Arhitectura Zen AMD: elementele fundamentale ale procesoarelor Zen 4 de la AMD

AMD și-a revenit mare în 2017 pe spatele său procesoare Ryzen, care sunt încă unele dintre cel mai bine poți cumpăra astăziși totul a fost posibil datorită arhitecturii Zen nou-nouțe a companiei. Succesul Zen a transformat AMD de la aproape epuizat într-una dintre cele mai preeminente companii de tehnologie din lume, toate într-un interval de șase ani. Aceasta este povestea Zen, cum a salvat AMD și cum ar putea arăta viitorul Zen.

O scurtă istorie a Zen

La sfârșitul anilor 2000, AMD a avut noroc. Cu doar câțiva ani înainte, legendarul său desktop Athlon și procesoarele serverului Opteron păreau gata să răstoarne Intel, dar în cele din urmă, AMD și-a pierdut strânsoarea, iar Intel și-a curățat actul. Procesoarele Phenom de la AMD pur și simplu nu se potriveau arhitecturii Intel Core și ceva trebuia schimbat dacă AMD dorea să aibă din nou o șansă la conducere. Așadar, compania a decis să dezvolte această arhitectură numită Bulldozer și a pariat că sarcinile de lucru multi-threaded sunt viitorul computerului.

Buldozerul nu a fost doar rău, a fost obiectiv cel mai rău lucru cu care AMD a venit vreodată. Performanța sa cu un singur thread a fost un gunoi (cipurile FX de prima generație erau de fapt mai lente decât CPU-urile Phenom II au înlocuit), a consumat tone de putere și, la sfârșitul zilei, performanța sa multi-threaded a fost în cel mai bun caz mediocru. În următorii șase ani, AMD va trebui să subziste cu această arhitectură îngrozitoare, în timp ce Intel a atins vârful supremației sale.

Aproape imediat după dezastrul Bulldozerului, AMD și-a dat seama că o simplă reluare nu l-ar reduce și a început să lucreze la o arhitectură nou-nouță. Această arhitectură ar fi modelată după Intel: performanță ridicată cu un singur thread, nuclee și fire de execuție tipice din industrie și tipul de flexibilitate care l-a făcut potrivit pentru orice, de la procesoarele de consum de ultimă generație până la serverul de ultimă generație chipsuri. AMD a numit ulterior această arhitectură Zen, iar lansarea primelor sale procesoare Zen în 2017 a marcat un nou început pentru AMD și, deși Zen nu se putea compara cu arhitectura Intel Core, nu a fost departe oprit.

În timp ce industria de calcul, pasionații de procesoare și chiar AMD însuși se așteptau ca drumul către conducerea performanței să fie lung, de fapt a fost destul de scurt. Zen 2, succesorul lui Zen, a fost lansat în 2019 și a șocat aproape pe toată lumea, aruncând Intel din apă. AMD a acumulat un avans masiv în performanța cu mai multe fire în aproape fiecare segment, a avut o eficiență energetică semnificativ mai bună în practic fiecare sarcină de lucru și chiar a depășit Intel în performanță cu un singur thread, ceea ce AMD nu a fost capabil să facă de peste un deceniu.

De aici, drumul a devenit mai ușor pentru AMD. Piața de servere a fost (și este în continuare) cel mai important domeniu pentru care AMD a făcut progrese în, și după când Zen 3 a apărut în 2020, AMD controla 7% din piață, în creștere de la aproape 0% înainte de venirea Zen afară. Acest lucru a fost făcut cu atât mai ușor datorită modului în care Intel și-a năruit absolut planurile de a lansa procesoare puternice de 10 nm, lăsând AMD să se confrunte cu cipuri de 14 nm învechite și practic învechite. care sunt unele dintre cele mai proaste produse de Intel vreodată.

