Architektúra Zen AMD: základy procesorov AMD Zen 4

AMD urobilo svoj veľký návrat v roku 2017 na zadnej strane CPU Ryzen, ktoré sú stále niektoré z to najlepšie, čo si dnes môžete kúpiť, a to všetko bolo možné vďaka úplne novej zenovej architektúre spoločnosti. Úspech Zen zmenil AMD z takmer skrachovanej spoločnosti na jednu z najvýznamnejších technologických spoločností na svete, a to všetko v priebehu šiestich rokov. Toto je príbeh Zenu, ako zachránil AMD a ako môže vyzerať budúcnosť Zenu.

Stručná história zenu

Koncom roku 2000 mala spoločnosť AMD šťastie. Len pred niekoľkými rokmi sa zdalo, že jeho legendárne stolné procesory Athlon a serverové procesory Opteron sú pripravené zvrhnúť Intel, ale nakoniec AMD stratilo kontrolu a Intel svoj čin očistil. Procesory Phenom od AMD si to jednoducho nelámali s architektúrou Core Intel a niečo sa muselo zmeniť, ak sa AMD chcelo opäť dostať do vedenia. Preto sa spoločnosť rozhodla vyvinúť túto architektúru s názvom Bulldozer a vsadila na to, že viacvláknové pracovné zaťaženia sú budúcnosťou výpočtovej techniky.

Buldozér nebol len zlý, bolo to objektívne to najhoršie, čo AMD kedy vymyslelo. Jeho jednovláknový výkon bol odpad (čipy FX prvej generácie boli v skutočnosti pomalšie ako CPU Phenom II vymenili), spotreboval tony energie a na konci dňa bol jeho viacvláknový výkon prinajlepšom priemerný. Nasledujúcich šesť rokov by sa AMD muselo živiť touto hroznou architektúrou, kým Intel dosiahol vrchol svojej nadvlády.

Takmer okamžite po debakli buldozéra si AMD uvedomilo, že jednoduchým prepracovaním to nevyrieši a začalo pracovať na úplne novej architektúre. Táto architektúra by bola modelovaná podľa Intelu: vysoký jednovláknový výkon, jadrá a vlákna typické pre odvetvie a druh flexibility, vďaka ktorému je vhodný pre všetko, od procesorov najnižšej triedy až po server najvyššej triedy lupienky. AMD neskôr pomenovalo túto architektúru Zen a spustenie jej prvých procesorov Zen v roku 2017 znamenalo novinku začiatok pre AMD, a hoci sa Zen nemohol celkom porovnávať s architektúrou Core od Intelu, nebolo to ďaleko vypnuté.

Zatiaľ čo výpočtový priemysel, nadšenci CPU a dokonca aj samotná AMD očakávali, že cesta k vedúcemu postaveniu bude dlhá, v skutočnosti bola dosť krátka. Zen 2, nástupca Zen, bol uvedený na trh v roku 2019 a šokoval takmer každého tým, že vyhodil Intel z vody. AMD získala obrovský náskok vo výkone s viacerými vláknami v takmer každom segmente a mala výrazne lepšiu energetickú účinnosť prakticky pri každom zaťažení a dokonca prekonal Intel vo výkone s jedným vláknom, čo AMD nedokázalo viac ako desaťročie.

Odtiaľto bola cesta pre AMD jednoduchšia. Trh serverov bol (a stále je) pre AMD najdôležitejšou oblasťou, v ktorej a v ktorej dosahovala pokrok V čase, keď vyšiel Zen 3 v roku 2020, AMD ovládalo 7 % trhu, čo je nárast oproti takmer 0 % pred príchodom Zen. von. Bolo to o to jednoduchšie, že Intel úplne pokazil svoje plány na uvedenie výkonných 10nm procesorov, takže AMD muselo čeliť zastaraným a prakticky zastaraným 14nm čipom, ktoré sú jedny z najhorších, aké kedy Intel vyrobil.

