Architektura Zen firmy AMD: podstawy procesorów AMD Zen 4

AMD powróciło w 2017 roku z tyłu procesory Ryzen, które nadal są niektórymi najlepsze, co możesz dziś kupić, a wszystko to było możliwe dzięki zupełnie nowej architekturze Zen firmy. Sukces Zen sprawił, że AMD z bliskiego bankructwa stało się jedną z najwybitniejszych firm technologicznych na świecie, a wszystko to w ciągu sześciu lat. Oto historia Zen, jak uratowała AMD i jak może wyglądać przyszłość Zen.

Krótka historia Zen

Pod koniec 2000 roku AMD nie miało szczęścia. Zaledwie kilka lat wcześniej jego legendarne procesory Athlon do komputerów stacjonarnych i serwerów Opteron wydawały się być gotowe do obalenia Intela, ale ostatecznie AMD straciło kontrolę, a Intel uporządkował swoje działania. Procesory AMD Phenom po prostu nie radziły sobie z architekturą Intel Core i coś musiało się zmienić, jeśli AMD chciało ponownie spróbować przywództwa. Dlatego firma zdecydowała się opracować tę architekturę o nazwie Bulldozer i postawić na to, że wielowątkowe obciążenia są przyszłością komputerów.

Buldożer był nie tylko zły, obiektywnie była to najgorsza rzecz, jaką AMD kiedykolwiek wymyśliło. Jego jednowątkowa wydajność była tandetna (chipy FX pierwszej generacji były w rzeczywistości wolniejsze niż procesory Phenom II wymienili), zużywał mnóstwo energii, a pod koniec dnia jego wydajność wielowątkowa była co najwyżej przeciętny. Przez następne sześć lat AMD musiało przetrwać na tej okropnej architekturze, podczas gdy Intel osiągnął szczyt swojej supremacji.

Niemal natychmiast po klęsce Bulldozera AMD zdało sobie sprawę, że prosta przeróbka nie wystarczy i zaczęła pracować nad zupełnie nową architekturą. Ta architektura byłaby wzorowana na architekturze Intela: wysoka wydajność jednowątkowa, typowe dla branży rdzenie i wątki oraz rodzaj elastyczności, który sprawił, że nadaje się do wszystkiego, od najniższych procesorów konsumenckich po serwery najwyższej klasy frytki. AMD nazwało później tę architekturę Zen, a premiera jej pierwszych procesorów Zen w 2017 roku oznaczała nowość początku dla AMD i chociaż Zen nie mógł się równać z architekturą Intel Core, nie było daleko wyłączony.

Podczas gdy przemysł komputerowy, entuzjaści procesorów, a nawet samo AMD spodziewali się, że droga do przywództwa w zakresie wydajności będzie długa, w rzeczywistości była dość krótka. Zen 2, następca Zen, pojawił się na rynku w 2019 roku i zszokował prawie wszystkich, wyrzucając Intela z wody. AMD osiągnęło ogromną przewagę w wydajności wielowątkowej w prawie każdym segmencie i miało znacznie lepszą wydajność energetyczną praktycznie przy każdym obciążeniu, a nawet przewyższył Intela wydajnością jednowątkową, czego AMD nie było w stanie osiągnąć przez ponad dekadę.

Odtąd droga dla AMD stała się prostsza. Rynek serwerów był (i nadal jest) najważniejszym obszarem, w którym AMD mogło poczynić postępy kiedy Zen 3 pojawił się w 2020 roku, AMD kontrolowało 7% rynku, w porównaniu z prawie 0% przed pojawieniem się Zen na zewnątrz. Stało się to tym łatwiejsze dzięki temu, jak Intel całkowicie schrzanił swoje plany wprowadzenia potężnych procesorów 10 nm, pozostawiając AMD do zmierzenia się z przestarzałymi i praktycznie przestarzałymi chipami 14 nm, które są jednymi z najgorszych, jakie kiedykolwiek stworzył Intel.

