AMD's Zen-architectuur: de fundamenten van AMD's Zen 4 CPU's

AMD maakte zijn grote comeback in 2017 op de rug van zijn Ryzen CPU's, dat zijn nog steeds enkele van de beste wat je vandaag kunt kopen, en het was allemaal mogelijk dankzij de gloednieuwe Zen-architectuur van het bedrijf. Door het succes van Zen veranderde AMD van bijna failliet in een van de meest vooraanstaande technologiebedrijven ter wereld, allemaal binnen een tijdsbestek van zes jaar. Dit is het verhaal van Zen, hoe het AMD heeft gered en hoe de toekomst van Zen eruit zou kunnen zien.

Een korte geschiedenis van zen

Eind jaren 2000 had AMD pech. Slechts een paar jaar eerder leken zijn legendarische Athlon-desktop- en Opteron-server-CPU's op het punt om Intel omver te werpen, maar uiteindelijk verloor AMD zijn grip en maakte Intel zijn act schoon. De Phenom-CPU's van AMD konden het gewoon niet redden tegen de Core-architectuur van Intel, en er moest iets veranderen als AMD weer een kans op leiderschap wilde maken. Dus besloot het bedrijf om deze architectuur genaamd Bulldozer te ontwikkelen en te wedden dat multi-threaded workloads de toekomst van computers waren.

Bulldozer was niet alleen slecht, het was objectief gezien het ergste waar AMD ooit mee kwam. De single-threaded prestaties waren waardeloos (eerste generatie FX-chips waren eigenlijk langzamer dan de Phenom II CPU's ze vervingen), verbruikte het tonnen stroom en aan het eind van de dag waren de multi-threaded prestaties op zijn best middelmatig. De komende zes jaar zou AMD moeten leven van deze vreselijke architectuur terwijl Intel het hoogtepunt van zijn suprematie bereikte.

Vrijwel onmiddellijk na het Bulldozer-debacle realiseerde AMD zich dat een simpele herbewerking niet genoeg zou zijn en begon te werken aan een geheel nieuwe architectuur. Deze architectuur zou worden gemodelleerd naar die van Intel: hoge single-threaded prestaties, industrietypische cores en threads, en het soort flexibiliteit dat het geschikt maakte voor alles, van de laagste consumenten-CPU's tot de allerhoogste server fiches. AMD noemde deze architectuur later Zen, en de lancering van de eerste Zen-CPU's in 2017 markeerde een nieuwe beginnend voor AMD, en hoewel Zen niet helemaal te vergelijken was met de Core-architectuur van Intel, was het niet ver weg uit.

Terwijl de computerindustrie, CPU-enthousiastelingen en zelfs AMD zelf verwachtten dat de weg naar prestatieleiderschap lang zou zijn, was deze eigenlijk vrij kort. Zen 2, de opvolger van Zen, werd gelanceerd in 2019 en schokte vrijwel iedereen door Intel uit het water te blazen. AMD behaalde een enorme voorsprong op het gebied van multi-threaded prestaties in vrijwel elk segment, had een aanzienlijk betere energie-efficiëntie in vrijwel elke werklast, en overtrof zelfs Intel in single-threaded prestaties, wat AMD al meer dan tien jaar niet had kunnen doen.

Vanaf hier is de weg eenvoudiger geworden voor AMD. De servermarkt was (en is nog steeds) het belangrijkste gebied voor AMD om vooruitgang in en door te boeken de tijd dat Zen 3 uitkwam in 2020, had AMD 7% van de markt in handen, tegen bijna 0% voordat Zen kwam uit. Dit werd des te gemakkelijker dankzij de manier waarop Intel zijn plannen om krachtige 10nm CPU's te lanceren absoluut verpestte, waardoor AMD het moest opnemen tegen verouderde en praktisch verouderde 14nm-chips. die behoren tot de slechtste die Intel ooit heeft gemaakt.

