Arsitektur Zen AMD: dasar-dasar CPU Zen 4 AMD

AMD membuat comeback besar pada tahun 2017 di belakangnya CPU Ryzen, yang masih beberapa terbaik yang bisa Anda beli hari ini, dan itu semua dimungkinkan berkat arsitektur Zen terbaru perusahaan. Keberhasilan Zen mengubah AMD dari hampir bangkrut menjadi salah satu perusahaan teknologi paling unggul di dunia, semuanya dalam rentang waktu enam tahun. Ini adalah kisah Zen, bagaimana hal itu menyelamatkan AMD, dan seperti apa masa depan Zen nantinya.

Sejarah singkat Zen

Pada akhir tahun 2000-an, AMD mengalami nasib buruk. Hanya beberapa tahun sebelumnya, desktop Athlon yang legendaris dan CPU server Opteron tampaknya siap untuk menjatuhkan Intel, tetapi akhirnya, AMD kehilangan cengkeramannya dan Intel memperbaiki tindakannya. CPU AMD Phenom tidak memotongnya melawan arsitektur Intel Core, dan sesuatu perlu diubah jika AMD ingin mengambil kesempatan untuk menjadi pemimpin lagi. Jadi, perusahaan memutuskan untuk mengembangkan arsitektur yang disebut Bulldozer ini dan bertaruh bahwa beban kerja multi-utas adalah masa depan komputasi.

Bulldozer tidak hanya buruk, itu secara objektif adalah hal terburuk yang pernah dibuat AMD. Performa single-threaded-nya adalah sampah (chip FX generasi pertama sebenarnya lebih lambat daripada CPU Phenom II mereka mengganti), itu menghabiskan banyak daya, dan pada akhirnya, kinerja multi-utasnya adalah yang terbaik biasa-biasa saja. Selama enam tahun ke depan, AMD harus bertahan dengan arsitektur yang mengerikan ini sementara Intel mencapai puncak supremasinya.

Segera setelah bencana Bulldozer, AMD menyadari pengerjaan ulang sederhana tidak akan memotongnya dan mulai mengerjakan arsitektur baru. Arsitektur ini akan dimodelkan setelah Intel: kinerja single-threaded yang tinggi, inti dan utas tipikal industri, dan jenis fleksibilitas yang membuatnya cocok untuk segala hal mulai dari CPU konsumen kelas bawah hingga server kelas atas keripik. AMD kemudian menamai arsitektur ini Zen, dan peluncuran CPU Zen pertamanya pada tahun 2017 menandai sebuah hal baru mulai untuk AMD, dan meskipun Zen tidak bisa dibandingkan dengan arsitektur Core Intel, itu tidak jauh mati.

Sementara industri komputasi, penggemar CPU, dan bahkan AMD sendiri mengharapkan jalan menuju kepemimpinan kinerja akan lama, sebenarnya cukup singkat. Zen 2, penerus Zen, diluncurkan pada 2019 dan mengejutkan hampir semua orang dengan mengeluarkan Intel dari air. AMD meraih keunggulan besar dalam kinerja multi-threaded di hampir setiap segmen, memiliki efisiensi daya yang jauh lebih baik hampir setiap beban kerja, dan bahkan mengungguli Intel dalam performa single-threaded, yang tidak mampu dilakukan AMD selama lebih dari satu dekade.

Dari sini, jalan menjadi lebih mudah bagi AMD. Pasar server adalah (dan masih) area terpenting bagi AMD untuk membuat kemajuan, dan seterusnya saat Zen 3 keluar pada tahun 2020, AMD menguasai 7% pasar, naik dari hampir 0% sebelum Zen datang keluar. Ini menjadi lebih mudah berkat bagaimana Intel benar-benar mengacaukan rencananya untuk meluncurkan CPU 10nm yang kuat, membuat AMD berhadapan dengan chip 14nm yang sudah ketinggalan zaman dan praktis usang, yang merupakan beberapa Intel terburuk yang pernah dibuat.

