AMD Zen2架構(gòu)深度揭秘：100％翻新 單核性能完美

2017年，AMD Zen架構(gòu)橫空出世，Ryzen銳龍、EPYC霄龍?zhí)幚砥髟诟鱾€領(lǐng)域都大殺四方、一舉扭轉(zhuǎn)乾坤。

2018年，Zen架構(gòu)升級增強進化為Zen+，制造工藝也從14nm來到12nm，而到了2019年，我們迎來第三代銳龍3000系列處理器的同時，架構(gòu)也升級為全新的Zen2，同時制造工藝也是全新的7nm。

Zen2架構(gòu)到底全新在哪里？7nm工藝到底有何加成？今天我們就來探究一番，當(dāng)然CPU架構(gòu)和制造工藝是極深的、極專業(yè)的，我們這里也只是浮光掠影地看一些毛皮，感受一下AMD激進的步伐。

首先介紹一下Mike Clark，AMD Corporate Fellow(企業(yè)院士)、Zen首席架構(gòu)師。能有今天的處理器，這可是首要功臣，當(dāng)然還有大神級的Jim Keller，以及無數(shù)工程師的心血付出。

Zen架構(gòu)誕生之初，AMD就強調(diào)這是其未來多年發(fā)展的基石，同時也早早就準(zhǔn)備好了長期路線圖。14nm Zen打破堅冰、12nm Zen鞏固江山之后，7nm Zen 2將在七月份正式出貨，7nm+工藝的下一代全新Zen 3也正在按計劃進行，如無意外將在2020年以銳龍四代的身份和我們見面。

再往后，AMD還有Zen 4乃至是Zen 5，都正在設(shè)計之中。如果每年一代的話，至少到2022年，AMD都會以讓人目眩的速度持續(xù)提升。牙膏，不存在的……

Zen 2的設(shè)計理念或者原則主要有四條， 一是結(jié)合新工藝成為世界上首個7nm工藝的高性能x86CPU，二是在核心執(zhí)行能力方面全方位增強以提升IPC，三是增強硬件安全性，四是新一代InfinityFabric互連總線實現(xiàn)配置和性能的模塊化和靈活性。

Zen 2架構(gòu)使用的7nm工藝當(dāng)然是來自臺積電，AMD也與之有著極為深入的合作，從CPU到GPU都在用它。

作為一個重要工藝節(jié)點，臺積電7nm從高性能到低功耗、從數(shù)據(jù)中心到桌面到移動都應(yīng)付自如，實現(xiàn)了晶體管密度的翻番，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過25％。

初代的Zen架構(gòu)相比于推土機架構(gòu)實現(xiàn)了幾乎恐怖的52％的IPC(每時鐘周期指令數(shù)可粗糙理解為架構(gòu)性能或者單線程性能)提升，Zen+在加強了個位數(shù)之后，Zen2又一舉提升了多達15％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了行業(yè)平均水平。

而到了產(chǎn)品層面，Zen2相比于Zen+的單線程性能提升了多達21％，其中六成來自IPC架構(gòu)強化，另外四成來自7nm工藝和頻率提升，銳龍?zhí)幚砥鲉尉€程、單核心性能稍弱的劣勢從此徹底不復(fù)存在。

再進一步，到了實際游戲中，以兩代主流旗艦為例，同樣是8核心16線程，銳龍7 3800X相比于銳龍72700X的游戲性能在主流大作中可以輕松提升少則超過10％，多則達到34％甚至更多，所以今后再說銳龍打游戲不行可就過時了。

Zen 2架構(gòu)和銳龍三代能取得如此長足的進步，來源于方方面面的強化，簡單來說有架構(gòu)大幅革新、分支預(yù)測改進、整數(shù)吞吐提升、浮點模塊翻番、內(nèi)存延遲降低、三級緩存容量翻番、頻率大幅提高、系統(tǒng)和軟件優(yōu)化，等等等等。

除了底層架構(gòu)的大變，三代銳龍(以及新一代霄龍)還采用了chiplet多芯片設(shè)計。雖然很多人稱之為“膠水”，但是在如今摩爾定律前進遲緩、半導(dǎo)體技術(shù)提升艱難的情況下，這其實是非常明智的選擇。

一方面，它可以減輕架構(gòu)和工藝壓力，不同IP模塊可以選擇最合適優(yōu)化的工藝，從而大大降低研發(fā)、制造成本，并提高良品率。

另一方面，它可以靈活地配置產(chǎn)品規(guī)格和特性，針對不同市場提供最合適的產(chǎn)品，也能更好地提升峰值計算性能。

對于多芯片設(shè)計，最關(guān)鍵的因素就是提高不同模塊之間的通信帶寬和效率、降低延遲，AMD為此設(shè)計了Infinity Fabric總線，無論AMD CPU還是AMDGPU，互連互通都是基于這種新型總線。

三代銳龍上，Infinity Fabric總線已經(jīng)進化到第二代，在擴展性、延遲、能效各個方面都有顯著提升。

擴展性上，特別針對消費級客戶端應(yīng)用做了優(yōu)化調(diào)整(之前更多還是數(shù)據(jù)中心上)，并且總線寬度從256-bit翻番到512-bit，以支持PCIe4.0，能效上則將單位功耗降低了多達27％。