Tegen het einde van 2021 kreeg Intel eindelijk zijn zaakjes op orde en lanceerde het zijn 10nm Alder Lake-chips. Het werd vrij duidelijk dat AMD de markt uit het oog verloor en te verstrikt raakte in zijn prestatieleiderschap, zoals Intel dat niet had concurrentie onder de $ 300 op de desktop, aangezien AMD nooit de moeite nam om budget Ryzen 5000-chips te lanceren totdat Intel de probleem. De maanden na de lancering van Alder Lake waren een beetje zwaar voor AMD, maar het had nog steeds de overhand op de servermarkt en heroverde de gaming-leiding dankzij de Ryzen 7 5800X3D en zijn 3D V-cache.

Vandaag is Zen bezig met zijn vierde grote iteratie, waarbij Zen 4 eind 2022 is gelanceerd met de Ryzen 7000-serie en Epyc 4e generatie. Deze nieuwste versie van de Zen-architectuur is gericht op hoge prestaties, wat in schril contrast staat met de oorspronkelijke Zen-architectuur, die gericht was op meer waarde. Hoewel de Zen 4 aanzienlijk verschilt van de originele Zen, zijn er enkele fundamentele zaken die AMD nog niet heeft losgelaten en dat waarschijnlijk ook nog een tijdje niet zal zijn.

CCX's, chiplets en kernen

Hoewel AMD in de loop der jaren veel dingen heeft verbeterd in zijn Zen-architectuur, zijn er veel dingen over Zen die vanaf het allereerste begin fundamenteel waar zijn geweest, en een paar nieuwe dingen die het Zen gaan vorm zullen geven vooruit. Ik heb het over CCX's, chiplets en kernen, de fundamentele aspecten van moderne Zen-chips.

De Zen-architectuur is krachtig, maar niet zo flexibel als concurrerende ontwerpen van bedrijven als Intel. Terwijl de kleinste bouwsteen in de meeste CPU's de kern is, is dit voor Zen het Core Complex of CCX. Een CCX is een cluster van kernen en kan (op het moment van schrijven) twee, vier of acht kernen bevatten, heeft zijn eigen L3-cache en werkt met andere CCX's in dezelfde CPU. Een CCX is in wezen een volledige CPU op zich, wat zowel een goede als een slechte zaak is. Elke CCX is op zichzelf zeer capabel, maar communicatie tussen CCX's kost veel tijd, wat de prestaties vermindert.

Voor AMD maakt de algemene aard van de CCX het een uitdaging om bepaalde kernaantallen aan te bieden. Als AMD bijvoorbeeld een CPU met zes cores wil maken, kan het niet zomaar een chip met zes cores ontwikkelen, omdat AMD geen CCX met zes cores heeft. Aanvankelijk had AMD alleen de vier-core CCX, dus het moest een chip nemen met twee van die CCX's en een kern uitschakelen op elk om een ​​zes-core CPU te krijgen. Tegenwoordig neemt AMD een chip met een CCX met acht kernen en schakelt twee kernen uit om tot zes kernen te komen. Technisch gezien kan AMD CCX's van verschillende groottes combineren om meer opties te krijgen, maar dat zal ik later bespreken.

Met Zen 2 ontwikkelde AMD chiplets om Zen nog krachtiger te maken. Terwijl de oorspronkelijke Zen-architectuur simpelweg meerdere CPU's aan elkaar hechtte om hogere core-aantallen te bereiken, Zen 2-chiplets introduceerden een radicaal concept door de CPU-kernen op eigen chips te plaatsen en al het andere erop een andere. Chiplet-ontwerp staat in tegenstelling tot traditioneel monolithisch ontwerp, waarin alle CPU-functies op één enkele chip bestaan. De chiplets met de kernen worden Core Complex Dies (of CCD's) genoemd, die een of twee CCX's kunnen bevatten, en de chiplets met al het andere zijn de I/O Dies (of IOD's).