Namun, pada akhir tahun 2021, Intel akhirnya bertindak bersama dan meluncurkan chip Alder Lake 10nm. Menjadi sangat jelas bahwa AMD kehilangan jejak pasar dan terlalu terjebak dalam kepemimpinan kinerjanya, karena Intel tidak memilikinya kompetisi di bawah tanda $300 pada desktop karena AMD tidak pernah repot-repot meluncurkan chip Ryzen 5000 anggaran sampai Intel memaksa masalah. Bulan-bulan setelah peluncuran Alder Lake agak sulit bagi AMD, tetapi masih unggul di pasar server dan merebut kembali kepemimpinan game berkat Ryzen 7 5800X3D dan V-Cache 3D.

Hari ini, Zen sedang dalam iterasi besar keempatnya, dengan Zen 4 diluncurkan pada akhir 2022 dengan Seri Ryzen 7000 dan Epyc generasi ke-4. Versi terbaru arsitektur Zen ini berfokus pada performa tinggi, yang sangat kontras dengan arsitektur Zen asli, yang berfokus pada nilai yang lebih baik. Meskipun Zen 4 sangat berbeda dari Zen asli, ada beberapa fundamental AMD yang belum dilepaskan dan mungkin tidak akan hilang untuk beberapa waktu.

CCX, chiplet, dan core

Sementara AMD selama bertahun-tahun telah meningkatkan banyak hal dalam arsitektur Zen-nya, ada banyak hal tentang Zen yang secara fundamental benar sejak awal, dan beberapa hal baru yang akan membentuk Zen maju. Saya berbicara tentang CCX, chiplet, dan inti, aspek fundamental dari chip Zen modern.

Arsitektur Zen sangat kuat, tetapi tidak sefleksibel desain pesaing dari perusahaan seperti Intel. Sementara blok penyusun terkecil di sebagian besar CPU adalah inti, untuk Zen itu adalah Kompleks Inti, atau CCX. CCX adalah kumpulan inti dan dapat berisi (pada saat penulisan) dua, empat, atau delapan inti, memiliki cache L3 sendiri, dan bekerja dengan CCX lain dalam CPU yang sama. CCX pada dasarnya adalah CPU lengkap untuk dirinya sendiri, yang merupakan hal yang baik dan buruk. Setiap CCX sangat mumpuni dengan sendirinya, tetapi komunikasi antar CCX membutuhkan banyak waktu, yang mengurangi kinerja.

Untuk AMD, sifat umum dari CCX membuatnya menantang untuk menawarkan jumlah inti tertentu. Misalnya, jika AMD ingin membuat CPU enam inti, tidak bisa hanya mengembangkan chip dengan enam inti, karena AMD tidak memiliki CCX enam inti. Awalnya, AMD hanya memiliki CCX empat-inti, jadi perlu mengambil chip dengan dua CCX tersebut dan menonaktifkan satu inti di masing-masing untuk mendapatkan CPU enam-inti. Hari ini, AMD mengambil chip dengan CCX delapan inti dan menonaktifkan dua inti untuk turun menjadi enam. Secara teknis AMD dapat menggabungkan CCX dengan ukuran berbeda untuk mendapatkan lebih banyak opsi, tetapi saya akan membahasnya nanti.

Dengan Zen 2, AMD mengembangkan chiplet untuk membuat Zen lebih bertenaga. Sementara arsitektur Zen asli hanya menggabungkan beberapa CPU untuk mencapai jumlah inti yang lebih tinggi, Zen 2 chiplet memperkenalkan konsep radikal dengan meletakkan inti CPU pada chipnya sendiri dan yang lainnya lain. Desain chiplet bertentangan dengan desain monolitik tradisional, di mana semua fungsi CPU ada dalam satu chip. Chiplet dengan inti disebut Core Complex Dies (atau CCD), yang dapat berisi satu atau dua CCX, dan chiplet dengan yang lainnya adalah I/O Dies (atau IOD).