Totuși, până la sfârșitul anului 2021, Intel și-a pus în sfârșit acțiunea și și-a lansat cipurile Alder Lake de 10 nm. A devenit destul de clar că AMD a pierdut urma pieței și a fost prea prins în conducerea sa în performanță, deoarece Intel nu avea concurență sub pragul de 300 USD pe desktop, deoarece AMD nu s-a deranjat niciodată să lanseze cipuri Ryzen 5000 de buget până când Intel a forțat emisiune. Lunile care au urmat lansării Alder Lake au fost puțin dificile pentru AMD, dar a deținut totuși fruntea pe piața serverelor și a reluat conducerea jocurilor datorită Ryzen 7 5800X3D și a acestuia. 3D V-Cache.

Astăzi, Zen se află la a patra iterație majoră, Zen 4 fiind lansat la sfârșitul anului 2022 cu Seria Ryzen 7000 și Epyc a 4-a generație. Această ultimă versiune a arhitecturii Zen este axată pe performanță ridicată, care este în contrast puternic cu arhitectura Zen originală, care s-a concentrat pe o valoare mai bună. Deși Zen 4 este semnificativ diferit de Zen original, există câteva elemente fundamentale pe care AMD nu le-a renunțat încă și, probabil, nu va fi pentru ceva timp.

CCX-uri, chipleturi și nuclee

În timp ce AMD a îmbunătățit de-a lungul anilor multe lucruri în arhitectura sa Zen, există o mulțime de lucruri despre Zen care au fost fundamental adevărat încă de la început și câteva lucruri noi care vor modela evoluția Zen redirecţiona. Vorbesc despre CCX-uri, chiplet-uri și nuclee, aspectele fundamentale ale cipurilor Zen moderne.

Arhitectura Zen este puternică, dar nu este la fel de flexibilă precum designurile concurente de la companii precum Intel. În timp ce cel mai mic bloc de construcție din majoritatea procesoarelor este nucleul, pentru Zen este Core Complex, sau CCX. Un CCX este un grup de nuclee și poate conține (în momentul scrierii) două, patru sau opt nuclee, are propriul cache L3 și funcționează cu alte CCX-uri din același CPU. Un CCX este în esență un procesor complet în sine, ceea ce este atât un lucru bun, cât și un lucru rău. Fiecare CCX este foarte capabil pe cont propriu, dar comunicarea între CCX-uri necesită o perioadă semnificativă de timp, ceea ce reduce performanța.

Pentru AMD, natura generalizată a CCX face dificilă oferirea anumitor numere de bază. De exemplu, dacă AMD vrea să facă un procesor cu șase nuclee, nu poate dezvolta doar un cip cu șase nuclee, deoarece AMD nu are un CCX cu șase nuclee. Inițial, AMD avea doar CCX cu patru nuclee, așa că trebuia să ia un cip cu două dintre aceste CCX-uri și să dezactiveze un nucleu pentru fiecare pentru a obține un procesor cu șase nuclee. Astăzi, AMD ia un cip cu un CCX cu opt nuclee și dezactivează două nuclee pentru a ajunge la șase. Din punct de vedere tehnic, AMD poate combina CCX-uri de dimensiuni diferite pentru a obține mai multe opțiuni, dar voi discuta despre asta mai târziu.

Cu Zen 2, AMD a dezvoltat chipleturi pentru a face Zen și mai puternic. În timp ce arhitectura originală Zen pur și simplu a îmbinat mai multe procesoare pentru a obține un număr mai mare de nuclee, Zen 2 chipleturi au introdus un concept radical punând nucleele procesorului pe propriile cipuri și orice altceva pe o alta. Designul chipletului este în opoziție cu designul monolitic tradițional, în care toate funcțiile CPU există pe un singur cip. Chipulele cu nuclee se numesc Core Complex Dies (sau CCD), care pot conține unul sau două CCX-uri, iar chipleții cu orice altceva sunt I/O Dies (sau IOD-uri).

