AMD-jeva arhitektura Zen: osnove AMD-jevih procesorjev Zen 4

AMD se je leta 2017 močno vrnil na zadnji strani svojega procesorji Ryzen, ki so še vedno nekatere od najboljše, kar lahko kupite danes, in vse to je bilo mogoče zaradi povsem nove arhitekture Zen podjetja. Uspeh Zena je spremenil AMD iz skorajda bankrota v eno najuglednejših tehnoloških podjetij na svetu, vse v razponu šestih let. To je zgodba o zenu, kako je rešil AMD in kakšna bi lahko bila prihodnost zena.

Kratka zgodovina zena

V poznih 2000-ih AMD ni imel sreče. Le nekaj let pred tem se je zdelo, da bodo njegovi legendarni namizni procesorji Athlon in strežniški procesorji Opteron premagali Intel, vendar je sčasoma AMD izgubil nadzor in Intel je popravil svoje dejanje. AMD-jevi procesorji Phenom se preprosto niso kosali z Intelovo arhitekturo Core in nekaj je bilo treba spremeniti, če je AMD želel znova doseči vodstvo. Tako se je podjetje odločilo razviti to arhitekturo, imenovano Bulldozer, in stavilo, da so večnitne delovne obremenitve prihodnost računalništva.

Buldožer ni bil le slab, to je bila objektivno najslabša stvar, ki si jo je AMD kdaj izmislil. Njegova enonitna zmogljivost je bila slaba (prva generacija FX čipov je bila dejansko počasnejša od procesorjev Phenom II so zamenjali), porabil je na tone energije in na koncu dneva je bilo njegovo večnitno delovanje najboljše povprečen. Naslednjih šest let bi moral AMD preživeti s to grozno arhitekturo, medtem ko je Intel dosegel vrhunec svoje nadvlade.

Skoraj takoj po debaklu Buldožerja je AMD ugotovil, da preprosta predelava ne bo pomagala, in začel delati na povsem novi arhitekturi. Ta arhitektura bi se zgledovala po Intelovi: visoka enonitna zmogljivost, industrijsko tipična jedra in niti ter vrsta prilagodljivosti, zaradi katere je bil primeren za vse, od najcenejših potrošniških procesorjev do strežnikov najvišjega razreda čips. AMD je pozneje to arhitekturo poimenoval Zen, lansiranje njegovih prvih procesorjev Zen leta 2017 pa je pomenilo novo začetek za AMD, in čeprav se Zen ni mogel povsem primerjati z Intelovo arhitekturo Core, ni bilo daleč izklopljeno.

Čeprav so računalniška industrija, navdušenci nad procesorji in celo sam AMD pričakovali, da bo pot do vodstva v zmogljivosti dolga, je bila v resnici precej kratka. Zen 2, naslednik Zena, je bil predstavljen leta 2019 in je šokiral skoraj vse, ko je Intel odpihnil iz vode. AMD je pridobil veliko prednost pri večnitni zmogljivosti v skoraj vseh segmentih, imel je znatno boljšo energijsko učinkovitost v tako rekoč vsako delovno obremenitev in je celo presegel Intel v enonitni zmogljivosti, česar AMD ni zmogel več kot desetletje.

Od tu je pot za AMD postala lažja. Trg strežnikov je bil (in je še vedno) najpomembnejše področje, na katerem je AMD dosegel napredek v času, ko je leta 2020 izšel Zen 3, je AMD nadzoroval 7 % trga, medtem ko je bil pred prihodom Zen skoraj 0 %. ven. To je bilo še toliko lažje zaradi tega, ker je Intel popolnoma zajebal svoje načrte za lansiranje zmogljivih 10nm procesorjev, zaradi česar se je AMD moral soočiti z zastarelimi in praktično zastarelimi 14nm čipi, ki so nekaj najslabšega, kar jih je Intel naredil.

Do konca leta 2021 pa se je Intel končno zbral in lansiral svoje 10nm čipe Alder Lake. Postalo je precej jasno, da je AMD izgubil sled na trgu in se preveč zapletel v svojo vodilno vlogo v zmogljivosti, saj Intel ni imel konkurenca pod mejo 300 USD na namizju, saj se AMD ni nikoli trudil lansirati proračunskih čipov Ryzen 5000, dokler Intel ni prisilil težava. Meseci po predstavitvi Alder Lakea so bili za AMD nekoliko težki, vendar je še vedno imel prednost na trgu strežnikov in je ponovno prevzel vodilno vlogo v igrah zahvaljujoč Ryzen 7 5800X3D in njegovemu 3D V-Cache.

Danes je Zen na svoji četrti večji ponovitvi, saj je bil Zen 4 predstavljen konec leta 2022 z Serija Ryzen 7000 in Epyc 4. generacije. Ta najnovejša različica arhitekture Zen je osredotočena na visoko zmogljivost, kar je v popolnem nasprotju z izvirno arhitekturo Zen, ki se je osredotočala na večjo vrednost. Čeprav je Zen 4 bistveno drugačen od prvotnega Zen-a, obstajajo nekatere osnove, ki jih AMD še ni opustil in jih verjetno še nekaj časa ne bo.

CCX-ji, čipleti in jedra

Medtem ko je AMD v preteklih letih marsikaj izboljšal v svoji arhitekturi Zen, je o Zen veliko stvari ki so bili v osnovi resnični že od samega začetka, in nekaj novih stvari, ki bodo oblikovale zen naprej. Govorim o CCX, čipletih in jedrih, temeljnih vidikih sodobnih čipov Zen.

