Архитектурные улучшения AMD Zen 3: объяснение

8 октября^th,2020 AMD объявила о выпуске новых процессоров для настольных ПК серии Ryzen 5000 на базе архитектуры Zen 3. Это объявление стало одним из самых ожидаемых анонсов оборудования для ПК в году. С момента запуска оригинальной архитектуры Zen в 2017 году AMD идет по крутой восходящей траектории с точки зрения ежегодных архитектурных улучшений. Этот год ничем не отличался: AMD заявляла, что предлагает самый большой скачок в поколениях в истории процессоров Ryzen. Что делает эту новую архитектуру такой особенной? Давайте подробно рассмотрим архитектурные улучшения, внесенные в Zen 3.

AMD представила свою архитектуру Zen 3 8 октября 2020 г. - Изображение: Wccftech

Основы архитектуры дзен

Процессоры AMD Ryzen имеют уникальный дизайн, который сильно отличается от того, что их основной конкурент Intel использует в своих настольных процессорах. Процессоры Ryzen на самом деле основаны на нескольких небольших микросхемах, а не на одной большой микросхеме. Эти разные чиплеты связываются друг с другом через соединение, известное как «Infinity Fabric». AMD описывает Infinity Fabric как надмножество гипертранспорта, которое обеспечивает быстрое соединение между различными чиплетами в процессорах AMD. Это означает, что вместо одного чипа на подложке есть несколько небольших чиплетов, которые связываются друг с другом через быстрое соединение.

У этого дизайна есть свои плюсы и минусы. Самое большое преимущество - масштабируемость. Дизайн чиплета означает, что AMD может упаковать больше ядер в меньший корпус, что позволяет использовать большое количество ядер даже в бюджетном сегменте рынка процессоров. Главный недостаток такой конструкции - задержка. Ядра физически отделены друг от друга, что приводит к немного большей задержке из-за времени, необходимого для передачи данных по бесконечной фабрике. Это означает, что производительность в чувствительных к задержкам приложениях, таких как игры, обычно ниже, чем у однокристальной конструкции Intel.

Реализация Zen 2

Процессоры серии Ryzen 3000 имели огромный успех на рынке массовых настольных ПК. Эти процессоры были основаны на архитектуре Zen 2, построенной по 7-нм техпроцессу TSMC, в котором были внесены некоторые очень интересные улучшения в архитектуру Zen. Zen 2 объединил ядра ЦП в основные комплексы по 4 в каждом, а также разделил пул 32 МБ кэш-памяти третьего уровня на два меньших пула по 16 МБ каждый. Эти базовые комплексы (CCX) легли в основу линейки процессоров Zen 2. Каждый 4-ядерный комплекс имел немедленный доступ к 16 МБ кэш-памяти третьего уровня, что было важно для уменьшения задержки. Это означало, что Zen 2 был очень конкурентоспособным по сравнению с Intel в чувствительных к задержкам приложениях, таких как игры, и сильно превосходил Intel в многопоточных рабочих нагрузках.

Различные блоки CCX все еще необходимо было соединить через Infinity Fabric, так что некоторая задержка все же была ожидаемой. Тем не менее, Zen 2 предлагает улучшение IPC (Instructions Per Clock) на 15% по сравнению с Zen +, а также более высокую частоту ядра. Это поколение было важным для AMD, поскольку теперь они снова пробились в конкурентную борьбу с Intel и имеют огромный потенциал для улучшения благодаря быстрым инновациям и самоуспокоенности Intel.

В процессорах серии Ryzen 3000 на базе AMD Zen 2 использовалась конструкция с несколькими CCX - Изображение: Hexus

Цели для дзен 3

AMD решила разработать Zen 3 с очень четкой целью. Поскольку они уже доминируют в конкурентной борьбе с многопоточностью, единственная область, в которой они все еще немного отстают от Intel, - это игры. Каким бы хорошим ни был Zen 3, он не смог украсть игровую корону у Intel из-за дизайна синей команды, который предлагает чрезвычайно высокие тактовые частоты и низкую задержку. Для чистых геймеров, которым нужна максимально возможная частота кадров, ответом по-прежнему была Intel. Таким образом, цели AMD для этого поколения были ясны:

• Улучшение задержки между ядрами
• Увеличьте частоту ядра
• Увеличение количества инструкций за такт (IPC)
• Повышение эффективности (более высокая производительность на ватт)
• Повышение однопоточной производительности

Учитывая, что Zen 2 уже был очень надежным исполнителем в многоядерных приложениях, AMD было легко сосредоточиться почти исключительно на однопоточной производительности для этого поколения процессоров.