Există multe beneficii cu chipleturile care se aliniază cu obiectivul AMD de a construi CPU-uri în mod economic. În primul rând, este mai ieftin să faci o mulțime de jetoane mici, spre deosebire de una mare, cu aceleași caracteristici. În al doilea rând, face ușor să faci procesoare cu un număr foarte mare de nuclee, deoarece tot ce trebuie să faci este să adaugi mai multe cipuri. Poate cel mai mare avantaj este flexibilitatea, deoarece AMD este capabil să acopere aproape întreaga piață desktop și servere cu un fel de CCD și două tipuri de IOD. AMD are acum și chipleturi cache numite 3D V-Cache pentru și mai multă flexibilitate și personalizare.

Cea mai recentă inovație a AMD este introducerea unor variante mai dense de nuclee Zen cu Zen 4c. Aceste versiuni dense ale arhitecturii Zen sunt complet identice cu versiunile obișnuite cu excepția faptului că sunt mult mai mici, permițând CCD-ului AMD Zen 4c cu 16 nuclee să aibă aceeași dimensiune ca și Zen cu opt nuclee. 4 CCD. Cu toate acestea, acea densitate crescută împiedică nucleele de tip c să atingă vitezele de ceas pe care le pot face nucleele obișnuite. Acest lucru face ca nucleele Zen C-variant să fie mai preferate pentru procesoarele cu număr mare de nuclee care nu au nevoie de performanțe grozave cu un singur thread.

Aceste tipuri de nuclee sunt utile și pentru aplicațiile consumatorilor. APU Phoenix 2 de la AMD combină un Zen 4 CCX cu două nuclee cu un Zen 4c CCX cu patru nuclee, primul care combină CCX-uri de dimensiuni diferite. Folosirea a două nuclee diferite se numește arhitectură hibridă, iar întreaga idee este că obișnuit nucleele sunt folosite pentru sarcinile de lucru cu un singur thread, în timp ce nucleele de tip c ajută în mai multe fire. sarcinile de lucru. În timp ce acest cip pare neobișnuit de specializat pentru AMD, de fapt poate fi folosit și pentru APU-uri Ryzen de gamă inferioară în cazul în care cipul Phoenix non-hibrid nu este disponibil.

Cu arhitectura Zen, AMD s-a concentrat în mod deosebit pe cum să acopere piața în cel mai larg mod fără pierderea timpului și a resurselor în dezvoltarea procesoarelor, ceea ce AMD nu își poate permite să facă din cauza dimensiunilor sale relativ mici. În loc să trateze fiecare segment al industriei de calcul în mod diferit, AMD utilizează o abordare generalizată și dezvoltă doar câteva modele și cipuri individuale pentru a acoperi totul. În timp ce Intel a realizat patru modele pentru Alder Lake, care acopereau doar desktop-uri și laptop-uri, AMD a avut un singur design Zen 3 CCX folosit pentru procesoare desktop, laptop și server.

Viitorul Zen

Fiind o companie atât de inovatoare și inteligentă, nu este niciodată ușor să ghiciți ce va face AMD în continuare. AMD și-a dezvăluit planurile de a lansa procesoarele Zen 5 în 2024, dar dincolo de asta nu știm nimic sigur. Poate că vom vedea că AMD oferă o gamă mai largă de procesoare hibride, poate chiar unele care combină CCD-uri obișnuite și variante c pentru a oferi cele mai bune din ambele lumi pentru desktop-uri și servere.

De asemenea, nu putem ignora concurenții AMD, în principal Intel și Arm, când vine vorba de viitorul Zen. În timp ce Zen este fără îndoială o arhitectură bună, o mare parte din succesul AMD de la introducerea arhitecturii Zen originale se datorează greșelilor strategice ale Intel din anii 2010. Dar nu numai că Intel și-a montat în sfârșit propria revenire, ci și un nou challenger se apropie, în timp ce Arm se strecoară în computere și servere. Dacă AMD dorește să-și păstreze și să-și îmbunătățească poziția, Zen va trebui să se îmbunătățească în fiecare generație.