AMD: n Zen-arkkitehtuuri: AMD: n Zen 4 -suorittimien perusteet

AMD teki suuren paluun takaisin vuonna 2017 sen takana Ryzen-suorittimet, jotka ovat edelleen osa niistä parasta mitä voit ostaa tänään, ja se oli mahdollista yrityksen upouuden Zen-arkkitehtuurin ansiosta. Zenin menestys muutti AMD: n lähes hajoamisesta yhdeksi maailman merkittävimmistä teknologiayrityksistä, kaikki kuudessa vuodessa. Tämä on tarina Zenistä, kuinka se pelasti AMD: n ja miltä Zenin tulevaisuus voisi näyttää.

Zenin lyhyt historia

2000-luvun lopulla AMD oli huonossa tuurissa. Vain muutama vuosi sitten sen legendaariset Athlon-työpöytä- ja Opteron-palvelinprosessorit näyttivät olevan valmiita kaatamaan Intelin, mutta lopulta AMD menetti otteensa ja Intel siivosi toimintansa. AMD: n Phenom-suorittimet eivät vain lyöneet sitä Intelin Core-arkkitehtuuria vastaan, ja jotain oli muutettava, jos AMD halusi päästä jälleen johtajuuteen. Niinpä yritys päätti kehittää tämän Bulldozer-nimisen arkkitehtuurin ja lyödä vetoa, että monisäikeiset työmäärät ovat tietojenkäsittelyn tulevaisuus.

Puskutraktori ei ollut vain huono, se oli objektiivisesti pahin asia, jonka AMD on koskaan keksinyt. Sen yksisäikeinen suorituskyky oli roskaa (ensimmäisen sukupolven FX-sirut olivat itse asiassa hitaampia kuin Phenom II -suorittimet he korvasivat), se kulutti tonnia virtaa, ja päivän päätteeksi sen monisäikeinen suorituskyky oli parhaimmillaan keskiverto. Seuraavan kuuden vuoden ajan AMD: n täytyisi elää tällä kauhealla arkkitehtuurilla Intelin saavuttaessa ylivaltansa huipun.

Melkein heti Bulldozerin romahtamisen jälkeen AMD tajusi, että yksinkertainen uudistus ei poistaisi sitä ja aloitti uuden arkkitehtuurin kehittämisen. Tämä arkkitehtuuri mallinnettaisiin Intelin mukaan: korkea yksisäikeinen suorituskyky, alalla tyypilliset ytimet ja säikeet ja sellainen joustavuus, joka teki siitä sopivan kaikkeen halvimmista kuluttajaprosessoreista huippuluokan palvelimiin sirut. AMD nimesi tämän arkkitehtuurin myöhemmin Zeniksi, ja sen ensimmäisten Zen-suorittimien julkaisu vuonna 2017 merkitsi uutta Alku AMD: lle, ja vaikka Zen ei voinut verrata Intelin ydinarkkitehtuuriin, se ei ollut kaukana vinossa.

Vaikka tietokoneteollisuus, CPU-harrastajat ja jopa AMD itse odottivat, että tie suorituskyvyn johtajuuteen on pitkä, se oli itse asiassa melko lyhyt. Zen 2, Zenin seuraaja, julkaistiin vuonna 2019 ja järkytti melkein kaikkia puhaltamalla Intelin vedestä. AMD saavutti valtavan johtoaseman monisäikeisessä suorituskyvyssä lähes kaikissa segmenteissä, ja sen tehotehokkuus oli huomattavasti parempi käytännöllisesti katsoen jokaisen työmäärän ja jopa ylitti Intelin yksisäikeisessä suorituskyvyssä, mitä AMD ei ollut kyennyt tekemään yli kymmeneen vuoteen.

Tästä eteenpäin tie helpotti AMD: lle. Palvelinmarkkinat olivat (ja ovat edelleen) AMD: n tärkein kehitysalue Kun Zen 3 ilmestyi vuonna 2020, AMD hallitsi 7 prosenttia markkinoista, kun se oli lähes 0 prosenttia ennen Zenin tuloa ulos. Tämä on tehty entistä helpommaksi, koska Intel teki täysin pilalle suunnitelmansa tuoda markkinoille tehokkaita 10 nm: n suorittimia, jolloin AMD joutui kohtaamaan vanhentuneita ja käytännössä vanhentuneita 14 nm: n siruja. jotka ovat pahimpia Intelin koskaan valmistamia.

