|
|
2017年,AMD Zen架构横空出世,Ryzen锐龙、EPYC霄龙处理器在各个领域都大杀四方、一举扭转乾坤。5 ^' c3 q( w5 d$ I
2018年,Zen架构升级增强进化为Zen+,制造工艺也从14nm来到12nm,而到了2019年,我们迎来第三代锐龙3000系列处理器的同时,架构也升级为全新的Zen 2,同时制造工艺也是全新的7nm。
t0 l6 J$ P) [4 j( Y+ V0 A) V
# ]1 u3 T7 o2 i/ K0 V+ G- xZen 2架构到底全新在哪里?7nm工艺到底有何加成?今天我们就来探究一番,当然CPU架构和制造工艺是极深的、极专业的,我们这里也只是浮光掠影地看一些毛皮,感受一下AMD激进的步伐。6 |. ~5 D- R7 ]% p5 ~
+ \$ ~6 k: Z4 x9 v0 F; i0 g: y
首先介绍一下Mike Clark,AMD Corporate Fellow(企业院士)、Zen首席架构师。能有今天的处理器,这可是首要功臣,当然还有大神级的Jim Keller,以及无数工程师的心血付出。
% F# h( L+ N7 W. W: G0 |2 |, h) O
7 W6 ~2 Q, W# d
( i6 |: K' O" C( |Zen架构诞生之初,AMD就强调这是其未来多年发展的基石,同时也早早就准备好了长期路线图。14nm Zen打破坚冰、12nm Zen巩固江山之后,7nm Zen 2将在七月份正式出货,7nm+工艺的下一代全新Zen 3也正在按计划进行,如无意外将在2020年以锐龙四代的身份和我们见面。1 W; q# A+ A( k4 k3 |
再往后,AMD还有Zen 4乃至是Zen 5,都正在设计之中。如果每年一代的话,至少到2022年,AMD都会以让人目眩的速度持续提升。牙膏,不存在的……5 h9 e! f: l: I! f+ `3 |# t' V

l( _7 c# A; `5 M5 ]# dZen 2的设计理念或者原则主要有四条,一是结合新工艺成为世界上首个7nm工艺的高性能x86 CPU,二是在核心执行能力方面全方位增强以提升IPC,三是增强硬件安全性,四是新一代Infinity Fabric互连总线实现配置和性能的模块化和灵活性。8 G) o/ B# D/ P+ B- u' F8 ]
Zen 2架构使用的7nm工艺当然是来自台积电,AMD也与之有着极为深入的合作,从CPU到GPU都在用它。! \8 V: I/ D8 `! N, I C, P2 ^
- ^* j/ X2 |' M. W. X4 |# X
; l6 A* p* J7 n# E
作为一个重要工艺节点,台积电7nm从高性能到低功耗、从数据中心到桌面到移动都应付自如,实现了晶体管密度的翻番,同等性能下功耗可以降低一半,而同等功耗下性能可提升超过25%。
3 X3 u6 t$ e) |; P. T3 h( M7 U' _
7 [5 k' t! V" W初代的Zen架构相比于推土机架构实现了几乎恐怖的52%的IPC(每时钟周期指令数可粗糙理解为架构性能或者单线程性能)提升,Zen+在加强了个位数之后,Zen 2又一举提升了多达15%,远远超出了行业平均水平。1 W, U: J& c5 d
而到了产品层面,Zen 2相比于Zen+的单线程性能提升了多达21%,其中六成来自IPC架构强化,另外四成来自7nm工艺和频率提升,锐龙处理器单线程、单核心性能稍弱的劣势从此彻底不复存在。
_: `3 i2 p# }. H $ b, Y- d" K3 L: @8 Z. X
再进一步,到了实际游戏中,以两代主流旗舰为例,同样是8核心16线程,锐龙7 3800X相比于锐龙7 2700X的游戏性能在主流大作中可以轻松提升少则超过10%,多则达到34%甚至更多,所以今后再说锐龙打游戏不行可就过时了。1 i; [. I' \4 t5 {. x# @
Zen 2架构和锐龙三代能取得如此长足的进步,来源于方方面面的强化,简单来说有架构大幅革新、分支预测改进、整数吞吐提升、浮点模块翻番、内存延迟降低、三级缓存容量翻番、频率大幅提高、系统和软件优化,等等等等。1 G: N% Z+ n& q% a/ _+ k
% X& r4 W0 }: \
除了底层架构的大变,三代锐龙(以及新一代霄龙)还采用了chiplet多芯片设计。虽然很多人称之为“胶水”,但是在如今摩尔定律前进迟缓、半导体技术提升艰难的情况下,这其实是非常明智的选择。
" G0 L. g- j4 ]6 i$ ^ M _一方面,它可以减轻架构和工艺压力,不同IP模块可以选择最合适优化的工艺,从而大大降低研发、制造成本,并提高良品率。
8 b" @- \) a. n7 \+ W5 A, U8 H7 r另一方面,它可以灵活地配置产品规格和特性,针对不同市场提供最合适的产品,也能更好地提升峰值计算性能。7 ]5 i) N" g5 R

