Architecture Zen d'AMD: les fondamentaux des CPU Zen 4 d'AMD

AMD a fait son grand retour en 2017 grâce à son Processeurs Ryzen, qui font encore partie des le mieux que vous puissiez acheter aujourd'hui, et tout cela a été possible grâce à la toute nouvelle architecture Zen de l'entreprise. Le succès de Zen a fait passer AMD de la quasi-faillite à l'une des entreprises technologiques les plus prééminentes au monde, le tout en l'espace de six ans. Voici l'histoire de Zen, comment il a sauvé AMD et à quoi pourrait ressembler l'avenir de Zen.

Une brève histoire du zen

À la fin des années 2000, AMD n'avait pas de chance. Quelques années auparavant seulement, ses légendaires processeurs de bureau Athlon et de serveur Opteron semblaient sur le point de renverser Intel, mais finalement, AMD a perdu son emprise et Intel a nettoyé son acte. Les processeurs Phenom d'AMD n'étaient tout simplement pas à la hauteur de l'architecture Core d'Intel, et quelque chose devait changer si AMD voulait à nouveau tenter sa chance en tant que leader. Ainsi, la société a décidé de développer cette architecture appelée Bulldozer et a parié que les charges de travail multithreads étaient l'avenir de l'informatique.

Bulldozer n'était pas seulement mauvais, c'était objectivement la pire chose qu'AMD ait jamais inventée. Ses performances monothread étaient nulles (les puces FX de première génération étaient en fait plus lentes que les processeurs Phenom II ils ont remplacé), il consommait des tonnes d'énergie et, en fin de compte, ses performances multithread étaient au mieux médiocre. Pendant les six années suivantes, AMD devra subsister sur cette architecture épouvantable tandis qu'Intel atteint le sommet de sa suprématie.

Presque immédiatement après la débâcle du Bulldozer, AMD s'est rendu compte qu'une simple refonte ne suffirait pas et a commencé à travailler sur une toute nouvelle architecture. Cette architecture serait calquée sur celle d'Intel: performances monothread élevées, cœurs et threads typiques de l'industrie, et le type de flexibilité qui le rendait adapté à tout, des processeurs grand public les plus bas de gamme au serveur le plus haut de gamme puces. AMD a nommé plus tard cette architecture Zen, et le lancement de ses premiers processeurs Zen en 2017 a marqué une nouvelle début pour AMD, et bien que Zen ne puisse pas tout à fait se comparer à l'architecture Core d'Intel, ce n'était pas loin désactivé.

Alors que l'industrie informatique, les passionnés de CPU et même AMD s'attendaient à ce que le chemin vers le leadership en matière de performances soit long, il était en fait assez court. Zen 2, le successeur de Zen, a été lancé en 2019 et a choqué à peu près tout le monde en faisant sauter Intel hors de l'eau. AMD a accumulé une avance massive dans les performances multithreads dans à peu près tous les segments, a eu une efficacité énergétique nettement meilleure dans pratiquement toutes les charges de travail, et a même dépassé Intel en termes de performances monothread, ce qu'AMD n'avait pas été en mesure de faire depuis plus d'une décennie.

À partir de là, la route est devenue plus facile pour AMD. Le marché des serveurs était (et est toujours) le domaine le plus important pour qu'AMD progresse dans et par au moment de la sortie de Zen 3 en 2020, AMD contrôlait 7 % du marché, contre près de 0 % avant l'arrivée de Zen dehors. Cela a été rendu d'autant plus facile grâce à la façon dont Intel a complètement foiré ses plans de lancement de puissants processeurs 10 nm, laissant AMD affronter des puces 14 nm obsolètes et pratiquement obsolètes, qui sont parmi les pires qu'Intel ait jamais créés.

À la fin de 2021, Intel s'est finalement ressaisi et a lancé ses puces Alder Lake 10 nm. Il est devenu assez clair qu'AMD a perdu la trace du marché et s'est trop rattrapé par son leadership en matière de performances, car Intel n'avait pas concurrence en dessous de la barre des 300 $ sur le bureau depuis qu'AMD n'a jamais pris la peine de lancer des puces Ryzen 5000 à petit budget jusqu'à ce qu'Intel force le problème. Les mois qui ont suivi le lancement d'Alder Lake ont été un peu difficiles pour AMD, mais il a tout de même tenu le dessus sur le marché des serveurs et a repris la tête du jeu grâce au Ryzen 7 5800X3D et à son Cache virtuel 3D.

Aujourd'hui, Zen en est à sa quatrième itération majeure, Zen 4 ayant été lancé fin 2022 avec le Série Ryzen 7000 et Epyc 4e génération. Cette dernière version de l'architecture Zen est axée sur les hautes performances, ce qui contraste fortement avec l'architecture Zen d'origine, qui se concentrait sur une meilleure valeur. Bien que le Zen 4 soit très différent du Zen d'origine, il existe certains principes fondamentaux qu'AMD n'a pas encore abandonnés et ne le seront probablement pas avant un certain temps.

CCX, chiplets et cœurs

Alors qu'AMD a au fil des ans amélioré de nombreuses choses dans son architecture Zen, il y a beaucoup de choses à propos de Zen qui sont fondamentalement vrais depuis le tout début, et quelques nouveautés qui façonneront le Zen avant. Je parle des CCX, des chiplets et des cœurs, les aspects fondamentaux des puces Zen modernes.

