Arquitetura Zen da AMD: os fundamentos das CPUs Zen 4 da AMD

A AMD fez seu grande retorno em 2017 com base em seu CPUs Ryzen, que ainda são alguns dos melhor você pode comprar hoje, e tudo isso foi possível graças à novíssima arquitetura Zen da empresa. O sucesso do Zen transformou a AMD de quase falida em uma das empresas de tecnologia mais proeminentes do mundo, tudo em um período de seis anos. Esta é a história do Zen, como ele salvou a AMD e como pode ser o futuro do Zen.

Uma breve história do Zen

No final dos anos 2000, a AMD estava sem sorte. Apenas alguns anos antes, seus lendários desktops Athlon e CPUs de servidor Opteron pareciam prestes a derrubar a Intel, mas, eventualmente, a AMD perdeu o controle e a Intel limpou sua atuação. Os processadores Phenom da AMD simplesmente não estavam superando a arquitetura Core da Intel, e algo precisava mudar se a AMD quisesse ter uma chance de liderança novamente. Então, a empresa decidiu desenvolver essa arquitetura chamada Bulldozer e apostar que as cargas de trabalho multi-threaded eram o futuro da computação.

A escavadeira não era apenas ruim, foi objetivamente a pior coisa que a AMD já inventou. Seu desempenho single-thread era péssimo (os chips FX de primeira geração eram realmente mais lentos que os processadores Phenom II eles substituíram), consumia toneladas de energia e, no final das contas, seu desempenho multithread era o melhor medíocre. Nos seis anos seguintes, a AMD teria que subsistir com essa arquitetura terrível, enquanto a Intel atingia o auge de sua supremacia.

Quase imediatamente após o desastre do Bulldozer, a AMD percebeu que um simples retrabalho não resolveria e começou a trabalhar em uma arquitetura totalmente nova. Essa arquitetura seria modelada de acordo com a da Intel: alto desempenho de thread único, núcleos e threads típicos do setor e o tipo de flexibilidade que o tornou adequado para tudo, desde as CPUs de consumo mais simples até o servidor mais avançado salgadinhos. Mais tarde, a AMD batizou essa arquitetura de Zen, e o lançamento de suas primeiras CPUs Zen em 2017 marcou um novo começando para a AMD e, embora o Zen não pudesse se comparar com a arquitetura Core da Intel, não foi muito longe desligado.

Embora a indústria de computação, os entusiastas da CPU e até mesmo a própria AMD esperassem que o caminho para a liderança em desempenho fosse longo, na verdade foi bem curto. O Zen 2, o sucessor do Zen, foi lançado em 2019 e chocou quase todo mundo ao tirar a Intel da água. A AMD alcançou uma liderança massiva em desempenho multithread em praticamente todos os segmentos, teve uma eficiência de energia significativamente melhor em praticamente todas as cargas de trabalho e até superou a Intel em desempenho de thread único, o que a AMD não conseguia fazer há mais de uma década.

A partir daqui, o caminho ficou mais fácil para a AMD. O mercado de servidores foi (e ainda é) a área mais importante para o progresso da AMD e, quando o Zen 3 foi lançado em 2020, a AMD controlava 7% do mercado, acima dos quase 0% antes do Zen chegar fora. Isso ficou ainda mais fácil graças à forma como a Intel estragou absolutamente seus planos de lançar CPUs poderosas de 10 nm, deixando a AMD enfrentar chips de 14 nm desatualizados e praticamente obsoletos, que são alguns dos piores que a Intel já fez.

No final de 2021, porém, a Intel finalmente se recompôs e lançou seus chips Alder Lake de 10nm. Ficou bem claro que a AMD perdeu o controle do mercado e ficou muito presa em sua liderança de desempenho, já que a Intel não tinha competição abaixo da marca de $ 300 no desktop, já que a AMD nunca se preocupou em lançar chips Ryzen 5000 de baixo custo até que a Intel forçou o emitir. Os meses seguintes ao lançamento do Alder Lake foram um pouco difíceis para a AMD, mas ela ainda manteve a vantagem no mercado de servidores e retomou a liderança dos jogos graças ao Ryzen 7 5800X3D e seus 3D V-Cache.

Hoje, o Zen está em sua quarta grande iteração, com o Zen 4 lançado no final de 2022 com o Ryzen série 7000 e Epyc 4ª geração. Esta versão mais recente da arquitetura Zen é focada em alto desempenho, que contrasta fortemente com a arquitetura Zen original, focada em melhor valor. Embora o Zen 4 seja significativamente diferente do Zen original, existem alguns fundamentos que a AMD ainda não abandonou e provavelmente não abandonará por algum tempo.

CCXs, chiplets e núcleos

Embora a AMD tenha melhorado ao longo dos anos muitas coisas em sua arquitetura Zen, há muitas coisas sobre o Zen que têm sido fundamentalmente verdadeiros desde o início, e algumas coisas novas que moldarão o Zen indo avançar. Estou falando de CCXs, chiplets e núcleos, os aspectos fundamentais dos chips Zen modernos.

