Архитектура AMD Zen: основы процессоров AMD Zen 4

AMD совершила большое возвращение в 2017 году на фоне своего Процессоры Райзен, которые до сих пор являются одними из лучшее, что вы можете купить сегодня, и все это стало возможным благодаря совершенно новой архитектуре Zen компании. Успех Zen превратил AMD из почти разорившейся в одну из самых выдающихся технологических компаний в мире всего за шесть лет. Это история Zen, как он спас AMD и каким может быть будущее Zen.

Краткая история дзэн.

В конце 2000-х AMD не повезло. Всего несколько лет назад ее легендарные процессоры Athlon для настольных ПК и серверные процессоры Opteron, казалось, были готовы свергнуть Intel, но в конце концов AMD потеряла контроль, и Intel исправила свои действия. Процессоры AMD Phenom просто не шли ни в какое сравнение с архитектурой Intel Core, и что-то нужно было изменить, если AMD хотела снова попытаться стать лидером. Итак, компания решила разработать эту архитектуру под названием Bulldozer и сделала ставку на то, что многопоточные рабочие нагрузки — это будущее вычислений.

Бульдозер был не просто плох, это было объективно худшее, что AMD когда-либо придумывала.. Его однопоточная производительность была мизерной (чипы FX первого поколения были на самом деле медленнее, чем процессоры Phenom II). они заменили), он потреблял тонны энергии, и в конце дня его многопоточная производительность была в лучшем случае посредственный. В течение следующих шести лет AMD придется существовать на этой ужасной архитектуре, в то время как Intel достигнет пика своего превосходства.

Почти сразу после фиаско с Bulldozer AMD поняла, что простая переделка не поможет, и начала работу над совершенно новой архитектурой. Эта архитектура будет смоделирована по образцу архитектуры Intel: высокая однопоточная производительность, типичные для отрасли ядра и потоки и такая гибкость, которая сделала его подходящим для всего, от самых младших потребительских процессоров до самых мощных серверов. чипсы. Позже AMD назвала эту архитектуру Zen, а выпуск первых процессоров Zen в 2017 году ознаменовал новую начала для AMD, и хотя Zen нельзя было сравнить с архитектурой Intel Core, это было недалеко. выключенный.

Хотя компьютерная индустрия, энтузиасты процессоров и даже сама AMD ожидали, что путь к лидерству по производительности будет долгим, на самом деле он оказался довольно коротким. Zen 2, преемник Zen, был запущен в 2019 году и шокировал почти всех, выбив Intel из воды. AMD добилась значительного лидерства в многопоточной производительности практически во всех сегментах, значительно улучшила энергоэффективность в практически для любой рабочей нагрузки и даже превзошла Intel по однопоточной производительности, чего AMD не могла добиться более десяти лет.

Отсюда дорога для AMD стала проще. Рынок серверов был (и остается) самой важной областью, в которой AMD могла добиться прогресса. Когда в 2020 году вышел Zen 3, AMD контролировала 7% рынка по сравнению с почти 0% до появления Zen. вне. Это стало еще проще благодаря тому, что Intel полностью провалила свои планы по выпуску мощных 10-нм процессоров, оставив AMD один на один с устаревшими и практически устаревшими 14-нм чипами, которые являются одними из худших, которые Intel когда-либо делал.

Однако к концу 2021 года Intel, наконец, собралась и выпустила свои 10-нм чипы Alder Lake. Стало совершенно ясно, что AMD потеряла след на рынке и слишком увлеклась своим лидерством в производительности, поскольку у Intel не было конкуренция ниже отметки в 300 долларов на настольных ПК, поскольку AMD никогда не беспокоилась о выпуске бюджетных чипов Ryzen 5000, пока Intel не заставила проблема. Месяцы после запуска Alder Lake были немного трудными для AMD, но она по-прежнему держала верх на рынке серверов и вернула лидерство в играх благодаря Ryzen 7 5800X3D и его 3D V-кэш.

Сегодня Zen находится на четвертой крупной итерации: Zen 4 был запущен в конце 2022 года с Серия Райзен 7000 и Epyc 4-го поколения. Эта последняя версия архитектуры Zen ориентирована на высокую производительность, что резко контрастирует с исходной архитектурой Zen, ориентированной на лучшее соотношение цены и качества. Хотя Zen 4 значительно отличается от оригинального Zen, есть некоторые основные принципы, от которых AMD еще не отказалась и, вероятно, не откажется от них в течение некоторого времени.

CCX, чиплеты и ядра

Несмотря на то, что AMD за прошедшие годы улучшила многие аспекты своей архитектуры Zen, в Zen есть много чего интересного. которые были в основе своей верными с самого начала, и несколько новых вещей, которые будут формировать движение Дзэн. вперед. Я говорю о CCX, чипсетах и ​​ядрах, фундаментальных аспектах современных чипов Zen.

