Архітектура AMD Zen: основи процесорів AMD Zen 4

AMD зробила своє велике повернення в 2017 році на задній частині свого Процесори Ryzen, які все ще є деякими з найкраще, що ви можете купити сьогодні, і все це стало можливим завдяки абсолютно новій архітектурі Zen компанії. Успіх Zen перетворив AMD із майже банкроту в одну з найвидатніших технологічних компаній у світі за шість років. Це історія Zen, як він врятував AMD і яким може бути майбутнє Zen.

Коротка історія дзен

Наприкінці 2000-х AMD не пощастило. Лише кілька років тому здавалося, що її легендарні настільні процесори Athlon і серверні процесори Opteron готові подолати Intel, але зрештою AMD втратила контроль, і Intel відновила свої дії. Процесори AMD Phenom просто не справлялися з архітектурою Intel Core, і потрібно було щось змінити, якщо AMD знову хотіла мати шанси на лідерство. Тож компанія вирішила розробити цю архітектуру під назвою Bulldozer і поспорила, що багатопотокові робочі навантаження — майбутнє комп’ютерів.

Бульдозер був не просто поганим, це було об'єктивно найгірше, що AMD коли-небудь придумала. Його однопотокова продуктивність була поганою (чіпи FX першого покоління були насправді повільнішими за процесори Phenom II вони замінили), він споживав тонни енергії, і, зрештою, його багатопотокова продуктивність була найкращою посередній. Наступні шість років AMD повинна була існувати на цій жахливій архітектурі, поки Intel досягла піку своєї переваги.

Майже одразу після фіаско Bulldozer компанія AMD зрозуміла, що простою переробкою це не вийде, і почала працювати над абсолютно новою архітектурою. Ця архітектура була б змодельована за архітектурою Intel: висока однопотокова продуктивність, типові для галузі ядра та потоки та така гнучкість, яка зробила його придатним для будь-чого, від споживчих процесорів найнижчого класу до серверів найвищого класу чіпси. Пізніше AMD назвала цю архітектуру Zen, а випуск перших процесорів Zen у 2017 році ознаменував новий початок для AMD, і хоча Zen не міг порівнюватися з архітектурою Core від Intel, це було недалеко вимкнено.

Хоча обчислювальна індустрія, ентузіасти процесорів і навіть сама AMD очікували, що шлях до лідерства в продуктивності буде довгим, насправді він був досить коротким. Zen 2, наступник Zen, був запущений у 2019 році та шокував практично всіх, викинувши Intel нанівець. AMD здобула значне лідерство в багатопотоковій продуктивності майже в кожному сегменті, значно вищу енергоефективність у практично будь-яке робоче навантаження і навіть перевершив Intel у однопотоковій продуктивності, чого AMD не могла зробити більше десяти років.

З цього моменту шлях для AMD став легшим. Ринок серверів був (і залишається) найважливішою сферою для прогресу AMD Коли Zen 3 вийшов у 2020 році, AMD контролювала 7% ринку, порівняно з майже 0% до появи Zen поза. Це стало ще простіше завдяки тому, що Intel повністю зірвала свої плани щодо запуску потужних 10-нм процесорів, змусивши AMD протистояти застарілим і практично застарілим 14-нм чіпам, які є одними з найгірших, які коли-небудь створювала Intel.

Однак наприкінці 2021 року Intel нарешті зібралася та випустила свої 10-нм чіпи Alder Lake. Стало цілком зрозуміло, що AMD втратила ринок і занадто захопилася своїм лідерством у продуктивності, оскільки Intel не мала конкуренція нижче позначки в 300 доларів на настільному комп’ютері, оскільки AMD ніколи не запускала бюджетні чіпи Ryzen 5000, поки Intel не змусила проблема. Місяці після запуску Alder Lake були дещо важкими для AMD, але вона все ж утримувала перевагу на ринку серверів і повернула лідерство в іграх завдяки Ryzen 7 5800X3D і його 3D V-Cache.

Сьогодні Zen перебуває на своїй четвертій великій ітерації, а Zen 4 було запущено наприкінці 2022 року з Серія Ryzen 7000 і Epyc 4-го покоління. Ця остання версія архітектури Zen орієнтована на високу продуктивність, що різко контрастує з оригінальною архітектурою Zen, яка зосереджена на кращій вартості. Хоча Zen 4 суттєво відрізняється від оригінального Zen, є деякі основи, від яких AMD ще не відмовилася і, ймовірно, не відмовиться ще деякий час.

CCX, чіплети та ядра

Незважаючи на те, що AMD протягом багатьох років покращувала багато речей у своїй архітектурі Zen, у Zen є багато речей які принципово вірні з самого початку, і кілька нових речей, які формуватимуть дзен вперед. Я говорю про CCX, чіплети та ядра, фундаментальні аспекти сучасних чіпів Zen.

Архітектура Zen є потужною, але не такою гнучкою, як конкуруючі проекти таких компаній, як Intel. Хоча найменшим будівельним блоком у більшості процесорів є ядро, для Zen це Core Complex або CCX. CCX — це кластер ядер, який може містити (на момент написання статті) два, чотири або вісім ядер, має власний кеш третього рівня та працює з іншими CCX в одному ЦП. CCX, по суті, є повноцінним процесором, що є як добре, так і погано. Кожен CCX дуже потужний сам по собі, але зв’язок між CCX займає значну кількість часу, що знижує продуктивність.