Do konca roku 2021 sa však Intel konečne dal dokopy a uviedol na trh svoje 10nm čipy Alder Lake. Bolo celkom jasné, že AMD stratilo prehľad o trhu a príliš sa chytilo svojho vedúceho postavenia vo výkone, keďže Intel nemal žiadne konkurencia pod hranicou 300 dolárov na stolných počítačoch, pretože AMD sa nikdy neobťažovalo uvádzaním lacných čipov Ryzen 5000, kým Intel nevynútil problém. Mesiace po uvedení Alder Lake boli pre AMD trochu drsné, ale stále mala navrch na trhu serverov a vďaka Ryzen 7 5800X3D a jeho 3D V-Cache.

Dnes je Zen na svojej štvrtej veľkej iterácii, pričom Zen 4 bol uvedený na trh koncom roka 2022 Rad Ryzen 7000 a Epyc 4. generácie. Táto najnovšia verzia architektúry Zen je zameraná na vysoký výkon, čo je v ostrom kontraste s pôvodnou architektúrou Zen, ktorá sa zameriavala na lepšiu hodnotu. Aj keď je Zen 4 výrazne odlišný od pôvodného Zen, je tu niekoľko zásad, ktoré AMD zatiaľ nepustilo a zrejme ešte nejaký čas nebude.

CCX, chiplety a jadrá

Zatiaľ čo AMD v priebehu rokov vylepšilo veľa vecí vo svojej architektúre Zen, na Zen je veľa vecí ktoré sú v zásade pravdivé od samého začiatku a niekoľko nových vecí, ktoré budú formovať chod zenu dopredu. Hovorím o CCX, čipletoch a jadrách, základných aspektoch moderných čipov Zen.

Architektúra Zen je výkonná, ale nie je taká flexibilná ako konkurenčné návrhy od spoločností ako Intel. Zatiaľ čo najmenším stavebným kameňom väčšiny CPU je jadro, pre Zen je to Core Complex alebo CCX. CCX je zhluk jadier a môže obsahovať (v čase písania článku) dve, štyri alebo osem jadier, má vlastnú vyrovnávaciu pamäť L3 a pracuje s inými CCX v rovnakom CPU. CCX je v podstate úplný procesor sám o sebe, čo je dobré aj zlé. Každý CCX je sám o sebe veľmi schopný, ale komunikácia medzi CCX trvá značné množstvo času, čo znižuje výkon.

Pre AMD je kvôli zovšeobecnenej povahe CCX náročné ponúknuť určité počty jadier. Napríklad, ak chce AMD vyrobiť šesťjadrový CPU, nemôže len vyvinúť čip so šiestimi jadrami, pretože AMD nemá šesťjadrový CCX. Spočiatku mala AMD iba štvorjadrový CCX, takže bolo potrebné vziať čip s dvoma z týchto CCX a vypnúť jadro na každom, aby získalo šesťjadrový procesor. Dnes AMD berie čip s osemjadrovým CCX a deaktivuje na ňom dve jadrá, aby sa dostal na šesť. Technicky AMD môže kombinovať CCX rôznych veľkostí, aby získalo viac možností, ale o tom budem diskutovať neskôr.

S Zen 2 vyvinula AMD čiplety, aby bol Zen ešte výkonnejší. Zatiaľ čo pôvodná architektúra Zen jednoducho spojila viacero procesorov, aby sa dosiahol vyšší počet jadier, Zen 2 chiplety zaviedli radikálny koncept umiestnením jadier CPU na vlastné čipy a všetko ostatné ďalší. Chiplet dizajn stojí v opozícii k tradičnému monolitickému dizajnu, v ktorom všetky funkcie CPU existujú na jednom čipe. Čiplety s jadrami sa nazývajú Core Complex Dies (alebo CCD), ktoré môžu obsahovať buď jeden alebo dva CCX a čipy so všetkým ostatným sú I/O Dies (alebo IOD).