Улучшения Zen 3

AMD рассказала о своих новых процессорах и архитектуре Zen 3 в прямом эфире «Где игры начинаются» 8 октября.^th. AMD утверждает, что Zen 3 - это величайший скачок поколений в истории архитектуры Zen. Новые процессоры Ryzen 5000 по-прежнему основаны на 7-нанометровом техпроцессе TSMC, но могут похвастаться большим количеством внутренних архитектурных улучшений.

8-ядерный комплексный дизайн

Пожалуй, самым большим улучшением новой архитектуры стала полностью новая компоновка. AMD отказалась от конструкции Zen 2 с несколькими CCX и вместо этого перешла к единой 8-ядерной сложной конструкции, в которой все 8 ядер имеют доступ ко всем 32 МБ кеш-памяти L3. Этот редизайн имеет огромное значение для приложений, чувствительных к задержкам, таких как игры.

Благодаря переработанному 8-ядерному комплексу вся кэш-память третьего уровня объемом 32 МБ теперь доступна для каждого ядра - Изображение: AMD

Когда каждое ядро ​​находится в прямом контакте с кешем и другими ядрами, это значительно увеличивает задержку, поскольку данные не проходят через весь кристалл, чтобы перейти от одной стороны к другой. Этот редизайн также улучшает эффективную задержку памяти чипа, что приводит к увеличению производительности для однопоточных задач.

Улучшение IPC

Улучшенная компоновка основного комплекса - не единственное улучшение, которое приносит Zen 3. AMD заявляет об улучшении IPC на 19% по сравнению с Zen 2, что является огромной цифрой. IPC или Instructions Per Clock указывает, сколько работы ЦП может выполнять за такт. Улучшение на 19% - это самый большой скачок, который мы видели в IPC с момента первого запуска Ryzen в 2017 году. Предыдущее поколение процессоров Zen 2 также принесло довольно значительное улучшение IPC на 15% по сравнению с архитектурой Zen +.

Это улучшение IPC означает, что AMD может конкурировать с заоблачной частотой ядра Intel, даже оставаясь ниже 5 ГГц с точки зрения разгона. AMD также обозначила участников этого массового увеличения IPC. Согласно рекламным материалам, основными способствующими факторами являются:

Улучшение IPC на 19% - это самый большой скачок AMD в поколении - Изображение: AMD

• Предварительная загрузка кеша
• Механизм исполнения
• Branch Predictor
• Кэш микроопераций
• Внешний интерфейс
• Загрузить / Сохранить

Повышенная эффективность

Благодаря невероятной плотности 7-нм техпроцесса TSMC, AMD смогла втиснуть еще больше энергии в чипы Ryzen, сохранив при этом то же среднее энергопотребление. AMD утверждает, что чипы серии Ryzen 5000 построены по тому же 7-нм техпроцессу, что и серия 3000, однако процесс был усовершенствован, и полученные чипы, таким образом, стали более эффективными.

Благодаря впечатляющему увеличению производительности на ватт в 2,4 раза, AMD контролирует энергопотребление - Изображение: AMD

AMD также сделала смелое заявление о том, что Ryzen 9 5900X и 5950X будут потреблять столько же энергии, что и 3900X и 3950X последнего поколения, соответственно, несмотря на более высокие тактовые частоты и улучшенный IPC. В рекламных материалах AMD говорится об улучшении «производительности на ватт в 2,4 раза» по сравнению с исходной архитектурой Zen. Это число совпадает с заявлением AMD о потребляемой мощности 5900X и 5950X, поскольку теперь они имеют более высокие тактовые частоты, но по-прежнему имеют те же значения TDP, что и их предшественники.

Очищенный кремний, Высокие тактовые частоты

В конце срока службы серии Ryzen 3000 AMD выпустила обновление, добавившее в серию 3 процессора с брендом «XT». Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT и Ryzen 9 3900XT были теми же процессорами, что и базовые модели, но с более высокими тактовыми частотами. В конце срока службы продукта производственный процесс становится зрелым, и качество кремния улучшается. Это означает, что кремний производит процессоры, которые могут разгоняться выше и дольше удерживать тактовую частоту. Именно так появилась линейка процессоров XT.

