AMD-ova Zen arhitektura: osnove AMD-ovih Zen 4 CPU-a

AMD je napravio svoj veliki povratak 2017. godine na poleđini svog Ryzen procesori, koji su još uvijek neki od najbolje što danas možete kupiti, a sve je to bilo moguće zahvaljujući potpuno novoj Zen arhitekturi tvrtke. Uspjeh Zena pretvorio je AMD iz gotovo bankrota u jednu od najistaknutijih tehnoloških kompanija na svijetu, a sve to u razdoblju od šest godina. Ovo je priča o Zenu, kako je spasio AMD i kako bi budućnost Zena mogla izgledati.

Kratka povijest zena

U kasnim 2000-ima, AMD-u nije pošlo za rukom. Samo nekoliko godina prije, činilo se da će njegovi legendarni Athlon stolni i Opteron poslužiteljski CPU-i srušiti Intel, ali na kraju je AMD izgubio kontrolu i Intel je popravio svoje. AMD-ovi procesori Phenom jednostavno nisu bili konkurentni Intelovoj arhitekturi Core i nešto je trebalo promijeniti ako je AMD želio ponovno imati šansu za vodstvo. Stoga je tvrtka odlučila razviti ovu arhitekturu nazvanu Bulldozer i kladiti se da su radna opterećenja s više niti budućnost računalstva.

Buldožer nije bio samo loš, to je objektivno bilo najgore što je AMD ikada smislio. Njegova jednonitna izvedba bila je loša (prva generacija FX čipova zapravo je bila sporija od procesora Phenom II zamijenili), trošio je tone energije, a na kraju dana, njegova višenitna izvedba bila je u najboljem slučaju osrednji. Sljedećih šest godina, AMD bi morao opstati na ovoj groznoj arhitekturi, dok je Intel dosegao vrhunac svoje nadmoći.

Gotovo odmah nakon debakla Bulldozera, AMD je shvatio da jednostavna prerada ne bi uspjela i počeo je raditi na potpuno novoj arhitekturi. Ova bi arhitektura bila modelirana prema Intelovoj: visoke performanse s jednom niti, jezgre i niti tipične za industriju i vrsta fleksibilnosti koja ga je učinila prikladnim za sve, od najnižih potrošačkih CPU-a do vrhunskih poslužitelja čips. AMD je kasnije ovu arhitekturu nazvao Zen, a lansiranje njegovih prvih Zen CPU-a 2017. označilo je novu početak za AMD, i iako se Zen nije mogao usporediti s Intelovom arhitekturom Core, nije bilo daleko isključeno.

Iako su računalna industrija, CPU entuzijasti, pa čak i sam AMD očekivali da će put do vodstva u pogledu performansi biti dug, on je zapravo bio prilično kratak. Zen 2, nasljednik Zena, lansiran je 2019. i šokirao je gotovo sve izbacivši Intel iz vode. AMD je stekao veliko vodstvo u višenitnim performansama u skoro svakom segmentu, imao je znatno bolju energetsku učinkovitost u gotovo svako radno opterećenje, pa čak i nadmašio Intel u performansama s jednom niti, što AMD-u nije polazilo za rukom više od desetljeća.

Odavde je AMD-u put upravo postao lakši. Tržište poslužitelja bilo je (i još uvijek jest) najvažnije područje za AMD u kojemu je trebalo napredovati u vrijeme kada je Zen 3 izašao 2020., AMD je kontrolirao 7% tržišta, u odnosu na gotovo 0% prije nego što je Zen došao van. Ovo je bilo još lakše zahvaljujući tome što je Intel potpuno zeznuo svoje planove za lansiranje snažnih 10nm CPU-a, ostavljajući AMD da se suoči sa zastarjelim i praktički zastarjelim 14nm čipovima, koji su neki od najgorih koje je Intel ikada napravio.

Ipak, do kraja 2021. Intel se konačno sabrao i lansirao svoje 10nm Alder Lake čipove. Postalo je prilično jasno da je AMD izgubio trag na tržištu i previše se zaokupio svojim vodstvom u pogledu performansi, jer Intel nije imao konkurencija ispod granice od 300 dolara na stolnim računalima jer se AMD nikada nije potrudio lansirati proračunske Ryzen 5000 čipove sve dok Intel nije prisilio problem. Mjeseci nakon lansiranja Alder Lakea bili su pomalo teški za AMD, ali je još uvijek držao prednost na tržištu poslužitelja i ponovno preuzeo vodstvo u igricama zahvaljujući Ryzen 7 5800X3D i njegovom 3D V-Cache.

Danas je Zen na svojoj četvrtoj velikoj iteraciji, a Zen 4 lansiran je krajem 2022. Serija Ryzen 7000 i Epyc 4. generacije. Ova posljednja verzija Zen arhitekture usmjerena je na visoke performanse, što je u oštroj suprotnosti s izvornom Zen arhitekturom, koja je bila usmjerena na bolju vrijednost. Iako je Zen 4 znatno drugačiji od izvornog Zena, postoje neke osnove kojih se AMD još nije odrekao i vjerojatno ih neće još neko vrijeme.

CCX-ovi, čipleti i jezgre

Iako je AMD tijekom godina poboljšao mnoge stvari u svojoj Zen arhitekturi, postoji mnogo stvari o Zen-u koje su temeljno istinite od samog početka, i nekoliko novih stvari koje će oblikovati zen naprijed. Govorim o CCX-ovima, čipletima i jezgrama, temeljnim aspektima modernih Zen čipova.

