AMDs Zen-arkitektur: grunnleggende for AMDs Zen 4-prosessorer

AMD gjorde sitt store comeback tilbake i 2017 på baksiden av sin Ryzen CPUer, som fortsatt er noen av de beste du kan kjøpe i dag, og det var alt mulig takket være selskapets splitter nye Zen-arkitektur. Suksessen til Zen gjorde AMD fra nesten knust til et av de mest fremtredende teknologiselskapene i verden, alt i løpet av seks år. Dette er historien om Zen, hvordan den reddet AMD, og ​​hvordan fremtiden til Zen kan se ut.

En kort historie om Zen

På slutten av 2000-tallet var AMD nede på hell. Bare noen få år tidligere virket dens legendariske Athlon-stasjonære og Opteron-server-CPU-er klar til å velte Intel, men til slutt mistet AMD grepet og Intel ryddet opp. AMDs Phenom-prosessorer kuttet det rett og slett ikke mot Intels Core-arkitektur, og noe måtte endres hvis AMD ville ha en sjanse til lederskap igjen. Så selskapet bestemte seg for å utvikle denne arkitekturen kalt Bulldozer og satset på at flertrådede arbeidsbelastninger var fremtiden for databehandling.

Bulldoser var ikke bare dårlig, det var objektivt sett det verste AMD noen gang kom på. Den entrådede ytelsen var søppel (førstegenerasjons FX-brikker var faktisk tregere enn Phenom II-prosessorene de erstattet), den forbrukte tonnevis med strøm, og på slutten av dagen var dens flertrådede ytelse i beste fall middelmådig. I de neste seks årene ville AMD måtte leve på denne forferdelige arkitekturen mens Intel nådde toppen av sin overlegenhet.

Nesten umiddelbart etter Bulldozer-debakelen innså AMD at en enkel omarbeiding ikke ville kutte den og begynte å jobbe med en helt ny arkitektur. Denne arkitekturen ville være modellert etter Intels: høy enkelt-tråds ytelse, industritypiske kjerner og tråder, og den typen fleksibilitet som gjorde den egnet for alt fra de laveste forbruker-CPU-ene til den høyeste serveren sjetonger. AMD kalte senere denne arkitekturen Zen, og lanseringen av de første Zen-CPU-ene i 2017 markerte en ny begynner for AMD, og ​​selv om Zen ikke helt klarte å sammenligne med Intels Core-arkitektur, var det ikke langt av.

Mens dataindustrien, CPU-entusiaster og til og med AMD selv forventet at veien til ytelsesledelse skulle være lang, var den faktisk ganske kort. Zen 2, etterfølgeren til Zen, ble lansert i 2019 og sjokkerte stort sett alle ved å blåse Intel opp av vannet. AMD oppnådde et enormt forsprang i multi-threaded ytelse i stort sett alle segmenter, hadde betydelig bedre strømeffektivitet i praktisk talt alle arbeidsmengder, og til og med overgått Intel i entråds ytelse, noe AMD ikke hadde vært i stand til på over et tiår.

Herfra ble veien lettere for AMD. Servermarkedet var (og er fortsatt) det viktigste området for AMD å gjøre fremskritt innen og etter da Zen 3 kom ut i 2020, kontrollerte AMD 7 % av markedet, opp fra nesten 0 % før Zen kom ute. Dette ble gjort enda enklere takket være hvordan Intel absolutt spolerte planene sine om å lansere kraftige 10nm CPUer, og lot AMD møte opp mot utdaterte og praktisk talt utdaterte 14nm-brikker, som er noe av det verste Intel noen gang har laget.

Men mot slutten av 2021 tok Intel endelig grep og lanserte sine 10nm Alder Lake-brikker. Det ble ganske klart at AMD mistet oversikten over markedet og ble for fanget i ytelsesledelsen, siden Intel ikke hadde noen konkurranse under $300-merket på skrivebordet siden AMD aldri gadd å lansere budsjett Ryzen 5000-brikker før Intel tvang utgave. Månedene etter lanseringen av Alder Lake var litt tøffe for AMD, men den holdt fortsatt overtaket på servermarkedet og tok tilbake ledelsen i spillingen takket være Ryzen 7 5800X3D og dens 3D V-Cache.

I dag er Zen på sin fjerde store iterasjon, med Zen 4 som ble lansert sent i 2022 med Ryzen 7000-serien og Epyc 4. generasjon. Denne siste versjonen av Zen-arkitekturen er fokusert på høy ytelse, som står i sterk kontrast til den originale Zen-arkitekturen, som fokuserte på bedre verdi. Selv om Zen 4 er vesentlig annerledes enn den originale Zen, er det noen grunnleggende ting som AMD ikke har gitt slipp på ennå, og vil sannsynligvis ikke være det på en stund.

CCX-er, chiplets og kjerner

Mens AMD gjennom årene har forbedret mange ting i Zen-arkitekturen, er det mange ting om Zen som har vært fundamentalt sanne helt siden starten, og noen få nye ting som vil forme Zen framover. Jeg snakker om CCX-er, brikker og kjerner, de grunnleggende aspektene ved moderne Zen-brikker.

