L'architettura Zen di AMD: i fondamenti delle CPU Zen 4 di AMD

AMD ha fatto il suo grande ritorno nel 2017 sulla scia del suo CPU Ryzen, che sono ancora alcuni dei il meglio che puoi comprare oggi, ed è stato tutto possibile grazie alla nuovissima architettura Zen dell'azienda. Il successo di Zen ha trasformato AMD da quasi fallita a una delle aziende tecnologiche più importanti al mondo, il tutto nell'arco di sei anni. Questa è la storia di Zen, come ha salvato AMD e come potrebbe essere il futuro di Zen.

Breve storia dello Zen

Alla fine degli anni 2000, AMD era sfortunata. Solo pochi anni prima, le sue leggendarie CPU per desktop Athlon e server Opteron sembravano pronte a rovesciare Intel, ma alla fine AMD ha perso la presa e Intel ha ripulito il suo atto. Le CPU Phenom di AMD non erano all'altezza dell'architettura Core di Intel e qualcosa doveva cambiare se AMD voleva avere di nuovo una possibilità di leadership. Quindi, l'azienda ha deciso di sviluppare questa architettura chiamata Bulldozer e scommettere che i carichi di lavoro multi-thread fossero il futuro dell'informatica.

Il bulldozer non era solo cattivo, è stata oggettivamente la cosa peggiore che AMD abbia mai inventato. Le sue prestazioni a thread singolo erano spazzatura (i chip FX di prima generazione erano in realtà più lenti delle CPU Phenom II hanno sostituito), ha consumato tonnellate di energia e, alla fine, le sue prestazioni multi-thread erano al massimo mediocre. Per i successivi sei anni, AMD avrebbe dovuto sopravvivere con questa terribile architettura mentre Intel raggiungeva l'apice della sua supremazia.

Quasi immediatamente dopo la debacle di Bulldozer, AMD si è resa conto che una semplice rielaborazione non avrebbe funzionato e ha iniziato a lavorare su un'architettura nuova di zecca. Questa architettura sarebbe modellata su quella di Intel: elevate prestazioni a thread singolo, core e thread tipici del settore e il tipo di flessibilità che lo rendeva adatto a tutto, dalle CPU consumer di fascia più bassa al server di fascia più alta patatine fritte. AMD ha successivamente chiamato questa architettura Zen e il lancio delle sue prime CPU Zen nel 2017 ha segnato una novità all'inizio per AMD, e sebbene Zen non potesse essere paragonato all'architettura Core di Intel, non era lontano spento.

Mentre l'industria informatica, gli appassionati di CPU e persino la stessa AMD si aspettavano che la strada per la leadership delle prestazioni fosse lunga, in realtà è stata piuttosto breve. Zen 2, il successore di Zen, è stato lanciato nel 2019 e ha scioccato praticamente tutti facendo saltare Intel fuori dall'acqua. AMD ha ottenuto un enorme vantaggio nelle prestazioni multi-thread praticamente in ogni segmento, con un'efficienza energetica significativamente migliore praticamente ogni carico di lavoro e ha persino superato Intel nelle prestazioni a thread singolo, cosa che AMD non era stata in grado di fare per oltre un decennio.

Da qui, la strada è diventata più facile per AMD. Il mercato dei server era (ed è tuttora) l'area più importante per AMD in cui fare progressi e da quando Zen 3 è uscito nel 2020, AMD controllava il 7% del mercato, rispetto a quasi lo 0% prima dell'arrivo di Zen fuori. Ciò è stato reso ancora più semplice grazie al modo in cui Intel ha assolutamente rovinato i suoi piani per lanciare potenti CPU a 10 nm, lasciando AMD a confrontarsi con chip a 14 nm obsoleti e praticamente obsoleti, che sono tra i peggiori che Intel abbia mai realizzato.

Entro la fine del 2021, tuttavia, Intel si è finalmente messa d'accordo e ha lanciato i suoi chip Alder Lake da 10 nm. È diventato abbastanza chiaro che AMD ha perso le tracce del mercato ed è rimasta troppo coinvolta nella sua leadership nelle prestazioni, poiché Intel non ne aveva concorrenza al di sotto dei $ 300 sul desktop poiché AMD non si è mai preoccupata di lanciare chip Ryzen 5000 economici fino a quando Intel non ha forzato il problema. I mesi successivi al lancio di Alder Lake sono stati un po' duri per AMD, ma ha comunque tenuto il sopravvento nel mercato dei server e ha riconquistato la leadership nei giochi grazie al Ryzen 7 5800X3D e al suo 3D V-Cache.

Oggi, Zen è alla sua quarta grande iterazione, con Zen 4 lanciato alla fine del 2022 con il Ryzen serie 7000 ed Epyc di quarta generazione. Quest'ultima versione dell'architettura Zen è incentrata su prestazioni elevate, il che è in netto contrasto con l'architettura Zen originale, che si concentrava su un valore migliore. Sebbene lo Zen 4 sia significativamente diverso dall'originale Zen, ci sono alcuni fondamentali che AMD non ha ancora lasciato andare e probabilmente non lo sarà per un po' di tempo.

CCX, chiplet e core

Mentre AMD nel corso degli anni ha migliorato molte cose nella sua architettura Zen, ci sono molte cose su Zen che sono stati fondamentalmente veri fin dall'inizio, e alcune cose nuove che daranno forma allo Zen inoltrare. Sto parlando di CCX, chiplet e core, gli aspetti fondamentali dei moderni chip Zen.