Zen arhitektura je moćna, ali nije toliko fleksibilna kao konkurentski dizajni tvrtki poput Intela. Dok je najmanji sastavni blok u većini CPU-a jezgra, za Zen je to Core Complex ili CCX. CCX je klaster jezgri i može sadržavati (u vrijeme pisanja) dvije, četiri ili osam jezgri, ima vlastitu L3 predmemoriju i radi s drugim CCX-ima u istom CPU-u. CCX je u biti potpuni CPU za sebe, što je i dobra i loša stvar. Svaki CCX je sam za sebe vrlo sposoban, ali komunikacija između CCX-a traje dosta vremena, što smanjuje performanse.

Za AMD, generalizirana priroda CCX-a čini izazovom ponuditi određeni broj jezgri. Na primjer, ako AMD želi napraviti CPU sa šest jezgri, ne može samo razviti čip sa šest jezgri, jer AMD nema CCX sa šest jezgri. U početku je AMD imao samo CCX s četiri jezgre, pa je trebao uzeti čip s dva od tih CCX-ova i onemogućiti jezgru na svakom kako bi dobio CPU sa šest jezgri. Danas, AMD uzima čip s osam jezgri CCX i onemogućuje dvije jezgre na tome kako bi se smanjio na šest. Tehnički, AMD može kombinirati CCX-ove različitih veličina kako bi dobio više opcija, ali o tome ću kasnije.

Uz Zen 2, AMD je razvio čiplete kako bi Zen učinio još moćnijim. Dok je izvorna Zen arhitektura jednostavno spajala više CPU-a kako bi se postigao veći broj jezgri, Zen 2 čipleta predstavila su radikalan koncept stavljanjem CPU jezgri na vlastite čipove i sve ostalo na još. Chiplet dizajn stoji u suprotnosti s tradicionalnim monolitnim dizajnom, u kojem sve CPU funkcije postoje na jednom čipu. Čipleti s jezgrama nazivaju se Core Complex Dies (ili CCD-ovi), koji mogu sadržavati jedan ili dva CCX-a, a čipleti sa svim ostalim su I/O Dies (ili IOD-ovi).

Postoje mnoge prednosti čipleta koje su u skladu s AMD-ovim ciljem štedljive gradnje CPU-a. Prvo, jeftinije je napraviti mnogo malih čipova za razliku od velikih čipova s ​​istim karakteristikama. Drugo, olakšava izradu CPU-a sa super velikim brojem jezgri jer sve što trebate učiniti je dodati više čipova. Možda najveća prednost je fleksibilnost, jer AMD može pokriti gotovo cijelo tržište stolnih računala i poslužitelja s jedna vrsta CCD-a i dvije vrste IOD-a. AMD također sada ima cache chiplets pod nazivom 3D V-Cache za još veću fleksibilnost i prilagođavanje.

Najnovija AMD-ova inovacija je uvođenje gušćih varijanti Zen jezgri sa Zen 4c. Ove guste verzije Zen arhitekture potpuno su identične uobičajenim verzijama osim što su puno manji, omogućujući AMD-ovom 16-jezgrenom Zen 4c CCD-u da bude iste veličine kao osmojezgreni Zen 4 CCD. Međutim, ta povećana gustoća sprječava jezgre c-tipa da dostignu brzine takta koje mogu obične jezgre. To čini Zen c-varijantne jezgre poželjnijima za CPU-ove s velikim brojem jezgri kojima nije potrebna izvrsna jednonitna izvedba.

Ove vrste jezgri korisne su i za potrošačke aplikacije. AMD-ov Phoenix 2 APU kombinira dvojezgreni Zen 4 CCX s četverojezgrenim Zen 4c CCX, prvi koji kombinira CCX-ove različitih veličina. Korištenje dviju različitih jezgri naziva se hibridna arhitektura, a cijela ideja je da je obična jezgre se koriste za radna opterećenja s jednom niti, dok jezgre tipa c pomažu u višenitnim radna opterećenja. Iako ovaj čip izgleda neuobičajeno specijaliziran za AMD, zapravo se može koristiti i za jeftinije Ryzen APU-ove u slučaju da nehibridni Phoenix čip nije dostupan.

Sa Zen arhitekturom, AMD je bio isključivo usredotočen na to kako pokriti tržište na najširi način bez gubljenje vremena i resursa na razvoj procesora, što si AMD ne može priuštiti zbog svoje relativno male veličine. Umjesto da svaki segment računalne industrije tretira drugačije, AMD koristi generalizirani pristup i razvija samo nekoliko dizajna i pojedinačnih čipova koji pokrivaju sve. Dok je Intel napravio četiri dizajna za Alder Lake, koji su pokrivali samo stolna i prijenosna računala, AMD je imao jedan Zen 3 CCX dizajn koji se koristio za stolna, prijenosna i poslužiteljska CPU-a.

Budućnost zena

Budući da je tako inovativna i pametna tvrtka, nikad nije lako pogoditi što će AMD učiniti sljedeće. AMD je otkrio svoje planove za lansiranje Zen 5 CPU-a 2024., ali dalje od toga ne znamo ništa sigurno. Možda ćemo vidjeti da AMD nudi širu ponudu hibridnih CPU-a, možda čak i neke koji kombiniraju regularne i c-varijante CCD-a kako bi ponudili najbolje od oba svijeta za stolna računala i poslužitelje.

Također ne možemo zanemariti AMD-ove konkurente, prvenstveno Intel i Arm, kada je u pitanju budućnost Zen-a. Iako je Zen nedvojbeno dobra arhitektura, velik dio AMD-ovog uspjeha od uvođenja originalne Zen arhitekture zahvaljuje se Intelovim strateškim pogreškama tijekom 2010-ih. Ali ne samo da se Intel konačno vratio, novi izazivač se približava jer se Arm uvlači u računala i poslužitelje. Ako AMD želi zadržati i poboljšati svoju poziciju, Zen će morati biti sve bolji svake generacije.