Для AMD узагальнений характер CCX ускладнює надання певної кількості ядер. Наприклад, якщо AMD хоче зробити шестиядерний процесор, вона не може просто розробити чіп із шістьма ядрами, тому що у AMD немає шестиядерного CCX. Спочатку AMD мала лише чотириядерний CCX, тому їй потрібно було взяти чіп із двома з цих CCX і відключити ядро ​​на кожному, щоб отримати шестиядерний ЦП. Сьогодні AMD використовує чіп із восьмиядерним процесором CCX і відключає два ядра, щоб отримати шість. Технічно AMD може комбінувати CCX різних розмірів, щоб отримати більше можливостей, але я обговорю це пізніше.

З Zen 2 AMD розробила мікросхеми, щоб зробити Zen ще потужнішим. У той час як оригінальна архітектура Zen просто поєднувала кілька ЦП для досягнення більшої кількості ядер, Zen 2 мікросхеми представили радикальну концепцію, розмістивши ядра ЦП на власних мікросхемах, а все інше – інший. Дизайн чіплетів протиставляється традиційному монолітному дизайну, в якому всі функції ЦП знаходяться на одному чіпі. Чіплети з ядрами називаються Core Complex Dies (або CCD), які можуть містити один або два CCX, а чіплети з усім іншим є I/O Dies (або IOD).

Чиплети мають багато переваг, які відповідають меті AMD щодо економічного створення ЦП. По-перше, дешевше виготовляти багато маленьких чіпів, ніж велику з такими ж характеристиками. По-друге, це дозволяє легко створювати процесори з надвисокою кількістю ядер, оскільки все, що вам потрібно зробити, це додати більше мікросхем. Мабуть, найбільшою перевагою є гнучкість, оскільки AMD здатна охопити практично весь ринок настільних ПК і серверів за допомогою один вид CCD і два види IOD. AMD також має чіплети кешу під назвою 3D V-Cache для ще більшої гнучкості та налаштування.

Останнім нововведенням AMD є впровадження більш щільних варіантів ядер Zen із Zen 4c. Ці щільні версії архітектури Zen повністю ідентичні звичайним версіям за винятком того, що вони набагато менші, що дозволяє 16-ядерній матриці AMD Zen 4c CCD бути такого ж розміру, як восьмиядерна Zen 4 CCD. Однак ця підвищена щільність не дає ядрам типу c досягати тактової частоти, яку можуть досягти звичайні ядра. Це робить ядра Zen c-variant кращими для ЦП з великою кількістю ядер, яким не потрібна висока однопотокова продуктивність.

Ці типи ядер також корисні для споживчих програм. AMD Phoenix 2 APU поєднує двоядерний Zen 4 CCX з чотирьохядерним Zen 4c CCX, перший, який поєднує в собі CCX різних розмірів. Використання двох різних ядер називається гібридною архітектурою, а вся ідея полягає в тому, що звичайна ядра використовуються для однопотокових робочих навантажень, тоді як ядра c-типу допомагають у багатопотокових робочі навантаження. Незважаючи на те, що цей чіп виглядає надзвичайно спеціалізованим для AMD, його також можна використовувати для нижчих APU Ryzen, якщо негібридний чіп Phoenix недоступний.

Завдяки архітектурі Zen компанія AMD була зосереджена виключно на тому, як охопити ринок у найширший спосіб без витрачання часу та ресурсів на розробку процесорів, чого AMD не може собі дозволити через відносно невеликий розмір. Замість того, щоб розглядати кожен сегмент обчислювальної індустрії по-різному, AMD використовує узагальнений підхід і розробляє лише кілька дизайнів та окремих мікросхем, щоб охопити все. У той час як Intel розробила чотири дизайни для Alder Lake, які охоплювали лише настільні комп’ютери та ноутбуки, AMD мала єдиний дизайн Zen 3 CCX, який використовувався для настільних ПК, ноутбуків і серверних процесорів.

Майбутнє дзен

Будучи такою інноваційною та розумною компанією, важко здогадатися, що AMD робитиме далі. AMD оприлюднила свої плани щодо запуску процесорів Zen 5 у 2024 році, але крім цього ми нічого не знаємо напевно. Можливо, ми побачимо, що AMD запропонує ширше розповсюдження гібридних процесорів, можливо, навіть таких, які поєднують звичайні та c-варіантні ПЗЗ, щоб запропонувати найкраще з обох світів для настільних ПК і серверів.

Ми також не можемо ігнорувати конкурентів AMD, головним чином Intel і Arm, коли мова йде про майбутнє Zen. Незважаючи на те, що Zen, безсумнівно, хороша архітектура, більша частина успіху AMD з моменту впровадження оригінальної архітектури Zen досягнута завдяки стратегічним помилкам Intel протягом 2010-х років. Але не тільки Intel нарешті здійснила своє власне повернення, але й новий суперник наближається, оскільки Arm проникає в ПК і сервери. Якщо AMD хоче зберегти та покращити свої позиції, Zen доведеться вдосконалюватися з кожним поколінням.