В процессорах Zen 3 AMD использовала тот же зрелый производственный процесс и более качественную микросхему для создания процессоров серии 5000 на одном и том же 7-нм узле. Это позволило AMD повысить тактовую частоту разгона намного выше, чем даже у серии XT последнего поколения. Более высокие тактовые частоты в сочетании с более высоким IPC и измененной компоновкой ядра означали, что AMD была готова решить проблему однопоточной производительности. Заявленные тактовые частоты 4 процессоров серии Ryzen 5000 следующие:

Рекламируемые характеристики трех процессоров серии Ryzen 5000 - Изображение: AMD

• AMD Ryzen 5 5600X: базовая частота 3,7 ГГц, ускоренная частота 4,6 ГГц
• AMD Ryzen 7 5800X: базовая частота 3,8 ГГц, ускоренная частота 4,7 ГГц
• AMD Ryzen 9 5900X: базовая частота 3,7 ГГц, ускоренная частота 4,8 ГГц
• AMD Ryzen 9 5950X: базовая частота 3,4 ГГц, ускоренная частота 4,9 ГГц

Преимущества дизайна чиплета

Было много факторов, которые позволили AMD совершить такой существенный скачок между поколениями. Одна из самых больших - это дизайн самих чипов, а именно «Chiplet Style» раскладки кристаллов ЦП. Этот дизайн предлагает много ключевых преимуществ, когда дело доходит до улучшений поколений:

• Масштабируемость: Благодаря тому, что ядра расположены внутри чиплетов на подложке, AMD может втиснуть больше ядер в аналогичный корпус без риска перегрева. В конкурирующей конструкции Intel все ядра расположены очень близко друг к другу, что может привести к серьезным тепловым проблемам при неправильной настройке. AMD, с другой стороны, успешно использовала этот дизайн чиплета для создания 6-ядерных, 8-ядерных, 12-ядерных и даже 16-ядерных процессоров на основной платформе настольных ПК. Это означает, что AMD установила доминирование по количеству ядер благодаря этой конструкции.
• Легкость разработки: Еще одним большим преимуществом этой конструкции, по-видимому, является простота разработки. В процессе разработки архитектуры Zen 3 AMD использовала тот же базовый дизайн, что и Zen 2, а затем модифицировала его. Это означало, что конструкция уже была в определенной степени усовершенствована, и AMD было легко улучшить ключевые области, на которые они нацеливались.
• Параллельная разработка по 5 нм: AMD также отметила, что их планы на будущее в отношении процессоров Ryzen на основе 5-нм архитектуры также находятся в процессе выполнения. Это связано с тем, что архитектура дизайна чиплета позволяет AMD одновременно запускать несколько потоков разработки. AMD была уверена, что их 5-нанометровый процесс появится точно так же, как и планировалось, как и архитектуры Zen 3 и Zen 2, основанные на 7-нанометровом процессе.

AMD утверждает, что ее 5-нанометровый процесс также находится в разработке - Изображение: AMD

Ожидаемые результаты

Процессоры серии Ryzen 5000 на базе Zen 3 обещают стать лидерами отрасли не только в многопоточных рабочих нагрузках, но и в играх. Впервые с 2006 года AMD официально свергла Intel в гонке за абсолютную лучшую игровую производительность (согласно заявлениям AMD). AMD также заявила, что у Ryzen 9 5950X самая высокая однопоточная производительность среди всех настольных чипов, за которой следует Ryzen 9 5900X. Давайте посмотрим на ожидаемые результаты архитектурных улучшений, внесенных в Zen 3.

Лидерство в играх

С колоссальным улучшением IPC на 19%, увеличением тактовой частоты ядра и переработанной сложной системой ядра AMD в этом поколении совершила гигантский скачок в игровой производительности. В то время как Zen 2 был достаточно конкурентоспособным с предложениями Intel, Zen 3 планирует полностью превзойти Intel во всех игровых нагрузках. AMD утверждает, что Ryzen 9 5900X в среднем примерно на 26% быстрее, чем Ryzen 9 3900X в играх. Это гигантский скачок, который нужно совершить всего за одно поколение.

Более того, AMD также заявила, что Ryzen 9 5900X быстрее Core i9-10900K в играх. Это отличная новость для поклонников AMD и обычных энтузиастов ПК. Теперь это означает, что лучшие процессоры AMD превосходят лучшие процессоры Intel как в играх, так и в многоядерных приложениях. В случае Intel не помогает то, что они все еще придерживаются архаичной 14-нм архитектуры и процессоры нового поколения Rocket-Lake также ходят слухи, что они на 14 нм. Между тем, AMD работает на полную мощность, предлагая 7-нм технологии в Zen 2 и Zen 3, а также одновременно работает над 5-нм планами, которые, по-видимому, также находятся в процессе реализации. Это может иметь серьезные последствия для доли Intel на рынке процессоров для настольных ПК.

