AMD Zen 3 arkitektoniske forbedringer: forklart

8. oktober^th, 2020 AMD kunngjorde at de er helt nye Ryzen 5000-serie stasjonære prosessorer basert på Zen 3-arkitekturen. Denne kunngjøringen var en av årets mest etterlengtede PC-maskinvaremeldinger. Helt siden lanseringen av den opprinnelige Zen-arkitekturen i 2017 har AMD vært på en bratt oppadgående bane når det gjelder årlige arkitektoniske forbedringer. Dette året var ikke annerledes, med AMD som hevdet å tilby det største generasjonsspranget i Ryzen-prosessorers historie. Hva gjør denne nye arkitekturen så spesiell? La oss dykke dypt inn i de arkitektoniske forbedringene Zen 3 gir.

Grunnleggende om Zen-arkitektur

AMDs Ryzen-prosessorer bruker en unik design som er veldig forskjellig fra hva deres viktigste konkurrent Intel bruker i stasjonære prosessorer. Ryzen-prosessorer er faktisk basert på flere små brikker, snarere enn en stor enkeltbrikke. Disse forskjellige chiplettene kommuniserer med hverandre via en forbindelse kjent som "Infinity Fabric". AMD beskriver Infinity-stoffet som et supersett av hypertransport som muliggjør rask tilkobling mellom forskjellige brikker i AMD-prosessorer. Dette betyr at det i stedet for en enkelt brikke er flere små brikker på substratet som kommuniserer med hverandre via en rask lenke.

Denne designen kommer med fordeler og ulemper. Den største fordelen er skalerbarhet. En chiplet-design betyr at AMD kan pakke flere kjerner i en mindre pakke, og dermed gi muligheter for høye kjerntall i selv budsjettsegmentet i CPU-markedet. Den største ulempen med dette designet er ventetid. Kjernene er fysisk skilt fra hverandre, noe som introduserer litt mer ventetid på grunn av tiden det tar for data å reise over det uendelige stoffet. Dette betyr at ytelse i latensfølsomme applikasjoner som spill vanligvis er lavere enn Intels single-chip-design.

Zen 2 Implementering

Ryzen 3000-serien prosessorer var en stor suksess i det vanlige skrivebordsmarkedet. Disse CPUene var basert på Zen 2-arkitekturen bygget på TSMCs 7nm-prosess, som hadde noen veldig interessante forbedringer i utformingen av Zen-arkitekturen. Zen 2 kombinerte CPU-kjernene i kjernekomplekser på 4 hver, mens de også delte bassenget på 32MB L3 Cache i to mindre bassenger med 16MB cache hver. Disse kjernekompleksene (CCX) var grunnlaget for Zen 2-serien av prosessorer. Hvert 4-kjernekompleks hadde umiddelbar tilgang til 16 MB L3-cache, noe som var viktig for å forbedre ventetiden. Dette betydde at Zen 2 var veldig konkurransedyktig mot Intel i latensfølsomme applikasjoner som spill, mens de overgikk Intel i flertrådede arbeidsbelastninger.

De forskjellige CCX-enhetene måtte fremdeles kobles sammen via Infinity Fabric, så noe ventetid var fortsatt å forvente. Likevel tilbød Zen 2 en forbedring av IPC (Instruksjoner per klokke) på 15% i forhold til Zen + og skryte også av høyere kjerneur. Denne generasjonen var viktig for AMD, ettersom de nå har kommet tilbake til konkurransen med Intel, og har et stort forbedringspotensial på grunn av deres raske innovasjon og Intels selvtilfredshet.

Mål for Zen 3

AMD satte seg for å utvikle Zen 3 med et veldig klart mål i tankene. Siden de allerede dominerer den flertrådede siden av konkurransen, er det eneste området der de fortsatt henger litt etter Intel, spill. Så bra som Zen 3 var, kunne den ikke stjele spillkronen av Intel på grunn av det blå lagets design som tilbyr ekstremt høye klokkehastigheter og lav ventetid. For rene spillere som ønsker høyest mulig ramme, var svaret fortsatt Intel. Derfor var AMDs mål for denne generasjonen klare:

Forbedre kjerne-til-kjerne ventetid
Øk kjernehastighetene
Øk IPC (Instruksjoner per klokke)
Øk effektiviteten (høyere ytelse per watt)
Øk ytelse med en tråd

Tatt i betraktning at Zen 2 allerede var en veldig solid spiller i flerkjerneapplikasjoner, var det enkelt for AMD å fokusere nesten utelukkende på ytelsen med en tråd til denne generasjonen av CPUer.