: U1 W" j1 \6 V1 n' B
7 K# E) a+ J' s5 g' ?4 e0 f对于多芯片设计,最关键的因素就是提高不同模块之间的通信带宽和效率、降低延迟,AMD为此设计了Infinity Fabric总线,无论AMD CPU还是AMD GPU,互连互通都是基于这种新型总线。7 @9 b9 q$ M) t" O/ B3 c3 X6 L
三代锐龙上,Infinity Fabric总线已经进化到第二代,在扩展性、延迟、能效各个方面都有显著提升。
7 o4 [- k. ~% J% n扩展性上,特别针对消费级客户端应用做了优化调整(之前更多还是数据中心上),并且总线宽度从256-bit翻番到512-bit,以支持PCIe 4.0,能效上则将单位功耗降低了多达27%。2 Z& z8 ?% |0 X: F0 f0 N2 j
延迟是多芯片互连的致命所在,一旦处理不好会导致整体效率的低下,包括核心、缓存、内存等各个模块都必须保持最高效率和最低延迟,比如新一代Infinity Fabric采用了总线频率、内存频率分离式设计,保证可以达到更高频率和尽可能低的延迟。
; }3 M; m! I3 R, N 4 w0 W8 ~* r5 |: H" P6 n
三代锐龙的基础模块仍然是CCX(CPU Complex),每个CCX里有4个物理核心、16MB三级缓存(比二代翻番),同时两个CCX组成一个CCD(CPU Complex Die),也就是我们看到的每一颗CPU芯片。; v6 \0 W# V1 P' `" y, k( y% Y
单独的I/O Die则集成了输入输出控制中心、一体化内存控制器(直连内存),注意它的制造工艺是12nm。8 T! l$ [, H/ ^- a( j9 @) [
每个CCD有各自的Infinity Fabric PHY物理层,通过它和I/O Die芯片内的数据总线(Data Fabric)进行高速互连通信——注意两颗CPU芯片之间没有直接通信,都要经过I/O Die,这样可以保证不同核心、缓存之间的延迟是一致的。
1 s; i+ T3 ]0 u1 d
4 a; w( I* x; h2 \# O9 b; s4 k得益于新架构和新工艺,三代锐龙的每个CCX模块面积仅为31.3平方毫米,相比二代的60平方毫米缩小了足足47%,这也是同样封装下核心数量可以翻番的主要原因。* [- S: n L" v9 ]2 c
同时AMD也避免了一核有难、多核围观的尴尬局面,从6核心12线程到8核心16线程再到12核心24线程,多线程提升几乎是线性的(每一个核心和线程都充分释放),达到了几乎完美的98%。7 v& [6 e% a5 N