Vuoden 2021 loppuun mennessä Intel kuitenkin sai vihdoin toimensa ja lanseerasi 10 nm: n Alder Lake -sirunsa. Kävi melko selväksi, että AMD menetti jälkensä markkinoista ja jäi liian kiinni suoritusjohtajuudestaan, sillä Intelillä ei ollut kilpailu työpöydällä alle 300 dollarin rajan, koska AMD ei koskaan vaivautunut lanseeraamaan edullisia Ryzen 5000 -siruja ennen kuin Intel pakotti ongelma. Alder Laken julkaisun jälkeiset kuukaudet olivat AMD: lle hieman vaikeita, mutta se piti silti yliotteen palvelinmarkkinoilla ja otti takaisin pelijohdon Ryzen 7 5800X3D: n ja sen ansiosta. 3D V-välimuisti.

Nykyään Zen on neljännessä suuressa iteraatiossaan, ja Zen 4 julkaistiin vuoden 2022 lopulla. Ryzen 7000 sarja ja Epyc 4. sukupolvi. Tämä Zen-arkkitehtuurin uusin versio on keskittynyt korkeaan suorituskykyyn, mikä on jyrkässä ristiriidassa alkuperäisen Zen-arkkitehtuurin kanssa, joka keskittyi parempaan arvoon. Vaikka Zen 4 on huomattavasti erilainen kuin alkuperäinen Zen, on joitakin perusasioita, joista AMD ei ole vielä päästänyt irti, eikä luultavasti tule päästämään irti vielä vähään aikaan.

CCX: t, sirut ja ytimet

Vaikka AMD on vuosien mittaan parantanut monia asioita Zen-arkkitehtuurissaan, Zenissä on monia asioita jotka ovat olleet pohjimmiltaan totta alusta asti, ja muutamia uusia asioita, jotka muokkaavat Zenin toimintaa eteenpäin. Puhun CCX: istä, siruista ja ytimistä, nykyaikaisten Zen-sirujen perusominaisuuksista.

Zen-arkkitehtuuri on tehokas, mutta se ei ole aivan yhtä joustava kuin Intelin kaltaisten yritysten kilpailevat mallit. Vaikka useimpien suorittimien pienin rakennuspalikka on ydin, Zenille se on Core Complex eli CCX. CCX on klusteri ytimiä ja voi sisältää (kirjoitushetkellä) kaksi, neljä tai kahdeksan ydintä, sillä on oma L3-välimuisti ja se toimii muiden CCX: iden kanssa samassa suorittimessa. CCX on pohjimmiltaan täysi prosessori itsessään, mikä on sekä hyvä että huono asia. Jokainen CCX on erittäin kykenevä yksinään, mutta CCX: iden välinen viestintä vie huomattavasti aikaa, mikä heikentää suorituskykyä.

AMD: lle CCX: n yleinen luonne tekee haastavaksi tarjota tiettyjä ydinmääriä. Jos AMD esimerkiksi haluaa tehdä kuuden ytimen suorittimen, se ei voi vain kehittää kuuden ytimen sirua, koska AMD: llä ei ole kuuden ytimen CCX: ää. Aluksi AMD: llä oli vain neljän ytimen CCX, joten sen piti ottaa siru kahdella näistä CCX: istä ja poistaa ydin käytöstä kummassakin saadakseen kuuden ytimen suorittimen. Nykyään AMD ottaa piirin kahdeksanytimisellä CCX: llä ja poistaa siitä kaksi ydintä, jotta se laskee kuuteen. Teknisesti AMD voi yhdistää erikokoisia CCX: itä saadakseen lisää vaihtoehtoja, mutta keskustelen siitä myöhemmin.

Zen 2:lla AMD kehitti siruja tehdäkseen Zenistä entistä tehokkaamman. Alkuperäinen Zen-arkkitehtuuri yksinkertaisesti ommelsi yhteen useita suorittimia korkeamman ydinmäärän saavuttamiseksi, Zen 2 sirua esitteli radikaalin konseptin laittamalla CPU-ytimet omille siruilleen ja kaiken muun päälle toinen. Sirusuunnittelu vastustaa perinteistä monoliittisuunnittelua, jossa kaikki suorittimen toiminnot ovat yhdellä sirulla. Siruja, joissa on ytimet, kutsutaan Core Complex Diesiksi (tai CCD: ksi), jotka voivat sisältää joko yhden tai kaksi CCX: tä, ja siruja, joissa on kaikki muu, ovat I/O Dies (tai IOD).