延遲是多芯片互連的致命所在，一旦處理不好會導(dǎo)致整體效率的低下，包括核心、緩存、內(nèi)存等各個模塊都必須保持最高效率和最低延遲，比如新一代InfinityFabric采用了總線頻率、內(nèi)存頻率分離式設(shè)計，保證可以達到更高頻率和盡可能低的延遲。

三代銳龍的基礎(chǔ)模塊仍然是CCX(CPUComplex)，每個CCX里有4個物理核心、16MB三級緩存(比二代翻番)，同時兩個CCX組成一個CCD(CPU ComplexDie)，也就是我們看到的每一顆CPU芯片。

單獨的I/O Die則集成了輸入輸出控制中心、一體化內(nèi)存控制器(直連內(nèi)存)，注意它的制造工藝是12nm。

每個CCD有各自的Infinity Fabric PHY物理層，通過它和I/O Die芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)總線(Data Fabric)進行高速互連通信——注意兩顆CPU芯片之間沒有直接通信，都要經(jīng)過I/O Die，這樣可以保證不同核心、緩存之間的延遲是一致的。

得益于新架構(gòu)和新工藝，三代銳龍的每個CCX模塊面積僅為31.3平方毫米，相比二代的60平方毫米縮小了足足47％，這也是同樣封裝下核心數(shù)量可以翻番的主要原因。

同時AMD也避免了一核有難、多核圍觀的尷尬局面，從6核心12線程到8核心16線程再到12核心24線程，多線程提升幾乎是線性的(每一個核心和線程都充分釋放)，達到了幾乎完美的98％。

比性能提升更讓人激動的是能效，比如銳龍7 3700X相比銳龍7 2700X，絕對功耗從195W降低到135W，結(jié)果就是CineBenchR20多核心跑分的能效(每瓦性能)提升了多達75％。

能效提升如此之多，新工藝新架構(gòu)自然功不可沒，也大大帶動了頻率，Zen、Zen+最高可以分別達到4.1GHz、4.35GHz，Zen2則來到了4.7GHz(16核心的3950X)，同時大大降低了達到最高頻率所需的最大電壓。

Zen架構(gòu)的內(nèi)存延遲一直不是很好，但也一直在改進，Zen 就有了明顯的變化， Zen 2更是進一步降低最多達33ns，而且支持更高的DDR4內(nèi)存頻率，從2667MHz到3600MHz游戲性能可提升5-10％甚至更多，而翻了一番的三級緩存更是讓Zen2有如神助，游戲性能可提升10-20％。

說了半天，Zen2架構(gòu)設(shè)計呢？鑒于這些內(nèi)容過于深奧，我們剛才先講了新架構(gòu)的效果，接下來就分享新架構(gòu)的內(nèi)部設(shè)計，只說一些最關(guān)鍵的、最容易理解的地方，感興趣的可以細(xì)細(xì)研究架構(gòu)圖，或者等待后續(xù)的技術(shù)白皮書。

Zen 2架構(gòu)總覽圖和核心新特性， 特別注意新的TAGE分支預(yù)測器。AMD這次采用了chiplet都芯片設(shè)計，而為了協(xié)調(diào)分散的不同模塊，不但有加強版的InfinityFabric總線，不但有翻番的三級緩存(提高命中率)，還特別強化了分支預(yù)測，從而將預(yù)測錯誤率降低了大約30％，使得處理器可以花更少的時間完成前端分派工作，提高效率的同時也能節(jié)省功耗。

緩存結(jié)構(gòu)也有極大調(diào)整，支持各級緩存一致性，大大降低有效延遲，加入新的緩存指令。

其中，一級指令緩存從4-way 64KB調(diào)整為8-way 32KB，和一級數(shù)據(jù)緩存保持一致，關(guān)聯(lián)性更強，預(yù)取和利用率都得到改進。

二級緩存保持每核心8-way 512KB不變，三級緩存則翻番到了每核心對應(yīng)4MB，可以很好地提升游戲性能。

其他方面：翻番的4K微指令操作緩存、四個整數(shù)單元和三個AGU地址生成單元(之前是兩個)、每時鐘周期三個AGEN/兩個載入/一個存儲、浮點單元翻倍支持單操作AVX-256、更快的虛擬化安全、硬件增強安全防御，等等。

以上是Zen 2前端、預(yù)取、解碼、浮點單元、整數(shù)執(zhí)行、載入存儲、緩存、安全等幾乎所有模塊的改進，可以看到幾乎每一處都得到了全面強化和革新。

安全方面，Zen架構(gòu)誕生后爆發(fā)了大量的安全漏洞威脅，幸運的是Zen對于Meltdown熔斷等諸多漏洞以及部分Spectre幽靈漏洞天然免疫，補丁都不需要，同時可以通過固件更新、系統(tǒng)補丁等修復(fù)受影響的Spectre幽靈漏洞。

Zen 2則在設(shè)計之中就從硬件層面防御了Spectre幽靈漏洞，不但絕對保證安全，也不會因為打補丁而導(dǎo)致性能損失。

以上就是AMD Zen 2架構(gòu)在設(shè)計上的革新，以及結(jié)合7nm工藝帶來的眾多飛躍，至于實際產(chǎn)品表現(xiàn)，稍后分享官方性能數(shù)據(jù)，然后7月7日首發(fā)評測見！