ארכיטקטורת ה-Zen של AMD: היסודות של מעבדי ה-Zen 4 של AMD

AMD עשתה את הקאמבק הגדול שלה ב-2017 על גב שלה מעבדי Ryzen, שהם עדיין חלק מה הכי טוב שאתה יכול לקנות היום, והכל היה אפשרי הודות לארכיטקטורת הזן החדשה של החברה. ההצלחה של Zen הפכה את AMD מכמעט שבירה לאחת מחברות הטכנולוגיה הבולטות בעולם, והכל בתוך שש שנים. זה הסיפור של Zen, איך הוא הציל את AMD ואיך העתיד של Zen עשוי להיראות.

היסטוריה קצרה של זן

בסוף שנות ה-2000, AMD ירדה על מזלה. רק כמה שנים קודם לכן, מעבדי ה-Athlon האגדי של שולחן העבודה ושרת Opteron נראו מוכנים להפיל את אינטל, אבל בסופו של דבר, AMD איבדה את אחיזתה ואינטל ניקתה את המעשה. מעבדי Phenom של AMD פשוט לא חתכו את זה מול ארכיטקטורת הליבה של אינטל, ומשהו היה צריך להשתנות אם AMD רוצה לנסות שוב את המנהיגות. לכן, החברה החליטה לפתח את הארכיטקטורה הזו שנקראת בולדוזר והימרה שעומסי עבודה מרובי חוטים הם העתיד של המחשוב.

בולדוזר לא היה רק ​​רע, אובייקטיבית זה היה הדבר הגרוע ביותר ש-AMD מצאה אי פעם. הביצועים עם חוט יחיד היו זבל (שבבי FX מהדור הראשון היו למעשה איטיים יותר ממעבדי Phenom II הם החליפו), הוא צרך טונות של חשמל, ובסופו של יום, הביצועים מרובי ההליכים שלו היו במקרה הטוב בֵּינוֹנִי. במשך שש השנים הבאות, AMD תצטרך להתקיים על הארכיטקטורה הנוראה הזו בזמן שאינטל הגיעה לשיא עליונותה.

כמעט מיד לאחר תקלת הבולדוזר, AMD הבינה שעבודה מחודשת פשוטה לא תגרום לכך והחלה לעבוד על ארכיטקטורה חדשה לגמרי. ארכיטקטורה זו תהיה בדגם של אינטל: ביצועים גבוהים עם חוט יחיד, ליבות וחוטים אופייניים לתעשייה, ו סוג הגמישות שהפך אותו למתאים לכל דבר, החל ממעבדי הצרכנים הנמוכים ביותר ועד לשרתים הגבוהים ביותר צ'יפס. AMD קראה מאוחר יותר לארכיטקטורה זו Zen, והשקת מעבדי ה-Zen הראשונים שלה בשנת 2017 סימנה חדש החל ל-AMD, ולמרות שזן לא ממש הצליח להשוות לארכיטקטורת Core של אינטל, זה לא היה רחוק כבוי.

בעוד שתעשיית המחשוב, חובבי המעבדים ואפילו AMD עצמה ציפו שהדרך להובלת ביצועים תהיה ארוכה, היא למעשה הייתה קצרה למדי. Zen 2, היורש של Zen, הושק ב-2019 וזיעזע כמעט את כולם בכך שהעיפה את אינטל מהמים. AMD צברה הובלה עצומה בביצועי ריבוי הליכי הליכי כמעט בכל קטע, הייתה בעלת יעילות כוח טובה יותר באופן משמעותי ב כמעט כל עומס עבודה, ואפילו עלה על אינטל בביצועים עם חוטים בודדים, מה ש-AMD לא הצליחה לעשות במשך יותר מעשור.

מכאן, הדרך פשוט הפכה קלה יותר עבור AMD. שוק השרתים היה (ועדיין) התחום החשוב ביותר עבור AMD להתקדם בו בזמן ש-Zen 3 יצא בשנת 2020, AMD שלטה ב-7% מהשוק, עלייה מכמעט 0% לפני שהזן הגיע הַחוּצָה. זה נעשה קל יותר הודות לאופן שבו אינטל פישלה לחלוטין את התוכניות שלה להשיק מעבדי 10nm חזקים, והותירה את AMD להתמודד מול שבבי 14nm מיושנים וכמעט מיושנים, שהם מהגרועות ביותר של אינטל אי פעם.

