AMD Zen arhitektūra: AMD Zen 4 CPU pamati

AMD savu lielo atgriešanos piedzīvoja 2017. gadā Ryzen CPU, kas joprojām ir daži no labākais, ko šodien varat iegādāties, un tas viss bija iespējams, pateicoties uzņēmuma pavisam jaunajai Zen arhitektūrai. Zen panākumi sešu gadu laikā padarīja AMD no gandrīz sabrukuma par vienu no izcilākajiem tehnoloģiju uzņēmumiem pasaulē. Šis ir stāsts par Zen, kā tas izglāba AMD un kāda varētu izskatīties Zen nākotne.

Īsa Zen vēsture

2000. gadu beigās AMD nepaveicās. Tikai dažus gadus iepriekš tā leģendārie Athlon galddatoru un Opteron serveru centrālie procesori šķita gatavi gāzt Intel, taču galu galā AMD zaudēja satvērienu un Intel savu darbību iztīrīja. AMD Phenom CPU vienkārši nebija pretrunā ar Intel Core arhitektūru, un kaut kas bija jāmaina, ja AMD atkal vēlētos iegūt vadošo lomu. Tāpēc uzņēmums nolēma izstrādāt šo arhitektūru ar nosaukumu Bulldozer un saderēja, ka daudzpavedienu darba slodze ir skaitļošanas nākotne.

Buldozers nebija tikai slikts, objektīvi tā bija sliktākā lieta, ko AMD jebkad nāca klajā. Tā viena vītnes veiktspēja bija traks (pirmās paaudzes FX mikroshēmas faktiski bija lēnākas nekā Phenom II CPU viņi nomainīja), tas patērēja tonnas enerģijas, un dienas beigās tā vairāku vītņu veiktspēja bija labākajā gadījumā viduvējs. Nākamos sešus gadus AMD būs jāiztiek ar šo šausmīgo arhitektūru, kamēr Intel sasniegs savas pārākuma virsotni.

Gandrīz uzreiz pēc buldozera sabrukuma AMD saprata, ka vienkāršs pārveidojums to neizjauks, un sāka strādāt pie pavisam jaunas arhitektūras. Šī arhitektūra būtu modelēta pēc Intel: augsta viena vītnes veiktspēja, nozarei tipiski kodoli un pavedieni un tāda veida elastība, kas padarīja to piemērotu visam, sākot no zemākās klases patērētāju CPU līdz augstākās klases serverim čipsi. Vēlāk AMD šo arhitektūru nosauca par Zen, un tā pirmo Zen CPU palaišana 2017. gadā iezīmēja jaunu sākums AMD, un, lai gan Zen nevarēja gluži salīdzināt ar Intel Core arhitektūru, tas nebija tālu izslēgts.

Lai gan skaitļošanas nozare, CPU entuziasti un pat pati AMD gaidīja, ka ceļš uz veiktspējas vadību būs garš, patiesībā tas bija diezgan īss. Zen 2, Zen pēctecis, tika laists klajā 2019. gadā un šokēja gandrīz visus, izpūšot Intel no ūdens. AMD ieguva milzīgu pārsvaru daudzpavedienu veiktspējā gandrīz katrā segmentā, un tai bija ievērojami labāka jaudas efektivitāte praktiski par katru darba slodzi un pat pārspēja Intel viena vītnes veiktspējā, ko AMD nebija spējis paveikt vairāk nekā desmit gadus.

No šejienes AMD ceļš kļuva vieglāks. Serveru tirgus bija (un joprojām ir) vissvarīgākā joma, kurā AMD varēja gūt panākumus Kad Zen 3 iznāca 2020. gadā, AMD kontrolēja 7% tirgus, salīdzinot ar gandrīz 0% pirms Zen parādīšanās. ārā. Tas kļuva vēl vienkāršāk, pateicoties tam, kā Intel pilnībā izjauca savus plānus palaist jaudīgus 10 nm CPU, atstājot AMD stāties pretī novecojušām un praktiski novecojušām 14 nm mikroshēmām. kas ir vieni no sliktākajiem, ko Intel jebkad ir radījis.