Процессоры AMD Ryzen серии 5000 быстрее в играх, чем предложения Intel - Изображение: AMD

Улучшенная однопоточная производительность

AMD уже некоторое время демонстрирует лучшую многоядерную производительность, но это не обязательно означает лучшую игровую производительность из-за того, что современные игры не эффективно используют все ядра. Во многих играх есть доминирующая нить, часто называемая «мировой нитью», которая используется наиболее активно. Мировой поток очень чувствителен к задержкам и одноядерной производительности. Благодаря изменению архитектуры AMD задержка была значительно снижена, что значительно повысило производительность этого доминирующего потока. Это позволило AMD стать лидером в игровых сценариях.

Это также означает, что однопоточная производительность AMD теперь значительно превосходит Intel. Фактически, AMD продемонстрировала впечатляющую оценку одноядерного процессора Cinebench в 640 баллов для Ryzen 9 5950X, за которой последовал результат 631 балла у Ryzen 9 5900X. Эти улучшения также возможны благодаря редизайну архитектурного ядра комплекса, уменьшению задержки и более высоким тактовым частотам архитектуры Zen 3. Подробнее об однопоточной производительности процессоров серии Ryzen 5000 читайте в Эта статья.

AMD Ryzen 9 5900X имеет рекордную оценку 631 для одноядерного процессора в Cinebench - Изображение: AMD

Еще более высокая многопоточная производительность

Продолжая доминировать в сегменте многопоточной производительности, AMD снова продемонстрировала впечатляющие показатели для своих процессоров серии Ryzen 5000 на базе Zen 3. В частности, 12-ядерные Ryzen 9 5900X и Ryzen 9 5950X демонстрируют непревзойденную производительность в рабочих нагрузках с большим количеством ядер. AMD также внесла некоторые внутренние изменения, которые позволили 5950X впервые стать самым быстрым процессором для настольных ПК для работы с САПР. AMD считает его лучшим игровым процессором И лучшим процессором для создания контента, и с этим утверждением трудно спорить. AMD заявила о впечатляющем увеличении производительности при рендеринге рабочих нагрузок на 12% по сравнению с 3950X. Это делает этот процессор абсолютным зверем для тех, кто стремится к лучшему, что могут предложить настольные компьютеры.

Тревожные звонки для Intel?

Нет никаких сомнений в том, что AMD улучшала свою линейку процессоров Ryzen почти с невероятной скоростью. Они предлагают огромные улучшения производительности от поколения к поколению, и Zen 3 обещает стать их самым большим шагом вперед. Хотя процессоры серии Ryzen 3000 предлагали отличную стоимость с точки зрения количества ядер и цены, они все еще отставали от Intel в одной основной рабочей нагрузке: играх. AMD заняла прочное лидерство почти во всех других аспектах рынка настольных ПК, будь то рендеринг, кодирование, производство видео или потоковая передача, но им нужно было обогнать Intel в играх, чтобы стать действительно лучшим процессором в своем классе.

Благодаря удивительному архитектурному дизайну процессоров Ryzen, 7-нм техпроцессу TSMC, а также блестящему планированию и исполнению командой разработчиков AMD они наконец-то сделали это с Zen 3. Этот запуск должен вызвать тревогу в штаб-квартире Intel. Intel - огромная компания, и они никак не могут не отреагировать на это, но они, безусловно, отстают от AMD, когда дело касается скорости разработки. Основное препятствие, которое Intel должна устранить, - это устаревший 14-нм техпроцесс, который она использует со времен Skylake.

План развития архитектуры Intel - Изображение: Wccftech

У Intel были хорошо задокументированные проблемы со своим 10-нм техпроцессом, и поэтому они еще не могут развернуть настольные чипы на основе этой архитектуры. Однако ситуация может измениться в ближайшее время, поскольку Intel успешно выпустила свои последние процессоры для ноутбуков под кодовым названием «Tiger Lake», основанные на 10-нм архитектуре. Эти чипы для ноутбуков предлагают большие улучшения как в производительности, так и в эффективности по сравнению с последним поколением, и вполне вероятно, что Intel может работать над переносом этого процесса на процессоры настольных ПК. Если Intel удастся наладить свой 10-нм техпроцесс, ближайшие годы будут очень интересными для энтузиастов производительности процессоров.