1 J- {/ P! M! c" V; f* h比性能提升更让人激动的是能效,比如锐龙7 3700X相比锐龙7 2700X,绝对功耗从195W降低到135W,结果就是CineBench R20多核心跑分的能效(每瓦性能)提升了多达75%。
5 V& I0 P5 a( Z4 X2 C+ L 7 b0 T4 w: c" T9 H4 Y
能效提升如此之多,新工艺新架构自然功不可没,也大大带动了频率,Zen、Zen+最高可以分别达到4.1GHz、4.35GHz,Zen 2则来到了4.7GHz(16核心的3950X),同时大大降低了达到最高频率所需的最大电压。
+ ^$ a" V7 a+ Z! g; M1 u0 n% H
4 t' }5 s% ^: kZen架构的内存延迟一直不是很好,但也一直在改进,Zen+就有了明显的变化,Zen 2更是进一步降低最多达33ns,而且支持更高的DDR4内存频率,从2667MHz到3600MHz游戏性能可提升5-10%甚至更多,而翻了一番的三级缓存更是让Zen 2有如神族,游戏性能可提升10-20%。
: Z8 P4 a& |0 S9 I- `8 A说了半天,Zen 2架构设计呢?鉴于这些内容过于深奥,我们刚才先讲了新架构的效果,接下来就分享新架构的内部设计,只说一些最关键的、最容易理解的地方,感兴趣的可以细细研究架构图,或者等待后续的技术白皮书。
# b' D) J4 ]1 r - Y) R& M1 B% B7 P

; [, s" Z* l3 h' C( N; uZen 2架构总览图和核心新特性,特别注意新的TAGE分支预测器。AMD这次采用了chiplet都芯片设计,而为了协调分散的不同模块,不但有加强版的Infinity Fabric总线,不但有翻番的三级缓存(提高命中率),还特别强化了分支预测,从而将预测错误率降低了大约30%,使得处理器可以花更少的时间完成前端分派工作,提高效率的同时也能节省功耗。 k! l$ i% G& `- B, Q/ x* ]
缓存结构也有极大调整,支持各级缓存一致性,大大降低有效延迟,加入新的缓存指令。
3 D( D2 I+ S- ]% b. m9 r$ `其中,一级指令缓存从4-way 64KB调整为8-way 32KB,和一级数据缓存保持一致,关联性更强,预取和利用率都得到改进。( K/ m9 {: R; [2 Q( F" S& @# b, ]
二级缓存保持每核心8-way 512KB不变,三级缓存则翻番到了每核心对应4MB,可以很好地提升游戏性能。
: ?# P' K/ u' o; h( l; z3 t其他方面:翻番的4K微指令操作缓存、四个整数单元和三个AGU地址生成单元(之前是两个)、每时钟周期三个AGEN/两个载入/一个存储、浮点单元翻倍支持单操作AVX-256、更快的虚拟化安全、硬件增强安全防御,等等。
T9 G: D9 B9 X7 \4 n- U / a2 S7 k. ^0 y: v! q
6 `# L) d0 R) x3 Q: D( x
/ b( Z3 W9 V0 j4 z

O% j+ F) {7 a' @% V $ N* Q; [/ B* i) y0 p

2 Q$ w8 Z, @1 t' B* R
- x/ H$ o2 x3 |2 k: g ' ~: [+ u/ x) P- X" i
) B3 O. B, {- B8 }7 V. C1 Q
; B5 C( y# p/ c5 U2 w

: _0 }0 N9 [. W以上是Zen 2前端、预取、解码、浮点单元、整数执行、载入存储、缓存、安全等几乎所有模块的改进,可以看到几乎每一处都得到了全面强化和革新。% C9 B# ~5 m# O8 s$ n2 C! c3 j
. }9 p" d6 X3 s" {8 D
安全方面,Zen架构诞生后爆发了大量的安全漏洞威胁,幸运的是Zen对于Meltdown熔断等诸多漏洞以及部分Spectre幽灵漏洞天然免疫,补丁都不需要,同时可以通过固件更新、系统补丁等修复受影响的Spectre幽灵漏洞。
. g% a. Z7 Q2 }* y2 c# Y. aZen 2则在设计之中就从硬件层面防御了Spectre幽灵漏洞,不但绝对保证安全,也不会因为打补丁而导致性能损失。
9 R" z: Y Y, G$ u* ] U以上就是AMD Zen 2架构在设计上的革新,以及结合7nm工艺带来的众多飞跃,至于实际产品表现,稍后分享官方性能数据,然后7月7日首发评测见!8 B6 T( H& }! ~$ _/ c# T
6 L Y$ G; v" u3 n" H0 K% l- o来源:http://www.yidianzixun.com/article/0MFEMhfv0 Q0 @; `" n# M& O/ N
免责声明:如果侵犯了您的权益,请联系站长,我们会及时删除侵权内容,谢谢合作! |
本帖子中包含更多资源
您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?立即注册
×
|