עם זאת, עד סוף 2021, אינטל סוף סוף הצליחה לפעול והשיקה את שבבי ה-10nm Alder Lake שלה. התברר למדי ש-AMD איבדה את עקבות השוק ונתפסה יותר מדי בהובלת הביצועים שלה, שכן לאינטל לא הייתה תחרות מתחת לרף 300 $ על שולחן העבודה מאז ש-AMD מעולם לא טרחה להשיק שבבי Ryzen 5000 תקציביים עד שאינטל אילצה את נושא. החודשים שלאחר ההשקה של Alder Lake היו קצת קשים עבור AMD, אבל היא עדיין החזיקה את ידה העליונה בשוק השרתים ולקחה מחדש את ההובלה במשחקים הודות ל-Ryzen 7 5800X3D והן שלו. 3D V-Cache.

כיום, Zen נמצא באיטרציה העיקרית הרביעית שלו, כאשר Zen 4 הושק בסוף 2022 עם סדרת Ryzen 7000 ו-Epyc דור 4. הגרסה האחרונה של ארכיטקטורת הזן מתמקדת בביצועים גבוהים, מה שעומד בניגוד מוחלט לארכיטקטורת הזן המקורית, שהתמקדה בתמורה טובה יותר. למרות שה-Zen 4 שונה באופן משמעותי מהזן המקורי, יש כמה יסודות ש-AMD עדיין לא הרפתה מהם וכנראה שלא יהיו עוד זמן מה.

CCXs, chiplets וליבות

בעוד ש-AMD שיפרה במהלך השנים דברים רבים בארכיטקטורת הזן שלה, יש הרבה דברים על Zen שהיו נכונים ביסודם עוד מההתחלה, וכמה דברים חדשים שיעצבו את הזן קָדִימָה. אני מדבר על CCXs, chiplets וליבות, ההיבטים הבסיסיים של שבבי זן מודרניים.

ארכיטקטורת הזן היא חזקה, אבל היא לא ממש גמישה כמו עיצובים מתחרים של חברות כמו אינטל. בעוד שאבן הבניין הקטנה ביותר ברוב המעבדים היא הליבה, עבור Zen זה ה-Core Complex, או CCX. CCX הוא מקבץ של ליבות ויכול להכיל (בזמן כתיבת שורות אלו) שתיים, ארבע או שמונה ליבות, יש לו מטמון L3 משלו ועובד עם CCXs אחרים באותו מעבד. CCX הוא בעצם מעבד מלא בפני עצמו, וזה גם דבר טוב וגם רע. כל CCX מסוגל מאוד בפני עצמו, אבל התקשורת בין CCXs לוקחת פרק זמן משמעותי, מה שמפחית את הביצועים.

עבור AMD, האופי הכללי של ה-CCX מאתגר להציע ספירות ליבה מסוימות. לדוגמה, אם AMD רוצה לייצר מעבד שש ליבות, היא לא יכולה רק לפתח שבב עם שש ליבות, כי ל-AMD אין CCX שש ליבות. בתחילה, ל-AMD היה רק ​​CCX עם ארבע ליבות, אז היא הייתה צריכה לקחת שבב עם שניים מה-CCX האלה ולהשבית ליבה בכל אחד מהם כדי לקבל מעבד שש ליבות. כיום, AMD לוקחת שבב עם CCX שמונה ליבות ומשביתה שתי ליבות על זה כדי לרדת לשש. מבחינה טכנית AMD יכולה לשלב CCX בגדלים שונים כדי לקבל אפשרויות נוספות, אבל אדון בזה מאוחר יותר.

עם Zen 2, AMD פיתחה שבבים כדי להפוך את הזן לחזק עוד יותר. בעוד שארכיטקטורת הזן המקורית פשוט תפרה מספר מעבדים כדי להשיג ספירת ליבות גבוהה יותר, Zen 2 שבבים הציגו רעיון קיצוני על ידי הצבת ליבות המעבד על השבבים שלו וכל השאר אַחֵר. עיצוב שבבים עומד בניגוד לעיצוב המונוליטי המסורתי, שבו כל פונקציות ה-CPU קיימות על שבב בודד. ה-chiplets עם הליבות נקראים Core Complex Dies (או CCDs), שיכולים להכיל CCX אחד או שניים, וה-chiplets עם כל השאר הם ה-I/O Dies (או IODs).

