AMD: s Zen-arkitektur: grunderna för AMD: s Zen 4-processorer

AMD gjorde sin stora comeback redan 2017 på baksidan av sin Ryzen processorer, som fortfarande är några av de bästa du kan köpa idag, och allt var möjligt tack vare företagets helt nya Zen-arkitektur. Framgången med Zen förvandlade AMD från att vara nästan bruten till ett av de mest framstående teknikföretagen i världen, allt inom sex år. Det här är historien om Zen, hur det räddade AMD och hur Zens framtid kan se ut.

En kort historia om Zen

I slutet av 2000-talet var AMD nere på sin tur. Bara några år tidigare verkade dess legendariska Athlon-dator- och Opteron-server-CPU: er redo att störta Intel, men så småningom tappade AMD greppet och Intel gjorde rent. AMDs Phenom-processorer skar helt enkelt inte det mot Intels Core-arkitektur, och något behövde förändras om AMD ville ha en chans på ledarskapet igen. Så företaget bestämde sig för att utveckla den här arkitekturen som heter Bulldozer och satsade på att flertrådiga arbetsbelastningar var framtiden för datoranvändning.

Bulldozer var inte bara dålig, det var objektivt sett det värsta AMD någonsin kom på. Dess entrådiga prestanda var skräp (första generationens FX-chips var faktiskt långsammare än Phenom II-processorerna de ersatte), den förbrukade massor av ström, och i slutet av dagen var dess flertrådiga prestanda i bästa fall medelmåttig. Under de kommande sex åren skulle AMD behöva livnära sig på denna hemska arkitektur medan Intel nådde toppen av sin överlägsenhet.

Nästan omedelbart efter Bulldozer-debaclet insåg AMD att en enkel omarbetning inte skulle klippa det och började arbeta på en helt ny arkitektur. Denna arkitektur skulle vara modellerad efter Intels: hög enkeltrådig prestanda, industritypiska kärnor och trådar, och den typ av flexibilitet som gjorde den lämplig för allt från de lägsta konsumentprocessorerna till den högsta servern pommes frites. AMD döpte senare denna arkitektur till Zen, och lanseringen av dess första Zen-processorer 2017 markerade en ny börjar för AMD, och även om Zen inte riktigt kunde jämföra med Intels Core-arkitektur, var det inte långt av.

Medan datorindustrin, CPU-entusiaster och till och med AMD själv förväntade sig att vägen till prestandaledarskap skulle vara lång, var den faktiskt ganska kort. Zen 2, efterföljaren till Zen, lanserades 2019 och chockade i stort sett alla genom att blåsa upp Intel ur vattnet. AMD tog ett enormt försprång i flertrådsprestanda i nästan alla segment, hade betydligt bättre energieffektivitet i praktiskt taget varje arbetsbelastning, och till och med överträffade Intel i enkeltrådsprestanda, vilket AMD inte hade kunnat göra på över ett decennium.

Härifrån blev vägen bara lättare för AMD. Servermarknaden var (och är fortfarande) det viktigaste området för AMD att göra framsteg inom och av när Zen 3 kom ut 2020 kontrollerade AMD 7 % av marknaden, upp från nästan 0 % innan Zen kom ut. Detta gjordes desto enklare tack vare hur Intel fullständigt skruvade upp sina planer på att lansera kraftfulla 10nm-processorer, vilket lämnade AMD att möta föråldrade och praktiskt taget föråldrade 14nm-chips, som är några av de sämsta Intel någonsin har gjort.

I slutet av 2021 tog Intel äntligen ihop sig och lanserade sina 10nm Alder Lake-chips. Det blev ganska tydligt att AMD tappade koll på marknaden och blev alltför fast i sitt prestandaledarskap, eftersom Intel inte hade något konkurrens under $300-strecket på skrivbordet eftersom AMD aldrig brytt sig om att lansera budget Ryzen 5000-chips tills Intel tvingade problem. Månaderna efter lanseringen av Alder Lake var lite tuffa för AMD, men den hade fortfarande övertaget på servermarknaden och återtog spelledningen tack vare Ryzen 7 5800X3D och dess 3D V-cache.

Idag är Zen på sin fjärde stora iteration, med Zen 4 som lanserades i slutet av 2022 med Ryzen 7000-serien och Epyc 4:e generationen. Den här senaste versionen av Zen-arkitekturen är fokuserad på hög prestanda, vilket står i skarp kontrast till den ursprungliga Zen-arkitekturen, som fokuserade på bättre värde. Även om Zen 4 skiljer sig markant från den ursprungliga Zen, finns det några grunder som AMD inte har släppt taget om än och kommer förmodligen inte att vara det på ett tag.

CCX, chiplets och kärnor

Medan AMD under åren har förbättrat många saker i sin Zen-arkitektur, finns det massor av saker om Zen som har varit i grunden sanna sedan början, och några nya saker som kommer att forma Zen fram. Jag pratar om CCX, chiplets och cores, de grundläggande aspekterna av moderna Zen-chips.