A arquitetura Zen é poderosa, mas não tão flexível quanto os designs concorrentes de empresas como a Intel. Enquanto o menor bloco de construção na maioria das CPUs é o núcleo, para o Zen é o Core Complex, ou CCX. Um CCX é um cluster de núcleos e pode conter (no momento da redação) dois, quatro ou oito núcleos, possui seu próprio cache L3 e funciona com outros CCXs na mesma CPU. Um CCX é essencialmente uma CPU completa em si, o que é bom e ruim. Cada CCX é muito capaz por conta própria, mas a comunicação entre os CCXs leva um tempo significativo, o que reduz o desempenho.

Para a AMD, a natureza generalizada do CCX torna desafiador oferecer certas contagens de núcleo. Por exemplo, se a AMD quiser fazer uma CPU de seis núcleos, ela não pode apenas desenvolver um chip com seis núcleos, porque a AMD não tem um CCX de seis núcleos. Inicialmente, a AMD tinha apenas o CCX de quatro núcleos, então precisava pegar um chip com dois desses CCXs e desabilitar um núcleo em cada um para obter uma CPU de seis núcleos. Hoje, a AMD pega um chip com um CCX de oito núcleos e desativa dois núcleos para chegar a seis. Tecnicamente, a AMD pode combinar CCXs de tamanhos diferentes para obter mais opções, mas discutirei isso mais tarde.

Com o Zen 2, a AMD desenvolveu chiplets para tornar o Zen ainda mais poderoso. Enquanto a arquitetura Zen original simplesmente uniu várias CPUs para atingir contagens de núcleo mais altas, o Zen 2 introduziram um conceito radical ao colocar os núcleos da CPU em seus próprios chips e todo o resto em outro. O design do chiplet se opõe ao design monolítico tradicional, no qual todas as funções da CPU existem em um único chip. Os chiplets com os núcleos são chamados Core Complex Dies (ou CCDs), que podem conter um ou dois CCXs, e os chiplets com todo o resto são os I/O Dies (ou IODs).

Há muitos benefícios com os chiplets que se alinham com o objetivo da AMD de construir CPUs com economia. Em primeiro lugar, é mais barato fazer muitos chips pequenos do que um grande com as mesmas características. Em segundo lugar, facilita a criação de CPUs com contagens de núcleo super altas, pois tudo o que você precisa fazer é adicionar mais chips. Talvez a maior vantagem seja a flexibilidade, já que a AMD consegue cobrir praticamente todo o mercado de desktops e servidores com um tipo de CCD e dois tipos de IODs. A AMD agora também tem chiplets de cache chamados 3D V-Cache para ainda mais flexibilidade e costumização.

A mais recente inovação da AMD é a introdução de variantes mais densas de núcleos Zen com Zen 4c. Essas versões densas da arquitetura Zen são completamente idênticas às versões regulares exceto são muito menores, permitindo que o Zen 4c CCD de 16 núcleos da AMD tenha o mesmo tamanho que o Zen de oito núcleos 4 CCD. No entanto, esse aumento de densidade impede que os núcleos do tipo c atinjam as velocidades de clock que os núcleos regulares podem. Isso torna os núcleos Zen c-variant mais preferidos para CPUs de alta contagem de núcleos que não precisam de grande desempenho de thread único.

Esses tipos de núcleos também são úteis para aplicativos de consumo. APU Phoenix 2 da AMD combina um Zen 4 CCX de dois núcleos com um Zen 4c CCX de quatro núcleos, o primeiro a combinar CCXs de tamanhos diferentes. O uso de dois núcleos diferentes é chamado de arquitetura híbrida, e a ideia é que o padrão os núcleos são usados ​​para cargas de trabalho de encadeamento único, enquanto os núcleos do tipo c ajudam em multiencadeamento cargas de trabalho. Embora esse chip pareça excepcionalmente especializado para AMD, ele também pode ser usado para APUs Ryzen de baixo custo, caso o chip Phoenix não híbrido não esteja disponível.

Com a arquitetura Zen, a AMD tem se concentrado exclusivamente em como cobrir o mercado da maneira mais ampla sem desperdiçando tempo e recursos desenvolvendo processadores, o que a AMD não pode fazer devido ao seu tamanho relativamente pequeno. Em vez de tratar cada segmento da indústria de computação de maneira diferente, a AMD usa uma abordagem generalizada e desenvolve apenas alguns designs e chips individuais para cobrir tudo. Enquanto a Intel fez quatro designs para Alder Lake, que cobriam apenas desktops e laptops, a AMD tinha um único design Zen 3 CCX usado para CPUs de desktop, laptop e servidor.

O futuro do Zen

Sendo uma empresa tão inovadora e inteligente, nunca é fácil adivinhar o que a AMD fará a seguir. A AMD divulgou seus planos de lançar CPUs Zen 5 em 2024, mas além disso não sabemos nada ao certo. Talvez veremos a AMD oferecer uma ampla variedade de CPUs híbridas, talvez até algumas que combinem CCDs regulares e c-variante para oferecer o melhor dos dois mundos para desktops e servidores.

Também não podemos ignorar os concorrentes da AMD, principalmente Intel e Arm, quando se trata do futuro do Zen. Embora o Zen seja inegavelmente uma boa arquitetura, muito do sucesso da AMD desde a introdução da arquitetura Zen original se deve aos erros estratégicos da Intel ao longo dos anos 2010. Mas não apenas a Intel finalmente montou seu próprio retorno, como um novo desafiante está se aproximando, já que a Arm está se infiltrando em PCs e servidores. Se a AMD quiser manter e melhorar sua posição, o Zen terá que continuar melhorando a cada geração.