L'architettura Zen è potente, ma non è così flessibile come i progetti concorrenti di aziende come Intel. Mentre il più piccolo elemento costitutivo nella maggior parte delle CPU è il core, per lo Zen è il Core Complex, o CCX. Un CCX è un cluster di core e può contenere (al momento della scrittura) due, quattro o otto core, ha la propria cache L3 e funziona con altri CCX nella stessa CPU. Un CCX è essenzialmente una CPU completa a sé stante, il che è sia un bene che un male. Ogni CCX è molto capace da solo, ma la comunicazione tra i CCX richiede molto tempo, il che riduce le prestazioni.

Per AMD, la natura generalizzata del CCX rende difficile offrire determinati conteggi di core. Ad esempio, se AMD vuole realizzare una CPU a sei core, non può semplicemente sviluppare un chip con sei core, perché AMD non ha un CCX a sei core. Inizialmente, AMD aveva solo il CCX a quattro core, quindi era necessario prendere un chip con due di quei CCX e disabilitare un core su ciascuno per ottenere una CPU a sei core. Oggi, AMD prende un chip con un CCX a otto core e ne disabilita due per scendere a sei. Tecnicamente AMD può combinare CCX di dimensioni diverse per ottenere più opzioni, ma ne parlerò più avanti.

Con Zen 2, AMD ha sviluppato chiplet per rendere Zen ancora più potente. Mentre l'architettura Zen originale ha semplicemente unito più CPU per ottenere un numero di core più elevato, Zen 2 ha introdotto un concetto radicale mettendo i core della CPU sui propri chip e tutto il resto un altro. Il design del chiplet si oppone al tradizionale design monolitico, in cui tutte le funzioni della CPU esistono su un singolo chip. I chiplet con i core sono chiamati Core Complex Dies (o CCD), che possono contenere uno o due CCX, mentre i chiplet con tutto il resto sono gli I/O Dies (o IOD).

Ci sono molti vantaggi con i chiplet che si allineano con l'obiettivo di AMD di costruire CPU con parsimonia. In primo luogo, è più economico produrre tanti chip piccoli piuttosto che uno grande con le stesse caratteristiche. In secondo luogo, semplifica la realizzazione di CPU con un numero di core estremamente elevato poiché tutto ciò che devi fare è aggiungere più chip. Forse il più grande vantaggio è la flessibilità, dal momento che AMD è in grado di coprire praticamente l'intero mercato desktop e server un tipo di CCD e due tipi di IOD. AMD ora ha anche chiplet cache chiamati 3D V-Cache per una flessibilità ancora maggiore e personalizzazione.

L'ultima innovazione di AMD è l'introduzione di varianti più dense di core Zen con Zen 4c. Queste versioni dense dell'architettura Zen sono completamente identiche alle versioni normali tranne che sono molto più piccoli, consentendo al CCD Zen 4c a 16 core di AMD di avere le stesse dimensioni dello Zen a otto core 4 CCD. Tuttavia, questa maggiore densità impedisce ai core di tipo c di raggiungere le velocità di clock che possono raggiungere i core normali. Ciò rende i core Zen c-variant più preferiti per le CPU ad alto numero di core che non necessitano di grandi prestazioni a thread singolo.

Questi tipi di core sono utili anche per le applicazioni consumer. APU Phoenix 2 di AMD combina un CCX Zen 4 a due core con un CCX Zen 4c a quattro core, il primo a combinare CCX di dimensioni diverse. L'utilizzo di due core diversi si chiama architettura ibrida e l'idea generale è quella normale i core vengono utilizzati per carichi di lavoro a thread singolo mentre i core di tipo c aiutano in multi-thread carichi di lavoro. Sebbene questo chip sembri insolitamente specializzato per AMD, in realtà può essere utilizzato anche per APU Ryzen di fascia bassa nel caso in cui il chip Phoenix non ibrido non sia disponibile.

Con l'architettura Zen, AMD si è concentrata singolarmente su come coprire il mercato nel modo più ampio senza sprecare tempo e risorse nello sviluppo di processori, cosa che AMD non può permettersi di fare a causa delle sue dimensioni relativamente ridotte. Piuttosto che trattare ogni segmento dell'industria informatica in modo diverso, AMD utilizza un approccio generalizzato e sviluppa solo pochi progetti e singoli chip per coprire tutto. Mentre Intel ha realizzato quattro design per Alder Lake, che coprivano solo desktop e laptop, AMD aveva un unico design Zen 3 CCX utilizzato per CPU desktop, laptop e server.

Il futuro dello Zen

Essendo un'azienda così innovativa e intelligente, non è mai facile indovinare cosa farà AMD dopo. AMD ha rivelato i suoi piani per lanciare le CPU Zen 5 nel 2024, ma oltre a ciò non sappiamo nulla per certo. Forse vedremo AMD offrire una più ampia gamma di CPU ibride, forse anche alcune che combinano CCD normali e c-variant per offrire il meglio di entrambi i mondi per desktop e server.

Inoltre, non possiamo ignorare i concorrenti di AMD, principalmente Intel e Arm, quando si tratta del futuro di Zen. Sebbene Zen sia innegabilmente una buona architettura, gran parte del successo di AMD dall'introduzione dell'architettura Zen originale è dovuto agli errori strategici di Intel nel corso degli anni 2010. Ma non solo Intel ha finalmente organizzato il proprio ritorno, ma si sta avvicinando un nuovo sfidante mentre Arm si sta insinuando nei PC e nei server. Se AMD vuole mantenere e migliorare la sua posizione, Zen dovrà continuare a migliorare ogni generazione.