhitektuuris palju asju täiustanud, on Zeni kohta palju asju mis on põhimõtteliselt tõsi olnud algusest peale, ja mõned uued asjad, mis kujundavad Zeni kulgu edasi. Ma räägin CCX-idest, kiibidest ja tuumadest, mis on tänapäevaste Zen-kiipide põhiaspektid.

Zeni arhitektuur on võimas, kuid see pole nii paindlik kui selliste ettevõtete nagu Intel konkureerivad disainilahendused. Kui enamiku protsessorite väikseim ehitusplokk on tuum, siis Zeni jaoks on see Core Complex ehk CCX. CCX on tuumade klaster ja võib (kirjutamise ajal) sisaldada kahte, nelja või kaheksat tuuma, sellel on oma L3 vahemälu ja see töötab koos teiste sama protsessori CCX-idega. CCX on sisuliselt täisprotsessor, mis on nii hea kui ka halb asi. Iga CCX on iseseisvalt väga võimekas, kuid CCX-ide vaheline suhtlus võtab palju aega, mis vähendab jõudlust.

AMD jaoks muudab CCX-i üldine olemus teatud põhiarvude pakkumise keeruliseks. Näiteks kui AMD tahab teha kuuetuumalist protsessorit, ei saa ta välja töötada lihtsalt kuue tuumaga kiipi, sest AMD-l pole kuuetuumalist CCX-i. Algselt oli AMD-l ainult neljatuumaline CCX, nii et kuuetuumalise protsessori saamiseks pidi ta võtma kahe CCX-ga kiibi ja keelama mõlemal tuuma. Täna võtab AMD kaheksatuumalise CCX-ga kiibi ja keelab sellel kaks tuuma, et jõuda kuuele. Tehniliselt saab AMD kombineerida erineva suurusega CCX-sid, et saada rohkem võimalusi, kuid ma arutan seda hiljem.

Zen 2 abil töötas AMD välja kiibid, mis muudavad Zeni veelgi võimsamaks. Kui algne Zeni arhitektuur ühendas lihtsalt mitu CPU-d, et saavutada suurem tuumade arv, siis Zen 2 kiibikest tutvustasid radikaalset kontseptsiooni, pannes protsessori tuumad oma kiipidele ja kõik muu peale teine. Kiibi disain vastandub traditsioonilisele monoliitsele disainile, kus kõik protsessori funktsioonid eksisteerivad ühes kiibis. Tuumadega kiipe nimetatakse Core Complex Diesiks (või CCD-ks), mis võivad sisaldada kas ühte või kahte CCX-i ja kõige muuga kiipe on I/O Dies (või IOD).

Kiibikomplektidel on palju eeliseid, mis on kooskõlas AMD eesmärgiga ehitada CPU-sid säästlikult. Esiteks on odavam teha palju väikeseid laaste, mitte samade omadustega suuri. Teiseks muudab see ülikõrge tuumaarvuga protsessorite valmistamise lihtsaks, kuna peate vaid lisama rohkem kiipe. Võib-olla on suurim eelis paindlikkus, kuna AMD suudab katta peaaegu kogu lauaarvutite ja serverite turu. ühte tüüpi CCD ja kahte tüüpi IOD-sid. AMD-l on nüüd ka vahemälu kiibid nimega 3D V-Cache veelgi suurema paindlikkuse ja kohandamine.

AMD uusim uuendus on Zen 4c-ga Zeni tuumade tihedamate variantide kasutuselevõtt. Need Zen-arhitektuuri tihedad versioonid on täiesti identsed tavaversioonidega välja arvatud on palju väiksemad, võimaldades AMD 16-tuumalisel Zen 4c CCD-l olla sama suur kui kaheksatuumalisel Zenil 4 CCD. See suurenenud tihedus takistab aga c-tüüpi südamikel saavutamast taktsagedusi, mida tavalised tuumad suudavad. See muudab Zen c-variandi tuumad eelistatumaks suure tuumaarvuga CPU-de jaoks, mis ei vaja suurepärast ühe keermega jõudlust.

Seda tüüpi südamikud on kasulikud ka tarbijarakendustes. AMD Phoenix 2 APU ühendab kahetuumalise Zen 4 CCX neljatuumalise Zen 4c CCX-ga, mis on esimene, mis kombineerib erineva suurusega CCX-sid. Kahe erineva tuuma kasutamist nimetatakse hübriidarhitektuuriks ja kogu idee seisneb selles, et tavaline südamikke kasutatakse ühe keermega töökoormuste jaoks, samas kui c-tüüpi südamikud aitavad mitme keermega töökoormused. Kuigi see kiip näib AMD jaoks ebatavaliselt spetsialiseerunud, saab seda tegelikult kasutada ka madalama klassi Ryzeni APU-de jaoks, kui mittehübriidset Phoenixi kiipi pole saadaval.

Zen-arhitektuuriga on AMD keskendunud eranditult sellele, kuidas katta turgu kõige laiemalt ilma aja ja ressursside raiskamine protsessorite arendamiseks, mida AMD oma suhteliselt väikese suuruse tõttu endale lubada ei saa. Selle asemel, et käsitleda arvutitööstuse iga segmenti erinevalt, kasutab AMD üldist lähenemisviisi ja töötab välja vaid mõned kujundused ja üksikud kiibid, et kõike katta. Kui Intel tegi Alder Lake'i jaoks neli kujundust, mis hõlmasid ainult laua- ja sülearvuteid, siis AMD-l oli üks Zen 3 CCX disain, mida kasutati laua-, sülearvuti- ja serveriprotsessorite jaoks.

Zeni tulevik

Kuna tegemist on nii uuendusliku ja nutika ettevõttega, pole kunagi lihtne arvata, mida AMD järgmisena ette võtab. AMD on avalikustanud oma plaanid tuua turule Zen 5 protsessorid 2024. aastal, kuid peale selle ei tea me midagi kindlat. Võib-olla näeme, et AMD pakub laiemat valikut hübriidprotsessoreid, võib-olla isegi selliseid, mis kombineerivad tavalisi ja c-variandi CCD-sid, et pakkuda lauaarvutite ja serverite jaoks mõlema maailma parimat.

Zeni tuleviku osas ei saa me ignoreerida ka AMD konkurente, peamiselt Inteli ja Armi. Kuigi Zen on vaieldamatult hea arhitektuur, on suur osa AMD edust pärast algse Zeni arhitektuuri kasutuselevõttu tänu Inteli strateegilistele vigadele 2010. aastatel. Kuid mitte ainult, et Intel pole lõpuks oma tagasitulekut teinud, läheneb uus väljakutsuja, kuna Arm hiilib arvutitesse ja serveritesse. Kui AMD soovib oma positsiooni hoida ja parandada, peab Zen iga põlvkonnaga aina paremaks muutuma.