Tomēr līdz 2021. gada beigām Intel beidzot saņēmās un laida klajā savas 10 nm Alder Lake mikroshēmas. Kļuva diezgan skaidrs, ka AMD zaudēja līdzi tirgum un pārāk iekļuva savā veiktspējas vadībā, jo Intel nebija Konkurence zem 300 USD atzīmes galddatorā, jo AMD nekad neuztraucās ar budžeta Ryzen 5000 mikroshēmu izlaišanu, līdz Intel piespieda izdevums. Mēneši pēc Alder Lake palaišanas AMD bija nedaudz sarežģīti, taču tas joprojām turēja virsroku serveru tirgū un atguva spēļu vadību, pateicoties Ryzen 7 5800X3D un tā. 3D V-kešatmiņa.

Šodien Zen ir ceturtā lielākā iterācija, un Zen 4 tika palaists 2022. gada beigās ar Ryzen 7000 sērija un Epyc 4. paaudze. Šī jaunākā Zen arhitektūras versija ir vērsta uz augstu veiktspēju, kas ir krasā pretstatā oriģinālajai Zen arhitektūrai, kas koncentrējās uz labāku vērtību. Lai gan Zen 4 ievērojami atšķiras no oriģinālā Zen, ir daži pamati, kurus AMD vēl nav atlaidis un, iespējams, vēl kādu laiku neatlaidīsies.

CCX, mikroshēmas un serdeņi

Lai gan AMD gadu gaitā ir uzlabojis daudzas lietas savā Zen arhitektūrā, Zen ir daudz lietas kas būtībā ir bijušas patiesas kopš paša sākuma, un dažas jaunas lietas, kas veidos Zen virzību uz priekšu. Es runāju par CCX, mikroshēmām un kodoliem, mūsdienu Zen mikroshēmu pamataspektiem.

Zen arhitektūra ir jaudīga, taču tā nav tik elastīga kā konkurējošie dizaini no tādiem uzņēmumiem kā Intel. Lai gan lielākajā daļā CPU mazākais bloks ir kodols, Zen tas ir Core Complex jeb CCX. CCX ir kodolu kopa, un tā var saturēt (rakstīšanas laikā) divus, četrus vai astoņus kodolus, tam ir sava L3 kešatmiņa, un tas darbojas ar citiem CCX tajā pašā centrālajā procesorā. CCX būtībā ir pilns CPU pats par sevi, kas ir gan laba, gan slikta lieta. Katrs CCX ir ļoti spējīgs pats par sevi, taču saziņa starp CCX aizņem ievērojamu laiku, kas samazina veiktspēju.

Attiecībā uz AMD CCX vispārīgais raksturs apgrūtina piedāvāt noteiktu kodolu skaitu. Piemēram, ja AMD vēlas izgatavot sešu kodolu centrālo procesoru, tas nevar tikai izstrādāt mikroshēmu ar sešiem kodoliem, jo ​​AMD nav sešu kodolu CCX. Sākotnēji AMD bija tikai četru kodolu CCX, tāpēc tai vajadzēja ņemt mikroshēmu ar diviem no šiem CCX un atspējot kodolu katrā, lai iegūtu sešu kodolu centrālo procesoru. Šodien AMD izmanto mikroshēmu ar astoņu kodolu CCX un atspējo divus kodolus, lai samazinātu līdz sešiem kodoliem. Tehniski AMD var apvienot dažāda izmēra CCX, lai iegūtu vairāk iespēju, taču es to apspriedīšu vēlāk.

Ar Zen 2 AMD izstrādāja mikroshēmas, lai padarītu Zen vēl jaudīgāku. Kamēr sākotnējā Zen arhitektūra vienkārši savienoja vairākus CPU, lai sasniegtu lielāku kodolu skaitu, Zen 2 mikroshēmas ieviesa radikālu koncepciju, ievietojot CPU kodolus uz saviem mikroshēmām un visu pārējo cits. Mikroshēmu dizains ir pretstatā tradicionālajam monolītam dizainam, kurā visas CPU funkcijas pastāv vienā mikroshēmā. Mikroshēmas ar kodoliem sauc par Core Complex Dies (vai CCD), kas var saturēt vienu vai divus CCX, un mikroshēmas ar visu pārējo ir I/O Dies (vai IOD).