Ada banyak keuntungan dengan chiplet yang sejalan dengan tujuan AMD untuk membangun CPU secara hemat. Pertama, lebih murah membuat banyak keripik kecil dibandingkan dengan keripik besar dengan karakteristik yang sama. Kedua, memudahkan pembuatan CPU dengan jumlah inti super tinggi karena yang harus Anda lakukan hanyalah menambahkan lebih banyak chip. Mungkin keuntungan terbesar adalah fleksibilitas, karena AMD mampu mencakup hampir seluruh pasar desktop dan server satu jenis CCD dan dua jenis IOD. AMD juga sekarang memiliki chiplet cache yang disebut 3D V-Cache untuk lebih banyak fleksibilitas dan kustomisasi.

Inovasi terbaru AMD adalah pengenalan varian inti Zen yang lebih padat dengan Zen 4c. Versi arsitektur Zen yang padat ini benar-benar identik dengan versi biasa kecuali jauh lebih kecil, memungkinkan 16-core Zen 4c CCD AMD memiliki ukuran yang sama dengan Zen delapan-core 4 CCD. Namun, kepadatan yang meningkat itu mencegah inti tipe-c mencapai kecepatan clock yang dapat dicapai oleh inti biasa. Hal ini membuat core varian c Zen lebih disukai untuk CPU berinti tinggi yang tidak memerlukan performa single-threaded yang hebat.

Jenis inti ini juga berguna untuk aplikasi konsumen. AMD Phoenix 2 APU menggabungkan Zen 4 CCX dua inti dengan Zen 4c CCX empat inti, yang pertama menggabungkan CCX dengan ukuran berbeda. Menggunakan dua inti yang berbeda disebut arsitektur hybrid, dan keseluruhan idenya adalah reguler core digunakan untuk beban kerja single-threaded sedangkan core tipe-c membantu dalam multi-threaded beban kerja. Meskipun chip ini terlihat sangat khusus untuk AMD, chip ini sebenarnya juga dapat digunakan untuk APU Ryzen kelas bawah jika chip Phoenix non-hybrid tidak tersedia.

Dengan arsitektur Zen, AMD secara khusus berfokus pada cara menutupi pasar dengan cara seluas-luasnya membuang-buang waktu dan sumber daya untuk mengembangkan prosesor, yang tidak mampu dilakukan oleh AMD karena ukurannya yang relatif kecil. Daripada memperlakukan setiap segmen industri komputasi secara berbeda, AMD menggunakan pendekatan umum dan hanya mengembangkan beberapa desain dan chip individual untuk mencakup semuanya. Jika Intel membuat empat desain untuk Alder Lake, yang hanya mencakup desktop dan laptop, AMD memiliki satu desain Zen 3 CCX yang digunakan untuk CPU desktop, laptop, dan server.

Masa depan Zen

Menjadi perusahaan yang inovatif dan pintar, tidak pernah mudah menebak apa yang akan dilakukan AMD selanjutnya. AMD telah mengungkapkan rencananya untuk meluncurkan CPU Zen 5 pada tahun 2024, tetapi di luar itu kami tidak tahu pasti. Mungkin kita akan melihat AMD menawarkan penyebaran CPU hybrid yang lebih luas, bahkan mungkin beberapa yang menggabungkan CCD reguler dan varian-c untuk menawarkan yang terbaik dari kedua dunia untuk desktop dan server.

Kami juga tidak dapat mengabaikan pesaing AMD, terutama Intel dan Arm, dalam hal masa depan Zen. Meskipun Zen tidak dapat disangkal merupakan arsitektur yang bagus, sebagian besar kesuksesan AMD sejak diperkenalkannya arsitektur Zen asli adalah berkat kesalahan strategis Intel sepanjang tahun 2010-an. Tetapi tidak hanya Intel yang akhirnya melakukan comebacknya sendiri, penantang baru juga mendekat saat Arm merayap ke PC dan server. Jika AMD ingin mempertahankan dan meningkatkan posisinya, Zen harus terus menjadi lebih baik di setiap generasi.