Siruilla on monia etuja, jotka ovat yhdenmukaisia ​​AMD: n tavoitteen kanssa rakentaa prosessorit säästäväisesti. Ensinnäkin on halvempaa valmistaa paljon pieniä siruja kuin suuria, joilla on samat ominaisuudet. Toiseksi sen avulla on helppo tehdä suorittimia, joissa on erittäin suuri ydinmäärä, koska sinun tarvitsee vain lisätä enemmän siruja. Ehkä suurin etu on joustavuus, sillä AMD pystyy kattamaan lähes koko työpöytä- ja palvelinmarkkinan. yhden tyyppinen CCD ja kahdenlaisia ​​IOD: itä. AMD: llä on nyt myös välimuistisirut nimeltä 3D V-Cache, mikä lisää joustavuutta ja lisää mukauttaminen.

AMD: n uusin innovaatio on Zen 4c: llä varustettujen Zen-ytimien tiheämpien muunnelmien esittely. Nämä Zen-arkkitehtuurin tiheät versiot ovat täysin identtisiä tavallisten versioiden kanssa paitsi ovat paljon pienempiä, joten AMD: n 16-ytiminen Zen 4c CCD voi olla samankokoinen kuin kahdeksanytiminen Zen 4 CCD. Tämä lisääntynyt tiheys estää kuitenkin c-tyypin ytimiä saavuttamasta kellotaajuuksia, joita tavalliset ytimet voivat saavuttaa. Tämä tekee Zen c-variantin ytimistä parempana korkean ydinmäärän prosessoreille, jotka eivät tarvitse suurta yksisäikeistä suorituskykyä.

Tämäntyyppiset ytimet ovat hyödyllisiä myös kuluttajasovelluksissa. AMD: n Phoenix 2 APU yhdistää kaksiytimisen Zen 4 CCX: n ja neliytimisen Zen 4c CCX: n, joka on ensimmäinen, joka yhdistää erikokoisia CCX: itä. Kahden eri ytimen käyttöä kutsutaan hybridiarkkitehtuuriksi, ja koko idea on, että tavallinen ytimiä käytetään yksisäikeisiin työkuormiin, kun taas c-tyypin ytimet auttavat monisäikeisissä työmäärät. Vaikka tämä siru näyttää epätavallisen erikoistuneelta AMD: lle, sitä voidaan itse asiassa käyttää myös alempien Ryzen-APU: iden kanssa, jos ei-hybridi-Phoenix-sirua ei ole saatavana.

Zen-arkkitehtuurin avulla AMD on keskittynyt yksinomaan siihen, kuinka kattaa markkinat mahdollisimman laajasti ilman tuhlaa aikaa ja resursseja prosessorien kehittämiseen, mihin AMD: llä ei ole varaa suhteellisen pienen koonsa vuoksi. Sen sijaan, että AMD kohtelisi kutakin tietotekniikan segmenttiä eri tavalla, se käyttää yleistä lähestymistapaa ja kehittää vain muutamia malleja ja yksittäisiä siruja kattamaan kaiken. Intel teki Alder Lakelle neljä mallia, jotka kattoivat vain pöytätietokoneet ja kannettavat tietokoneet, kun taas AMD: llä oli yksi Zen 3 CCX -malli, jota käytettiin pöytätietokoneiden, kannettavien ja palvelinsuorittimien kanssa.

Zenin tulevaisuus

Koska se on niin innovatiivinen ja älykäs yritys, ei ole koskaan helppoa arvata, mitä AMD tekee seuraavaksi. AMD on paljastanut suunnitelmansa tuoda markkinoille Zen 5 -suorittimet vuonna 2024, mutta sen jälkeen emme tiedä mitään varmaa. Ehkä tulemme näkemään AMD: n tarjoavan laajemman valikoiman hybridisuorittimia, ehkä jopa sellaisia, joissa yhdistyvät tavalliset ja c-variantit CCD: t tarjotakseen molempien maailmojen parhaat puolet pöytäkoneille ja palvelimille.

Emme myöskään voi sivuuttaa AMD: n kilpailijoita, pääasiassa Inteliä ja Armia, kun kyse on Zenin tulevaisuudesta. Vaikka Zen on kiistatta hyvä arkkitehtuuri, suuri osa AMD: n menestyksestä alkuperäisen Zen-arkkitehtuurin käyttöönoton jälkeen johtuu Intelin strategisista virheistä 2010-luvulla. Intel ei kuitenkaan ole vihdoin tehnyt oman paluunsa, vaan uusi haastaja lähestyy, kun Arm hiipii tietokoneisiin ja palvelimiin. Jos AMD haluaa säilyttää ja parantaa asemaansa, Zenin on parannettava joka sukupolvi.