Mikroshēmām ir daudz priekšrocību, kas atbilst AMD mērķim taupīgi veidot CPU. Pirmkārt, ir lētāk izgatavot daudz mazu mikroshēmu, nevis lielas ar tādām pašām īpašībām. Otrkārt, tas ļauj viegli izveidot CPU ar īpaši lielu kodolu skaitu, jo viss, kas jums jādara, ir pievienot vairāk mikroshēmu. Iespējams, ka lielākā priekšrocība ir elastība, jo AMD spēj aptvert gandrīz visu galddatoru un serveru tirgu ar viena veida CCD un divu veidu IOD. AMD tagad ir arī kešatmiņas mikroshēmas, ko sauc par 3D V-Cache, lai nodrošinātu vēl lielāku elastību un pielāgošana.

AMD jaunākā inovācija ir Zen kodolu blīvāku variantu ieviešana ar Zen 4c. Šīs Zen arhitektūras blīvās versijas ir pilnīgi identiskas parastajām versijām izņemot ir daudz mazākas, ļaujot AMD 16 kodolu Zen 4c CCD būt tāda paša izmēra kā astoņu kodolu Zen 4 CCD. Tomēr šis palielinātais blīvums neļauj c tipa serdeņiem sasniegt tādus pulksteņa ātrumus, kādus spēj parastie serdeņi. Tādējādi Zen c-variant serdeņi ir vairāk priekšroka CPU ar lielu kodolu skaitu, kuriem nav nepieciešama lieliska viena vītnes veiktspēja.

Šāda veida serdeņi ir noderīgi arī patērētāju lietojumprogrammām. AMD Phoenix 2 APU apvieno divu kodolu Zen 4 CCX ar četrkodolu Zen 4c CCX, kas ir pirmais, kas apvieno dažādu izmēru CCX. Divu dažādu kodolu izmantošanu sauc par hibrīda arhitektūru, un visa ideja ir tāda, ka parastā serdeņi tiek izmantoti viena vītnes darba slodzēm, savukārt c tipa serdeņi palīdz daudzpavedienu darba slodzes. Lai gan šī mikroshēma izskatās neparasti specializēta AMD, to faktiski var izmantot arī zemākas klases Ryzen APU gadījumā, ja nav pieejama nehibrīdā Phoenix mikroshēma.

Izmantojot Zen arhitektūru, AMD ir īpaši koncentrējies uz to, kā aptvert tirgu visplašākajā veidā bez tērējot laiku un resursus procesoru izstrādei, ko AMD nevar atļauties tā salīdzinoši mazā izmēra dēļ. Tā vietā, lai izturētos pret katru skaitļošanas nozares segmentu atšķirīgi, AMD izmanto vispārinātu pieeju un izstrādā tikai dažus dizainus un atsevišķas mikroshēmas, lai aptvertu visu. Kamēr Intel izstrādāja četrus Alder Lake dizainus, kas aptvēra tikai galddatorus un klēpjdatorus, AMD bija viens Zen 3 CCX dizains, ko izmantoja galddatoru, klēpjdatoru un serveru centrālajiem procesoriem.

Zen nākotne

Tā kā uzņēmums ir tik novatorisks un gudrs, nekad nav viegli uzminēt, ko AMD darīs tālāk. AMD ir atklājusi savus plānus 2024. gadā laist klajā Zen 5 CPU, taču tālāk par to mēs neko konkrētu nezinām. Iespējams, mēs redzēsim, ka AMD piedāvās plašāku hibrīdo CPU izplatību, iespējams, pat tādus, kas apvieno parastos un c-variantu CCD, lai piedāvātu labāko no abām pasaulēm galddatoriem un serveriem.

Mēs arī nevaram ignorēt AMD konkurentus, galvenokārt Intel un Arm, kad runa ir par Zen nākotni. Lai gan Zen nenoliedzami ir laba arhitektūra, liela daļa AMD panākumu kopš sākotnējās Zen arhitektūras ieviešanas ir radusies Intel stratēģiskajām kļūdām 2010. gados. Bet Intel beidzot ir atnācis ne tikai, bet arī tuvojas jauns izaicinātājs, jo Arm iekļūst personālajos datoros un serveros. Ja AMD vēlas saglabāt un uzlabot savu pozīciju, Zen būs jāturpina uzlaboties ar katru paaudzi.