Jednak pod koniec 2021 roku Intel w końcu zebrał się i wypuścił swoje 10-nanometrowe chipy Alder Lake. Stało się całkiem jasne, że AMD straciło kontrolę nad rynkiem i zbytnio pochłonęło go przywództwo w zakresie wydajności, ponieważ Intel nie miał konkurencja poniżej 300 USD na komputerach stacjonarnych, ponieważ AMD nigdy nie zawracało sobie głowy wypuszczaniem budżetowych układów Ryzen 5000, dopóki Intel nie wymusił wydanie. Miesiące następujące po premierze Alder Lake były nieco trudne dla AMD, ale nadal utrzymywała przewagę na rynku serwerów i odzyskała prowadzenie w grach dzięki Ryzenowi 7 5800X3D i jego Pionowa pamięć podręczna 3D.

Obecnie Zen jest w czwartej dużej wersji, a Zen 4 został wprowadzony na rynek pod koniec 2022 r. serii Ryzenów 7000 i Epyc 4. generacji. Ta najnowsza wersja architektury Zen koncentruje się na wysokiej wydajności, co wyraźnie kontrastuje z oryginalną architekturą Zen, która skupiała się na lepszej wartości. Chociaż Zen 4 znacznie różni się od oryginalnego Zen, istnieją pewne podstawy, których AMD jeszcze nie odpuściło i prawdopodobnie nie będzie przez jakiś czas.

CCX, chiplety i rdzenie

Podczas gdy AMD przez lata ulepszało wiele rzeczy w swojej architekturze Zen, w Zen jest wiele rzeczy które były zasadniczo prawdziwe od samego początku, oraz kilka nowych rzeczy, które ukształtują życie Zen do przodu. Mówię o CCX, chipletach i rdzeniach, podstawowych aspektach nowoczesnych chipów Zen.

Architektura Zen jest potężna, ale nie tak elastyczna, jak konkurencyjne projekty firm takich jak Intel. Podczas gdy najmniejszym elementem konstrukcyjnym większości procesorów jest rdzeń, w przypadku Zen jest to Core Complex lub CCX. CCX jest klastrem rdzeni i może zawierać (w chwili pisania tego tekstu) dwa, cztery lub osiem rdzeni, ma własną pamięć podręczną L3 i współpracuje z innymi CCX w tym samym procesorze. CCX jest zasadniczo sam w sobie pełnym procesorem, co jest zarówno dobrą, jak i złą rzeczą. Każdy CCX sam w sobie jest bardzo wydajny, ale komunikacja między CCX zajmuje dużo czasu, co zmniejsza wydajność.

W przypadku AMD uogólniony charakter CCX utrudnia oferowanie określonej liczby rdzeni. Na przykład, jeśli AMD chce stworzyć sześciordzeniowy procesor, nie może po prostu opracować układu z sześcioma rdzeniami, ponieważ AMD nie ma sześciordzeniowego CCX. Początkowo AMD miało tylko czterordzeniowy CCX, więc musiało wziąć układ z dwoma z tych CCX i wyłączyć rdzeń na każdym z nich, aby uzyskać sześciordzeniowy procesor. Dzisiaj AMD bierze układ z ośmiordzeniowym CCX i wyłącza dwa rdzenie, aby zmniejszyć liczbę do sześciu. Technicznie AMD może łączyć CCX o różnych rozmiarach, aby uzyskać więcej opcji, ale omówię to później.

Wraz z Zen 2 firma AMD opracowała chiplety, dzięki którym Zen jest jeszcze potężniejszy. Podczas gdy oryginalna architektura Zen po prostu łączyła ze sobą wiele procesorów, aby osiągnąć wyższą liczbę rdzeni, Zen 2 wprowadził radykalną koncepcję, umieszczając rdzenie procesora na własnych układach i wszystko inne inny. Konstrukcja chipletów stoi w opozycji do tradycyjnej konstrukcji monolitycznej, w której wszystkie funkcje procesora znajdują się na jednym chipie. Chiplety z rdzeniami nazywane są Core Complex Dies (lub CCD), które mogą zawierać jeden lub dwa CCX, a chiplety ze wszystkim innym to matryce I/O (lub IOD).