Er zijn veel voordelen met chiplets die aansluiten bij AMD's doel om zuinig CPU's te bouwen. Ten eerste is het goedkoper om veel kleine chips te maken dan een grote met dezelfde eigenschappen. Ten tweede maakt het het gemakkelijk om CPU's te maken met superhoge core-aantallen, omdat je alleen maar meer chips hoeft toe te voegen. Misschien wel het grootste voordeel is de flexibiliteit, aangezien AMD vrijwel de hele desktop- en servermarkt kan bedienen één soort CCD en twee soorten IOD's. AMD heeft nu ook cache-chiplets genaamd 3D V-Cache voor nog meer flexibiliteit en maatwerk.

De nieuwste innovatie van AMD is de introductie van dichtere varianten van Zen-cores met Zen 4c. Deze dichte versies van de Zen-architectuur zijn volledig identiek aan de reguliere versies behalve dat ze veel kleiner zijn, waardoor AMD's 16-core Zen 4c CCD dezelfde grootte heeft als de acht-core Zen 4 CCD. Die verhoogde dichtheid verhindert echter dat c-type kernen de kloksnelheden halen die gewone kernen kunnen. Hierdoor hebben Zen c-variant cores meer de voorkeur voor CPU's met een hoog aantal cores die geen geweldige single-threaded prestaties nodig hebben.

Dit soort kernen zijn ook handig voor consumententoepassingen. AMD's Phoenix 2-APU combineert een twee-core Zen 4 CCX met een vier-core Zen 4c CCX, de eerste die CCX's van verschillende groottes combineert. Het gebruik van twee verschillende kernen wordt hybride architectuur genoemd, en het hele idee is dat de reguliere cores worden gebruikt voor single-threaded workloads, terwijl de c-type cores helpen bij multi-threaded werklasten. Hoewel deze chip er buitengewoon gespecialiseerd uitziet voor AMD, kan hij eigenlijk ook worden gebruikt voor lagere Ryzen APU's voor het geval de niet-hybride Phoenix-chip niet beschikbaar is.

Met de Zen-architectuur is AMD in het bijzonder gefocust op hoe de markt op de breedste manier kan worden bestreken zonder tijd en middelen verspillen aan het ontwikkelen van processors, wat AMD zich niet kan veroorloven vanwege de relatief kleine omvang. In plaats van elk segment van de computerindustrie anders te behandelen, hanteert AMD een algemene benadering en ontwikkelt slechts een paar ontwerpen en individuele chips om alles te dekken. Terwijl Intel vier ontwerpen maakte voor Alder Lake, die alleen betrekking hadden op desktops en laptops, had AMD een enkel Zen 3 CCX-ontwerp dat werd gebruikt voor desktop-, laptop- en server-CPU's.

De toekomst van zen

Omdat het zo'n innovatief en slim bedrijf is, is het nooit gemakkelijk te raden wat AMD nu gaat doen. AMD heeft zijn plannen bekendgemaakt om Zen 5 CPU's in 2024 te lanceren, maar verder weten we niets zeker. Misschien zullen we zien dat AMD een bredere spreiding van hybride CPU's aanbiedt, misschien zelfs enkele die gewone en c-variant CCD's combineren om het beste van beide werelden voor desktops en servers te bieden.

We kunnen ook de concurrenten van AMD, voornamelijk Intel en Arm, niet negeren als het gaat om de toekomst van Zen. Hoewel Zen onmiskenbaar een goede architectuur is, is een groot deel van het succes van AMD sinds de introductie van de originele Zen-architectuur te danken aan de strategische fouten van Intel in de jaren 2010. Maar niet alleen heeft Intel eindelijk zijn eigen comeback gemaakt, er komt ook een nieuwe uitdager aan terwijl Arm pc's en servers binnensluipt. Als AMD zijn positie wil behouden en verbeteren, zal Zen elke generatie beter moeten blijven worden.