Čiplety majú mnoho výhod, ktoré sú v súlade s cieľom spoločnosti AMD, ktorým je šetrná výroba CPU. Po prvé, je lacnejšie vyrábať veľa malých čipov v porovnaní s veľkým s rovnakými vlastnosťami. Po druhé, uľahčuje výrobu procesorov so super vysokým počtom jadier, pretože všetko, čo musíte urobiť, je pridať ďalšie čipy. Azda najväčšou výhodou je flexibilita, keďže AMD dokáže pokryť takmer celý trh desktopov a serverov jeden druh CCD a dva druhy IOD. AMD má teraz tiež čiplety vyrovnávacej pamäte nazývané 3D V-Cache pre ešte väčšiu flexibilitu a prispôsobenie.

Poslednou novinkou AMD je uvedenie hustejších variantov jadier Zen so Zen 4c. Tieto husté verzie architektúry Zen sú úplne totožné s bežnými verziami okrem toho, že sú oveľa menšie, čo umožňuje, aby 16-jadrový CCD Zen 4c od AMD mal rovnakú veľkosť ako osemjadrový Zen 4 CCD. Táto zvýšená hustota však bráni jadrám typu c dosiahnuť rýchlosť hodín, ktorú dokážu bežné jadrá. Vďaka tomu sú jadrá Zen c-variant viac preferované pre procesory s vysokým počtom jadier, ktoré nepotrebujú veľký výkon s jedným vláknom.

Tieto druhy jadier sú užitočné aj pre spotrebiteľské aplikácie. APU Phoenix 2 od AMD kombinuje dvojjadrový Zen 4 CCX so štvorjadrovým Zen 4c CCX, ktorý ako prvý kombinuje CCX rôznych veľkostí. Použitie dvoch rôznych jadier sa nazýva hybridná architektúra a celá myšlienka spočíva v tom, že pravidelné jadrá sa používajú na jednovláknové pracovné zaťaženie, zatiaľ čo jadrá typu c pomáhajú pri viacvláknovom záťaže. Aj keď tento čip vyzerá nezvyčajne špecializovaný pre AMD, v skutočnosti sa dá použiť aj pre APU Ryzen nižšej triedy v prípade, že nie je dostupný nehybridný čip Phoenix.

S architektúrou Zen sa AMD jedinečne zameralo na to, ako pokryť trh čo najširším spôsobom plytvanie časom a zdrojmi pri vývoji procesorov, čo si AMD nemôže dovoliť kvôli svojej relatívne malej veľkosti. Namiesto toho, aby AMD zaobchádzalo s každým segmentom výpočtového priemyslu inak, používa všeobecný prístup a vyvíja len niekoľko návrhov a jednotlivých čipov, ktoré pokrývajú všetko. Zatiaľ čo Intel vytvoril štyri návrhy pre Alder Lake, ktoré pokrývali iba stolné počítače a notebooky, AMD mala jeden dizajn Zen 3 CCX používaný pre stolné počítače, notebooky a serverové CPU.

Budúcnosť zenu

Keďže ide o tak inovatívnu a šikovnú spoločnosť, nikdy nie je ľahké uhádnuť, čo bude AMD robiť ďalej. AMD zverejnilo svoje plány na uvedenie procesorov Zen 5 na trh v roku 2024, no okrem toho nevieme nič isté. Možno uvidíme, že AMD ponúkne širšiu škálu hybridných CPU, možno dokonca niektoré, ktoré kombinujú bežné a C-variantové CCD, aby ponúkli to najlepšie z oboch svetov pre stolné počítače a servery.

Nemôžeme tiež ignorovať konkurentov AMD, najmä Intel a Arm, pokiaľ ide o budúcnosť Zen. Zatiaľ čo Zen je nepopierateľne dobrá architektúra, veľká časť úspechu AMD od uvedenia pôvodnej architektúry Zen je vďaka strategickým chybám Intelu počas 2010-tych rokov. Ale nielenže Intel konečne uskutočnil svoj vlastný comeback, ale nový vyzývateľ sa blíži, pretože Arm sa vkráda do počítačov a serverov. Ak si chce AMD udržať a zlepšiť svoju pozíciu, Zen sa bude musieť každou generáciou zlepšovať.