Arhitektura Zen je zmogljiva, vendar ni tako prilagodljiva kot konkurenčni modeli podjetij, kot je Intel. Medtem ko je najmanjši gradnik v večini procesorjev jedro, je za Zen Core Complex ali CCX. CCX je skupina jeder in lahko vsebuje (v času pisanja) dve, štiri ali osem jeder, ima lasten predpomnilnik L3 in deluje z drugimi CCX-ji v istem CPU. CCX je v bistvu polni CPU zase, kar je dobro in slabo. Vsak CCX je sam po sebi zelo zmogljiv, vendar komunikacija med CCX traja precej časa, kar zmanjša zmogljivost.

Za AMD je zaradi splošne narave CCX težko ponuditi določeno število jeder. Na primer, če AMD želi izdelati šestjedrni CPE, ne more razviti kar čipa s šestimi jedri, ker AMD nima šestjedrnega CCX. Sprva je imel AMD samo štirijedrni CCX, zato je moral vzeti čip z dvema od teh CCX in onemogočiti jedro na vsakem, da bi dobil šestjedrni CPE. Danes AMD vzame čip z osemjedrnim CCX in na njem onemogoči dve jedri, da se zmanjša na šest. Tehnično lahko AMD kombinira CCX različnih velikosti, da dobi več možnosti, vendar bom o tem razpravljal kasneje.

Z Zen 2 je AMD razvil čiplete, da bi bil Zen še močnejši. Medtem ko je prvotna arhitektura Zen preprosto združila več procesorjev, da bi dosegla večje število jeder, je Zen 2 čipleta sta uvedla radikalen koncept s tem, da sta jedra CPU postavila na lastne čipe in vse ostalo na drugo. Zasnova čipleta je v nasprotju s tradicionalno monolitno zasnovo, v kateri so vse funkcije procesorja na enem samem čipu. Čipleti z jedri se imenujejo Core Complex Dies (ali CCD-ji), ki lahko vsebujejo enega ali dva CCX-ja, čipleti z vsem ostalim pa so I/O-ji (ali IOD).

Čipleti imajo številne prednosti, ki so v skladu z AMD-jevim ciljem varčne gradnje procesorjev. Prvič, ceneje je narediti veliko majhnih čipov v primerjavi z velikimi z enakimi lastnostmi. Drugič, olajša izdelavo procesorjev z izjemno velikim številom jeder, saj morate samo dodati več čipov. Morda je največja prednost prilagodljivost, saj lahko AMD pokrije tako rekoč celoten trg namizij in strežnikov z eno vrsto CCD in dve vrsti IOD. AMD ima zdaj tudi predpomnilniške čiplete, imenovane 3D V-Cache, za še večjo prilagodljivost in prilagoditev.

AMD-jeva zadnja inovacija je uvedba gostejših različic jeder Zen z Zen 4c. Te zgoščene različice arhitekture Zen so popolnoma enake navadnim različicam le da so precej manjši, kar omogoča, da je AMD-jev 16-jedrni Zen 4c CCD enake velikosti kot osemjedrni Zen 4 CCD. Vendar ta povečana gostota preprečuje, da bi jedra c-tipa dosegla taktne hitrosti, kot jih lahko navadna jedra. Zaradi tega so jedra različice Zen c bolj zaželena za procesorje z velikim številom jeder, ki ne potrebujejo odlične enonitne zmogljivosti.

Tovrstna jedra so uporabna tudi za potrošniške aplikacije. AMD-jev Phoenix 2 APU združuje dvojedrni Zen 4 CCX s štirijedrnim Zen 4c CCX, prvi, ki združuje CCX različnih velikosti. Uporaba dveh različnih jeder se imenuje hibridna arhitektura, celotna ideja pa je običajna jedra se uporabljajo za enonitne delovne obremenitve, medtem ko jedra tipa c pomagajo pri večnitnih delovne obremenitve. Čeprav je ta čip videti neobičajno specializiran za AMD, ga je dejansko mogoče uporabiti tudi za APU-je nižjega cenovnega razreda Ryzen, če nehibridni čip Phoenix ni na voljo.

Z arhitekturo Zen se je AMD osredotočil izključno na to, kako pokriti trg na najširši način brez izguba časa in sredstev za razvoj procesorjev, česar si AMD zaradi relativno majhne velikosti ne more privoščiti. Namesto da bi vsak segment računalniške industrije obravnaval drugače, AMD uporablja splošen pristop in razvije le nekaj modelov in posameznih čipov, ki pokrivajo vse. Medtem ko je Intel izdelal štiri zasnove za Alder Lake, ki so pokrivali samo namizne in prenosne računalnike, je imel AMD en sam dizajn Zen 3 CCX, ki se uporablja za namizne, prenosne in strežniške procesorje.

Prihodnost zena

Ker gre za tako inovativno in pametno podjetje, nikoli ni lahko uganiti, kaj bo AMD naredil naslednje. AMD je razkril svoje načrte za lansiranje procesorjev Zen 5 leta 2024, vendar več kot to ne vemo ničesar zagotovo. Morda bomo videli, da bo AMD ponudil širšo ponudbo hibridnih procesorjev, morda celo nekaj, ki združujejo običajne in c-variantne CCD-je, da bi ponudili najboljše iz obeh svetov za namizne računalnike in strežnike.

Prav tako ne moremo prezreti AMD-jevih konkurentov, predvsem Intel in Arm, ko gre za prihodnost Zena. Medtem ko je Zen nedvomno dobra arhitektura, je velik del AMD-jevega uspeha od uvedbe originalne arhitekture Zen posledica Intelovih strateških napak v letih 2010. Toda ne le, da se je Intel končno vrnil, se bliža nov izzivalec, ko se Arm prikrade v osebne računalnike in strežnike. Če želi AMD obdržati in izboljšati svoj položaj, bo moral Zen postajati boljši vsako generacijo.