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€(gè)領(lǐng)域都大殺四方、一舉扭轉(zhuǎn)乾坤。

2018年，Zen架構(gòu)升級(jí)增強(qiáng)進(jìn)化為Zen+，制造工藝也從14nm來(lái)到12nm，而到了2019年，我們迎來(lái)第三代銳龍3000系列處理器的同時(shí)，架構(gòu)也升級(jí)為全新的Zen2，同時(shí)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(lái)探究一番，當(dāng)然CPU架構(gòu)和制造工藝是極深的、極專(zhuān)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(jìn)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(jí)的Jim Keller，以及無(wú)數(shù)工程師的心血付出。

Zen架構(gòu)誕生之初，AMD就強(qiáng)調(diào)這是其未來(lái)多年發(fā)展的基石，同時(shí)也早早就準(zhǔn)備好了長(zhǎng)期路線圖。14nm Zen打破堅(jiān)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(jì)劃進(jìn)行，如無(wú)意外將在2020年以銳龍四代的身份和我們見(jiàn)面。

再往后，AMD還有Zen 4乃至是Zen 5，都正在設(shè)計(jì)之中。如果每年一代的話，至少到2022年，AMD都會(huì)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(jì)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(gè)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(qiáng)以提升IPC，三是增強(qiáng)硬件安全性，四是新一代InfinityFabric互連總線實(shí)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(lái)自臺(tái)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(gè)重要工藝節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電7nm從高性能到低功耗、從數(shù)據(jù)中心到桌面到移動(dòng)都應(yīng)付自如，實(shí)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(guò)25％。

初代的Zen架構(gòu)相比于推土機(jī)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了幾乎恐怖的52％的IPC(每時(shí)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(qiáng)了個(gè)位數(shù)之后，Zen2又一舉提升了多達(dá)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(dá)21％，其中六成來(lái)自IPC架構(gòu)強(qiáng)化，另外四成來(lái)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(shì)從此徹底不復(fù)存在。

再進(jìn)一步，到了實(shí)際游戲中，以?xún)纱髁髌炫灋槔?，同樣?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(guò)10％，多則達(dá)到34％甚至更多，所以今后再說(shuō)銳龍打游戲不行可就過(guò)時(shí)了。

Zen 2架構(gòu)和銳龍三代能取得如此長(zhǎng)足的進(jìn)步，來(lái)源于方方面面的強(qiáng)化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)有架構(gòu)大幅革新、分支預(yù)測(cè)改進(jìn)、整數(shù)吞吐提升、浮點(diǎn)模塊翻番、內(nèi)存延遲降低、三級(jí)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(jì)。雖然很多人稱(chēng)之為“膠水”，但是在如今摩爾定律前進(jìn)遲緩、半導(dǎo)體技術(shù)提升艱難的情況下，這其實(shí)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(duì)不同市場(chǎng)提供最合適的產(chǎn)品，也能更好地提升峰值計(jì)算性能。

對(duì)于多芯片設(shè)計(jì)，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(jì)了Infinity Fabric總線，無(wú)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(jìn)化到第二代，在擴(kuò)展性、延遲、能效各個(gè)方面都有顯著提升。

擴(kuò)展性上，特別針對(duì)消費(fèi)級(jí)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(dá)27％。

延遲是多芯片互連的致命所在，一旦處理不好會(huì)導(dǎo)致整體效率的低下，包括核心、緩存、內(nèi)存等各個(gè)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(jì)，保證可以達(dá)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(gè)CCX里有4個(gè)物理核心、16MB三級(jí)緩存(比二代翻番)，同時(shí)兩個(gè)CCX組成一個(gè)CCD(CPU ComplexDie)，也就是我們看到的每一顆CPU芯片。

單獨(dú)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(gè)CCD有各自的Infinity Fabric PHY物理層，通過(guò)它和I/O Die芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)總線(Data Fabric)進(jìn)行高速互連通信——注意兩顆CPU芯片之間沒(méi)有直接通信，都要經(jīng)過(guò)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(gè)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(shí)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(gè)核心和線程都充分釋放)，達(dá)到了幾乎完美的98％。

比性能提升更讓人激動(dòng)的是能效，比如銳龍7 3700X相比銳龍7 2700X，絕對(duì)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(dá)75％。

能效提升如此之多，新工藝新架構(gòu)自然功不可沒(méi)，也大大帶動(dòng)了頻率，Zen、Zen+最高可以分別達(dá)到4.1GHz、4.35GHz，Zen2則來(lái)到了4.7GHz(16核心的3950X)，同時(shí)大大降低了達(dá)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(jìn)，Zen 就有了明顯的變化， Zen 2更是進(jìn)一步降低最多達(dá)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(jí)緩存更是讓Zen2有如神助，游戲性能可提升10-20％。

說(shuō)了半天，Zen2架構(gòu)設(shè)計(jì)呢？鑒于這些內(nèi)容過(guò)于深?yuàn)W，我們剛才先講了新架構(gòu)的效果，接下來(lái)就分享新架構(gòu)的內(nèi)部設(shè)計(jì)，只說(shuō)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(shū)。

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(cè)器。AMD這次采用了chiplet都芯片設(shè)計(jì)，而為了協(xié)調(diào)分散的不同模塊，不但有加強(qiáng)版的InfinityFabric總線，不但有翻番的三級(jí)緩存(提高命中率)，還特別強(qiáng)化了分支預(yù)測(cè)，從而將預(yù)測(cè)錯(cuò)誤率降低了大約30％，使得處理器可以花更少的時(shí)間完成前端分派工作，提高效率的同時(shí)也能節(jié)省功耗。

緩存結(jié)構(gòu)也有極大調(diào)整，支持各級(jí)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(jí)指令緩存從4-way 64KB調(diào)整為8-way 32KB，和一級(jí)數(shù)據(jù)緩存保持一致，關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，預(yù)取和利用率都得到改進(jìn)。

二級(jí)緩存保持每核心8-way 512KB不變，三級(jí)緩存則翻番到了每核心對(duì)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(gè)整數(shù)單元和三個(gè)AGU地址生成單元(之前是兩個(gè))、每時(shí)鐘周期三個(gè)AGEN/兩個(gè)載入/一個(gè)存儲(chǔ)、浮點(diǎn)單元翻倍支持單操作AVX-256、更快的虛擬化安全、硬件增強(qiáng)安全防御，等等。

以上是Zen 2前端、預(yù)取、解碼、浮點(diǎn)單元、整數(shù)執(zhí)行、載入存儲(chǔ)、緩存、安全等幾乎所有模塊的改進(jìn)，可以看到幾乎每一處都得到了全面強(qiáng)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(yùn)的是Zen對(duì)于Meltdown熔斷等諸多漏洞以及部分Spectre幽靈漏洞天然免疫，補(bǔ)丁都不需要，同時(shí)可以通過(guò)固件更新、系統(tǒng)補(bǔ)丁等修復(fù)受影響的Spectre幽靈漏洞。

Zen 2則在設(shè)計(jì)之中就從硬件層面防御了Spectre幽靈漏洞，不但絕對(duì)保證安全，也不會(huì)因?yàn)榇蜓a(bǔ)丁而導(dǎo)致性能損失。

以上就是AMD Zen 2架構(gòu)在設(shè)計(jì)上的革新，以及結(jié)合7nm工藝帶來(lái)的眾多飛躍，至于實(shí)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(píng)測(cè)見(jiàn)！