L'architecture Zen est puissante, mais elle n'est pas aussi flexible que les conceptions concurrentes d'entreprises comme Intel. Alors que le plus petit bloc de construction de la plupart des processeurs est le cœur, pour Zen, c'est le Core Complex, ou CCX. Un CCX est un cluster de cœurs et peut contenir (au moment de la rédaction) deux, quatre ou huit cœurs, possède son propre cache L3 et fonctionne avec d'autres CCX dans le même processeur. Un CCX est essentiellement un processeur complet en soi, ce qui est à la fois une bonne et une mauvaise chose. Chaque CCX est très performant en soi, mais la communication entre les CCX prend beaucoup de temps, ce qui réduit les performances.

Pour AMD, la nature généralisée du CCX rend difficile l'offre de certains nombres de cœurs. Par exemple, si AMD veut créer un processeur à six cœurs, il ne peut pas simplement développer une puce à six cœurs, car AMD n'a pas de CCX à six cœurs. Initialement, AMD n'avait que le CCX à quatre cœurs, il fallait donc prendre une puce avec deux de ces CCX et désactiver un cœur sur chacun pour obtenir un processeur à six cœurs. Aujourd'hui, AMD prend une puce avec un CCX à huit cœurs et désactive deux cœurs dessus pour descendre à six. Techniquement, AMD peut combiner des CCX de différentes tailles pour obtenir plus d'options, mais j'en reparlerai plus tard.

Avec Zen 2, AMD a développé des chiplets pour rendre Zen encore plus puissant. Alors que l'architecture Zen d'origine assemblait simplement plusieurs processeurs pour obtenir un nombre de cœurs plus élevé, Zen 2 chiplets ont introduit un concept radical en plaçant les cœurs du processeur sur ses propres puces et tout le reste sur un autre. La conception des puces s'oppose à la conception monolithique traditionnelle, dans laquelle toutes les fonctions du processeur existent sur une seule puce. Les chiplets avec les cœurs sont appelés Core Complex Dies (ou CCD), qui peuvent contenir un ou deux CCX, et les chiplets avec tout le reste sont les I/O Dies (ou IOD).

Les chiplets présentent de nombreux avantages qui correspondent à l'objectif d'AMD de créer des processeurs de manière économe. Tout d'abord, il est moins cher de fabriquer beaucoup de petites puces plutôt qu'une grosse avec les mêmes caractéristiques. Deuxièmement, cela facilite la création de processeurs avec un nombre de cœurs très élevé, car tout ce que vous avez à faire est d'ajouter plus de puces. Le plus grand avantage est peut-être la flexibilité, car AMD est capable de couvrir à peu près tout le marché des ordinateurs de bureau et des serveurs avec un type de CCD et deux types d'IOD. AMD dispose également désormais de puces de cache appelées 3D V-Cache pour encore plus de flexibilité et personnalisation.

La dernière innovation d'AMD est l'introduction de variantes plus denses de cœurs Zen avec Zen 4c. Ces versions denses de l'architecture Zen sont complètement identiques aux versions régulières sauf qu'ils sont beaucoup plus petits, ce qui permet au CCD Zen 4c à 16 cœurs d'AMD d'avoir la même taille que le Zen à huit cœurs 4 CCD. Cependant, cette densité accrue empêche les cœurs de type C d'atteindre les vitesses d'horloge que peuvent atteindre les cœurs ordinaires. Cela rend les cœurs Zen c-variant plus préférés pour les processeurs à nombre élevé de cœurs qui n'ont pas besoin d'excellentes performances à un seul thread.

Ces types de cœurs sont également utiles pour les applications grand public. APU Phoenix 2 d'AMD combine un Zen 4 CCX à deux cœurs avec un Zen 4c CCX à quatre cœurs, le premier à combiner des CCX de différentes tailles. L'utilisation de deux cœurs différents s'appelle une architecture hybride, et l'idée générale est que le les cœurs sont utilisés pour les charges de travail à un seul thread tandis que les cœurs de type c aident dans le multithread charges de travail. Bien que cette puce semble inhabituellement spécialisée pour AMD, elle peut également être utilisée pour les APU Ryzen bas de gamme au cas où la puce Phoenix non hybride ne serait pas disponible.

Avec l'architecture Zen, AMD s'est particulièrement concentré sur la façon de couvrir le marché de la manière la plus large sans perdre du temps et des ressources à développer des processeurs, ce qu'AMD ne peut pas se permettre en raison de sa taille relativement petite. Plutôt que de traiter chaque segment de l'industrie informatique différemment, AMD utilise une approche généralisée et ne développe que quelques conceptions et puces individuelles pour tout couvrir. Alors qu'Intel a créé quatre conceptions pour Alder Lake, qui ne couvraient que les ordinateurs de bureau et les ordinateurs portables, AMD avait une seule conception Zen 3 CCX utilisée pour les processeurs de bureau, d'ordinateur portable et de serveur.

L'avenir du zen

Étant une entreprise aussi innovante et intelligente, il n'est jamais facile de deviner ce qu'AMD fera ensuite. AMD a dévoilé son intention de lancer des processeurs Zen 5 en 2024, mais au-delà de cela, nous ne savons rien de certain. Peut-être verrons-nous AMD proposer une plus large gamme de processeurs hybrides, peut-être même certains qui combinent des CCD réguliers et des variantes C pour offrir le meilleur des deux mondes pour les ordinateurs de bureau et les serveurs.

Nous ne pouvons pas non plus ignorer les concurrents d'AMD, principalement Intel et Arm, en ce qui concerne l'avenir de Zen. Bien que Zen soit indéniablement une bonne architecture, une grande partie du succès d'AMD depuis l'introduction de l'architecture Zen d'origine est due aux erreurs stratégiques d'Intel tout au long des années 2010. Mais non seulement Intel a enfin monté son propre retour, mais un nouveau challenger approche alors qu'Arm se glisse dans les PC et les serveurs. Si AMD veut conserver et améliorer sa position, Zen devra continuer à s'améliorer à chaque génération.