Zen-arkitekturen är kraftfull, men den är inte riktigt lika flexibel som konkurrerande design från företag som Intel. Medan den minsta byggstenen i de flesta CPU: er är kärnan, är det för Zen Core Complex, eller CCX. En CCX är ett kluster av kärnor och kan innehålla (i skrivande stund) två, fyra eller åtta kärnor, har sin egen L3-cache och fungerar med andra CCX: er i samma CPU. En CCX är i grunden en full CPU för sig själv, vilket är både bra och dåligt. Varje CCX är mycket kapabel på egen hand, men kommunikation mellan CCX: er tar en betydande tid, vilket minskar prestandan.

För AMD gör den generaliserade karaktären hos CCX det utmanande att erbjuda vissa kärnvärden. Till exempel, om AMD vill göra en sexkärnig CPU kan den inte bara utveckla ett chip med sex kärnor, eftersom AMD inte har en sexkärnig CCX. Från början hade AMD bara den fyrkärniga CCX, så den behövde ta ett chip med två av dessa CCX och inaktivera en kärna på varje för att få en sexkärnig CPU. Idag tar AMD ett chip med en åttakärnig CCX och inaktiverar två kärnor på det för att komma ner till sex. Tekniskt sett kan AMD kombinera CCX: er av olika storlekar för att få fler alternativ, men jag kommer att diskutera det senare.

Med Zen 2 utvecklade AMD chiplets för att göra Zen ännu kraftfullare. Medan den ursprungliga Zen-arkitekturen helt enkelt sammanfogade flera processorer för att uppnå högre kärnantal, Zen 2 chiplets introducerade ett radikalt koncept genom att sätta CPU-kärnorna på sina egna chips och allt annat på annan. Chipletdesign står i motsats till traditionell monolitisk design, där alla CPU-funktioner finns på ett enda chip. Chiplets med kärnorna kallas Core Complex Dies (eller CCDs), som kan innehålla antingen en eller två CCXs, och chiplets med allt annat är I/O Dies (eller IODs).

Det finns många fördelar med chiplets som ligger i linje med AMD: s mål att bygga processorer sparsamt. För det första är det billigare att göra många små marker i motsats till en stor med samma egenskaper. För det andra gör det det enkelt att göra processorer med superhöga kärnanal eftersom allt du behöver göra är att lägga till fler chips. Den kanske största fördelen är flexibiliteten, eftersom AMD kan täcka i stort sett hela desktop- och servermarknaden med en typ av CCD och två typer av IOD. AMD har också nu cache-chiplets som kallas 3D V-Cache för ännu mer flexibilitet och anpassning.

AMD: s senaste innovation är introduktionen av tätare varianter av Zen-kärnor med Zen 4c. Dessa täta versioner av Zen-arkitekturen är helt identiska med de vanliga versionerna förutom att de är mycket mindre, vilket gör att AMD: s 16-kärniga Zen 4c CCD kan ha samma storlek som den åttakärniga Zen 4 CCD. Den ökade densiteten förhindrar dock kärnor av c-typ från att nå de klockhastigheter som vanliga kärnor kan. Detta gör Zen c-variant-kärnor mer föredragna för processorer med högt antal kärnor som inte behöver stor entrådig prestanda.

Dessa typer av kärnor är också användbara för konsumenttillämpningar. AMD: s Phoenix 2 APU kombinerar en tvåkärnig Zen 4 CCX med en fyrkärnig Zen 4c CCX, den första att kombinera CCX: er av olika storlekar. Att använda två olika kärnor kallas hybridarkitektur, och hela tanken är att den vanliga kärnor används för enkeltrådade arbetsbelastningar medan kärnorna av c-typ hjälper till med flertrådiga arbetsbelastningar. Även om detta chip ser ovanligt specialiserat ut för AMD, kan det faktiskt också användas för Ryzen APU: er i lägre ände om det icke-hybrida Phoenix-chippet inte är tillgängligt.

Med Zen-arkitekturen har AMD varit särskilt fokuserat på hur man täcker marknaden på det bredaste sättet utan slösar tid och resurser på att utveckla processorer, vilket AMD inte har råd att göra på grund av sin relativt lilla storlek. Istället för att behandla varje segment av datorindustrin på olika sätt, använder AMD ett generaliserat tillvägagångssätt och utvecklar bara ett fåtal designs och individuella chips för att täcka allt. Medan Intel gjorde fyra konstruktioner för Alder Lake, som endast täckte stationära och bärbara datorer, hade AMD en enda Zen 3 CCX-design som användes för stationära, bärbara och server-CPU: er.

Zens framtid

Eftersom det är ett så innovativt och smart företag är det aldrig lätt att gissa vad AMD kommer att göra härnäst. AMD har avslöjat sina planer på att lansera Zen 5-processorer 2024, men utöver det vet vi inget säkert. Kanske kommer vi att se AMD erbjuda en bredare spridning av hybrid-CPU: er, kanske till och med några som kombinerar vanliga CCD: er och c-varianter för att erbjuda det bästa av två världar för stationära datorer och servrar.

Vi kan inte heller ignorera AMD: s konkurrenter, främst Intel och Arm, när det kommer till Zens framtid. Även om Zen onekligen är en bra arkitektur, är mycket av AMD: s framgångar sedan introduktionen av den ursprungliga Zen-arkitekturen tack vare Intels strategiska misstag under 2010-talet. Men inte bara har Intel äntligen fått sin egen comeback, en ny utmanare närmar sig när Arm smyger sig in på datorer och servrar. Om AMD vill behålla och förbättra sin position måste Zen bli bättre för varje generation.