Chiplety mają wiele zalet, które są zgodne z celem AMD, jakim jest oszczędne budowanie procesorów. Po pierwsze, taniej jest wyprodukować wiele małych żetonów niż jeden duży o tych samych właściwościach. Po drugie, ułatwia tworzenie procesorów z bardzo dużą liczbą rdzeni, ponieważ wszystko, co musisz zrobić, to dodać więcej chipów. Być może największą zaletą jest elastyczność, ponieważ AMD jest w stanie obsłużyć prawie cały rynek komputerów stacjonarnych i serwerów jeden rodzaj CCD i dwa rodzaje IOD. AMD ma teraz również chiplety pamięci podręcznej o nazwie 3D V-Cache dla jeszcze większej elastyczności i dostosowywanie.

Najnowszą innowacją AMD jest wprowadzenie gęstszych wariantów rdzeni Zen z Zen 4c. Te gęste wersje architektury Zen są całkowicie identyczne ze zwykłymi wersjami poza tym, że są znacznie mniejsze, dzięki czemu 16-rdzeniowy przetwornik CCD Zen 4c AMD ma taki sam rozmiar jak ośmiordzeniowy Zen 4 CCD. Jednak ta zwiększona gęstość uniemożliwia rdzeniom typu c osiągnięcie taktowania taktowania, jakie mogą osiągnąć zwykłe rdzenie. To sprawia, że ​​rdzenie Zen w wariancie c są bardziej preferowane w przypadku procesorów o dużej liczbie rdzeni, które nie potrzebują świetnej wydajności jednowątkowej.

Tego rodzaju rdzenie są również przydatne w zastosowaniach konsumenckich. AMD Phoenix 2 APU łączy dwurdzeniowy Zen 4 CCX z czterordzeniowym Zen 4c CCX, pierwszy łączący CCX o różnych rozmiarach. Używanie dwóch różnych rdzeni nazywa się architekturą hybrydową, a cała idea polega na tym, że zwykła rdzenie są używane do obciążeń jednowątkowych, podczas gdy rdzenie typu c pomagają w wielowątkowych obciążenia pracą. Chociaż ten układ wygląda na wyjątkowo wyspecjalizowany dla AMD, w rzeczywistości może być również używany z niższymi APU Ryzen, na wypadek gdyby niehybrydowy układ Phoenix nie był dostępny.

Dzięki architekturze Zen firma AMD skupiła się przede wszystkim na tym, jak jak najszerszym objąć rynek marnowanie czasu i zasobów na opracowywanie procesorów, na które AMD nie może sobie pozwolić ze względu na swoje stosunkowo małe rozmiary. Zamiast traktować każdy segment branży komputerowej inaczej, AMD stosuje uogólnione podejście i opracowuje tylko kilka projektów i pojedynczych chipów, aby objąć wszystko. Podczas gdy Intel stworzył cztery projekty dla Alder Lake, które obejmowały tylko komputery stacjonarne i laptopy, AMD miał jeden projekt Zen 3 CCX używany w procesorach do komputerów stacjonarnych, laptopów i serwerów.

Przyszłość Zenka

Będąc tak innowacyjną i sprytną firmą, nigdy nie jest łatwo odgadnąć, co AMD zrobi dalej. AMD ujawniło swoje plany wprowadzenia procesorów Zen 5 w 2024 roku, ale poza tym nie wiemy nic pewnego. Być może zobaczymy, że AMD zaoferuje szerszą gamę procesorów hybrydowych, być może nawet takie, które łączą zwykłe i wariantowe CCD, oferując najlepsze z obu światów dla komputerów stacjonarnych i serwerów.

Nie możemy również ignorować konkurentów AMD, głównie Intela i Arm, jeśli chodzi o przyszłość Zen. Podczas gdy Zen jest niezaprzeczalnie dobrą architekturą, wiele sukcesów AMD od czasu wprowadzenia oryginalnej architektury Zen jest zasługą strategicznych błędów Intela w latach 2010-tych. Ale nie tylko Intel w końcu doczekał się własnego powrotu, zbliża się nowy pretendent, gdy ARM wkrada się do komputerów osobistych i serwerów. Jeśli AMD chce utrzymać i poprawić swoją pozycję, Zen będzie musiał stawać się coraz lepszy z każdą generacją.