Архитектура Zen мощная, но не такая гибкая, как конкурирующие разработки таких компаний, как Intel. В то время как наименьшим строительным блоком в большинстве ЦП является ядро, для Zen это Core Complex или CCX. CCX представляет собой кластер ядер и может содержать (на момент написания статьи) два, четыре или восемь ядер, имеет собственный кэш L3 и работает с другими CCX на одном ЦП. CCX, по сути, представляет собой полноценный ЦП, что одновременно и хорошо, и плохо. Каждая CCX сама по себе очень функциональна, но обмен данными между CCX занимает значительное время, что снижает производительность.

Для AMD общий характер CCX затрудняет предложение определенного количества ядер. Например, если AMD хочет создать шестиядерный процессор, она не может просто разработать чип с шестью ядрами, потому что у AMD нет шестиядерного CCX. Изначально у AMD был только четырехъядерный CCX, поэтому нужно было взять чип с двумя такими CCX и отключить ядро ​​на каждом, чтобы получить шестиядерный процессор. Сегодня AMD берет чип с восьмиядерным CCX и отключает на нем два ядра, чтобы сократить число ядер до шести. Технически AMD может комбинировать CCX разных размеров, чтобы получить больше возможностей, но об этом я расскажу позже.

В Zen 2 AMD разработала чиплеты, чтобы сделать Zen еще более мощным. В то время как исходная архитектура Zen просто объединяла несколько процессоров для достижения большего количества ядер, Zen 2 представила радикальную концепцию, поместив ядра ЦП на собственные чипы, а все остальное на другой. Чиплетная конструкция противостоит традиционной монолитной конструкции, в которой все функции ЦП выполняются на одном кристалле. Чипсеты с ядрами называются Core Complex Dies (или CCD), которые могут содержать один или два CCX, а чиплеты со всем остальным называются I/O Dies (или IOD).

У чиплетов есть много преимуществ, которые соответствуют цели AMD по бережливому производству процессоров. Во-первых, дешевле сделать много маленьких чипов, чем один большой с теми же характеристиками. Во-вторых, это упрощает создание процессоров со сверхвысоким числом ядер, поскольку все, что вам нужно сделать, это добавить больше чипов. Возможно, самым большим преимуществом является гибкость, поскольку AMD способна покрыть практически весь рынок настольных компьютеров и серверов. один вид CCD и два вида IOD. У AMD теперь также есть микросхемы кэш-памяти, называемые 3D V-Cache, для еще большей гибкости и настройка.

Последней инновацией AMD является введение более плотных вариантов ядер Zen в Zen 4c. Эти плотные версии архитектуры Zen полностью идентичны обычным версиям. за исключением того, что они намного меньше, что позволяет 16-ядерной ПЗС-матрице AMD Zen 4c иметь тот же размер, что и восьмиядерная Zen 4 ПЗС. Однако эта повышенная плотность не позволяет ядрам c-типа достигать тактовых частот, которые могут обычные ядра. Это делает ядра Zen c-варианта более предпочтительными для процессоров с большим количеством ядер, которым не требуется высокая однопоточная производительность.

Такие ядра также полезны для потребительских приложений. APU AMD Phoenix 2 сочетает в себе двухъядерный Zen 4 CCX с четырехъядерным Zen 4c CCX, первый, в котором объединены CCX разных размеров. Использование двух разных ядер называется гибридной архитектурой, и вся идея в том, что обычная ядра используются для однопоточных рабочих нагрузок, а ядра c-типа помогают в многопоточных рабочие нагрузки. Хотя этот чип выглядит необычно специализированным для AMD, на самом деле его также можно использовать для младших APU Ryzen, если негибридный чип Phoenix недоступен.

С архитектурой Zen AMD была сосредоточена исключительно на том, чтобы охватить рынок самым широким образом без трата времени и ресурсов на разработку процессоров, что AMD не может себе позволить из-за своего относительно небольшого размера. Вместо того, чтобы рассматривать каждый сегмент компьютерной индустрии по-разному, AMD использует общий подход и разрабатывает лишь несколько конструкций и отдельных микросхем, чтобы охватить все. В то время как Intel разработала четыре дизайна для Alder Lake, которые охватывают только настольные компьютеры и ноутбуки, у AMD была одна конструкция Zen 3 CCX, используемая для процессоров для настольных компьютеров, ноутбуков и серверов.

Будущее дзен

Будучи такой инновационной и умной компанией, никогда не бывает легко угадать, что AMD будет делать дальше. AMD раскрыла свои планы по выпуску процессоров Zen 5 в 2024 году, но кроме этого мы ничего не знаем наверняка. Возможно, мы увидим, что AMD предложит более широкое распространение гибридных процессоров, возможно, даже таких, которые сочетают в себе обычные и C-варианты CCD, чтобы предложить лучшее из обоих миров для настольных компьютеров и серверов.

Мы также не можем игнорировать конкурентов AMD, в основном Intel и Arm, когда речь заходит о будущем Zen. Хотя Zen, несомненно, является хорошей архитектурой, во многом успех AMD с момента появления оригинальной архитектуры Zen объясняется стратегическими ошибками Intel в 2010-х годах. Но не только Intel, наконец, вернулась, но приближается новый претендент, поскольку Arm проникает в ПК и серверы. Если AMD хочет сохранить и улучшить свои позиции, Zen придется совершенствоваться с каждым поколением.