ישנם יתרונות רבים עם שבבים שמתיישרים עם המטרה של AMD לבנות מעבדים בצורה חסכנית. ראשית, זול יותר להכין הרבה צ'יפס קטנים לעומת צ'יפס גדול עם אותם מאפיינים. שנית, זה מקל על יצירת מעבדים עם ספירת ליבות גבוהה במיוחד מכיוון שכל מה שאתה צריך לעשות הוא להוסיף עוד שבבים. אולי היתרון הגדול ביותר הוא הגמישות, מכיוון ש-AMD מסוגלת לכסות כמעט את כל שוק שולחן העבודה והשרתים סוג אחד של CCD ושני סוגים של IODs. ל-AMD יש כעת גם שבבי מטמון הנקראים 3D V-Cache עבור גמישות רבה עוד יותר התאמה אישית.

החידוש האחרון של AMD הוא הצגת גרסאות צפופות יותר של ליבות זן עם Zen 4c. הגרסאות הצפופות הללו של ארכיטקטורת הזן זהות לחלוטין לגרסאות הרגילות אלא שהם הרבה יותר קטנים, מה שמאפשר ל-Zen 4c CCD בעל 16 ליבות של AMD להיות בגודל זהה ל-Zen שמונה ליבות 4 CCD. עם זאת, אותה צפיפות מוגברת מונעת מליבות מסוג c להכות במהירויות השעון שיכולות לליבות רגילות. זה הופך את ליבות Zen c למועדפות יותר עבור מעבדים בעלי ספירת ליבות גבוהה שאינם זקוקים לביצועים מצוינים עם חוט יחיד.

סוגים אלה של ליבות שימושיים גם ליישומי צרכנים. APU של Phoenix 2 של AMD משלב Zen 4 CCX שתי ליבות עם Zen 4c CCX ארבע ליבות, הראשון ששילב CCX בגדלים שונים. שימוש בשתי ליבות שונות נקרא ארכיטקטורה היברידית, וכל הרעיון הוא שהרגיל הליבות משמשות לעומסי עבודה עם חוטים בודדים ואילו הליבות מסוג c עוזרות בריבוי חוטים עומסי עבודה. אמנם השבב הזה נראה מיוחד בצורה יוצאת דופן עבור AMD, אך למעשה ניתן להשתמש בו גם עבור APUs של Ryzen בקצה נמוך יותר למקרה שהשבב הלא-היברידי של Phoenix אינו זמין.

עם ארכיטקטורת הזן, AMD התמקדה באופן ייחודי כיצד לכסות את השוק בצורה הרחבה ביותר ללא בזבוז זמן ומשאבים בפיתוח מעבדים, מה ש-AMD לא יכולה להרשות לעצמה לעשות בגלל גודלו הקטן יחסית. במקום להתייחס אחרת לכל קטע בתעשיית המחשוב, AMD משתמשת בגישה כללית ומפתחת רק כמה עיצובים ושבבים בודדים כדי לכסות הכל. בעוד אינטל יצרה ארבעה עיצובים עבור Alder Lake, שכיסו רק מחשבים נייחים ומחשבים ניידים, ל-AMD היה עיצוב Zen 3 CCX יחיד המשמש למעבדים שולחניים, מחשבים ניידים ושרתים.

העתיד של זן

בהיותה חברה כל כך חדשנית וחכמה, אף פעם לא קל לנחש מה AMD תעשה הלאה. AMD חשפה את תוכניותיה להשיק מעבדי Zen 5 בשנת 2024, אך מעבר לכך איננו יודעים דבר בוודאות. אולי נראה את AMD מציעה פריסה רחבה יותר של מעבדים היברידיים, אולי אפילו כאלה המשלבים CCD רגילים ו-C-Cd כדי להציע את הטוב משני העולמות עבור מחשבים שולחניים ושרתים.

אנחנו גם לא יכולים להתעלם מהמתחרים של AMD, בעיקר אינטל ו-Arm, בכל הנוגע לעתיד הזן. בעוד שזן הוא ללא ספק ארכיטקטורה טובה, חלק ניכר מההצלחה של AMD מאז הצגת ארכיטקטורת הזן המקורית הוא הודות לטעויות האסטרטגיות של אינטל לאורך שנות ה-2010. אבל לא רק שסוף סוף אינטל עלתה לקאמבק משלה, מתמודד חדש מתקרב כאשר Arm זוחל למחשבים ולשרתים. אם AMD רוצה לשמור ולשפר את מיקומה, הזן יצטרך להמשיך ולהשתפר בכל דור.