Zen-arkitekturen er kraftig, men den er ikke fullt så fleksibel som konkurrerende design fra selskaper som Intel. Mens den minste byggesteinen i de fleste CPUer er kjernen, er det for Zen Core Complex, eller CCX. En CCX er en klynge av kjerner og kan inneholde (i skrivende stund) to, fire eller åtte kjerner, har sin egen L3-cache og fungerer med andre CCX-er i samme CPU. En CCX er i hovedsak en full CPU i seg selv, noe som er både en god og en dårlig ting. Hver CCX er svært dyktig alene, men kommunikasjon mellom CCX-er tar betydelig tid, noe som reduserer ytelsen.

For AMD gjør den generaliserte naturen til CCX det utfordrende å tilby visse kjerneteller. For eksempel, hvis AMD ønsker å lage en sekskjerners CPU, kan den ikke bare utvikle en chip med seks kjerner, fordi AMD ikke har en sekskjerners CCX. Opprinnelig hadde AMD bare fire-kjerners CCX, så den trengte å ta en brikke med to av disse CCX-ene og deaktivere en kjerne på hver for å få en seks-kjerners CPU. I dag tar AMD en brikke med en åttekjernes CCX og deaktiverer to kjerner på den for å komme ned til seks. Teknisk sett kan AMD kombinere CCX-er av forskjellige størrelser for å få flere alternativer, men jeg skal diskutere det senere.

Med Zen 2 utviklet AMD brikker for å gjøre Zen enda kraftigere. Mens den originale Zen-arkitekturen ganske enkelt sydde sammen flere CPUer for å oppnå høyere kjernetall, Zen 2 brikker introduserte et radikalt konsept ved å sette CPU-kjernene på sine egne brikker og alt annet på en annen. Chiplet-design står i motsetning til tradisjonell monolittisk design, der alle CPU-funksjoner finnes på en enkelt brikke. Chipletene med kjernene kalles Core Complex Dies (eller CCD-er), som kan inneholde enten en eller to CCX-er, og chipletene med alt annet er I/O Dies (eller IOD-er).

Det er mange fordeler med brikker som stemmer overens med AMDs mål om å bygge CPUer sparsomt. For det første er det billigere å lage mange små chips i motsetning til en stor med samme egenskaper. For det andre gjør det det enkelt å lage CPUer med superhøye kjernetall siden alt du trenger å gjøre er å legge til flere brikker. Den kanskje største fordelen er fleksibilitet, siden AMD er i stand til å dekke stort sett hele desktop- og servermarkedet med en type CCD og to typer IODer. AMD har også nå cache-brikker kalt 3D V-Cache for enda mer fleksibilitet og tilpasning.

AMDs siste innovasjon er introduksjonen av tettere varianter av Zen-kjerner med Zen 4c. Disse tette versjonene av Zen-arkitekturen er helt identiske med de vanlige versjonene bortsett fra er mye mindre, slik at AMDs 16-kjerners Zen 4c CCD kan ha samme størrelse som åttekjerners Zen 4 CCD. Den økte tettheten forhindrer imidlertid c-type kjerner fra å treffe klokkehastighetene som vanlige kjerner kan. Dette gjør Zen c-variant-kjerner mer foretrukket for CPU-er med høyt antall kjerner som ikke trenger god enkelt-tråds ytelse.

Slike kjerner er også nyttige for forbrukerapplikasjoner. AMDs Phoenix 2 APU kombinerer en to-kjerners Zen 4 CCX med en firekjerners Zen 4c CCX, den første som kombinerer CCX-er i forskjellige størrelser. Å bruke to forskjellige kjerner kalles hybridarkitektur, og hele ideen er at den vanlige kjerner brukes for enkelttrådede arbeidsbelastninger mens c-type kjerner hjelper til med flertrådede arbeidsbelastninger. Selv om denne brikken ser uvanlig spesialisert ut for AMD, kan den faktisk også brukes til Ryzen APU-er i lavere ende i tilfelle den ikke-hybride Phoenix-brikken ikke er tilgjengelig.

Med Zen-arkitekturen har AMD vært enestående fokusert på hvordan de kan dekke markedet på den bredeste måten uten å kaste bort tid og ressurser på å utvikle prosessorer, noe AMD ikke har råd til å gjøre på grunn av sin relativt lille størrelse. I stedet for å behandle hvert segment av dataindustrien annerledes, bruker AMD en generalisert tilnærming og utvikler bare noen få design og individuelle brikker for å dekke alt. Mens Intel laget fire design for Alder Lake, som bare dekket stasjonære og bærbare datamaskiner, hadde AMD en enkelt Zen 3 CCX-design brukt for stasjonære, bærbare og server-CPUer.

Fremtiden til Zen

Som et så innovativt og smart selskap, er det aldri lett å gjette hva AMD vil gjøre videre. AMD har avslørt planene sine om å lansere Zen 5 CPUer i 2024, men utover det vet vi ikke noe sikkert. Kanskje vil vi se AMD tilby en bredere spredning av hybrid-CPU-er, kanskje til og med noen som kombinerer vanlige og c-varianter CCD-er for å tilby det beste fra begge verdener for stasjonære datamaskiner og servere.

Vi kan heller ikke ignorere AMDs konkurrenter, hovedsakelig Intel og Arm, når det kommer til fremtiden til Zen. Mens Zen unektelig er en god arkitektur, er mye av AMDs suksess siden introduksjonen av den originale Zen-arkitekturen takket være Intels strategiske feil gjennom 2010-tallet. Men ikke bare har Intel endelig fått sitt eget comeback, en ny utfordrer nærmer seg når Arm kryper inn på PC-er og servere. Hvis AMD ønsker å beholde og forbedre sin posisjon, må Zen fortsette å bli bedre for hver generasjon.