Forbedringer av Zen 3

AMD snakket om deres nye CPUer og Zen 3-arkitekturen i deres "Where Gaming Begins" Live stream 8. oktober^th. AMD hevder at Zen 3 er det største generasjonsspranget i Zen-arkitekturens historie. De nye Ryzen 5000-CPUene er fremdeles basert på TSMCs 7nm-prosess, men kan skilte med et stort antall arkitektoniske forbedringer under panseret.

8-kjerners kompleks design

Den største forbedringen med den nye arkitekturen var uten tvil den helt nye utformingen. AMD har gjort unna med flere CCX-design av Zen 2, og har i stedet gått med en enkelt 8-kjerners kompleks design der alle de 8 kjernene har tilgang til hele 32 MB L3-cache. Dette redesignet har enorme implikasjoner i ventetidssensitive applikasjoner som spill.

Med hver kjerne i direkte kontakt med hurtigbufferen og de andre kjernene, forbedrer det ventetiden betydelig fordi dataene ikke har krysset hele matrisen for å komme fra den ene siden til den andre. Dette redesignet forbedrer også den effektive minnetiden for brikken, noe som resulterer i økt ytelse for oppgaver med en tråd.

IPC-forbedring

Den forbedrede utformingen av kjernekomplekset er ikke den eneste forbedringen som Zen 3 gir. AMD hevder en 19% IPC-forbedring over Zen 2, noe som er en enorm figur. IPC eller Instruksjoner per klokke er en indikasjon på hvor mye arbeid prosessoren kan gjøre per klokkesyklus. Forbedringen på 19% er det største hoppet vi har sett i IPC helt siden Ryzen først ble lansert i 2017. Den forrige generasjonen av Zen 2-prosessorer brakte også en ganske massiv 15% IPC-forbedring i forhold til Zen + -arkitekturen.

Denne IPC-forbedringen betyr at AMD kan konkurrere med Intels skyhøye kjerneklokker ved å til og med holde seg under 5 GHz når det gjelder boostklokker. AMD har også skissert bidragsyterne til denne massive IPC-økningen. Ifølge markedsføringsmaterialet er de viktigste medvirkende faktorene:

Henting av hurtigbuffer
Utførelsesmotor
Grenprediktor
Micro-op-hurtigbuffer
Front End
Last / lagre

Forbedret effektivitet

På grunn av den utrolige tettheten til TSMCs 7nm-prosess, klarte AMD å presse enda mer kraft inn i Ryzen-sjetongene samtidig som den opprettholdt den samme gjennomsnittlige kraftuttaket. AMD hevder at chipsene i Ryzen 5000-serien er bygget på den samme 7 nm-prosessen som 3000-serien, men prosessen har blitt raffinert og de resulterende sjetongene er dermed mer effektive.

AMD har også fremmet et dristig krav om at Ryzen 9 5900X og 5950X vil forbruke samme mengde strøm som henholdsvis den siste generasjonen 3900X og 3950X, til tross for at de har høyere boostklokker og forbedret IPC. AMDs salgsfremmende materiale siterte en forbedring på "2.4X Performance per Watt" sammenlignet med den opprinnelige Zen-arkitekturen. Dette tallet stemmer overens med AMDs påstander om kraftuttaket på 5900X og 5950X, siden de nå har høyere klokker, men fortsatt har de samme TDP-tallene som forgjengerne.

Raffinert silisium, høyere klokker

På slutten av livstiden til Ryzen 3000-serien, ga AMD ut en oppdatering som la til 3 prosessorer til serien med "XT" -merket. Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT og Ryzen 9 3900XT var nøyaktig de samme CPUene som basismodellene, men med høyere klokkehastigheter. I løpet av slutten av et produkts levetid blir produksjonsprosessen moden og silisiumkvaliteten blir bedre. Dette betyr at silisiumet produserer CPUer som kan øke høyere og holde klokkene lenger. Dette er nøyaktig hvordan XT-serien med CPUer ble mulig.

Med Zen 3-prosessorer brukte AMD den samme modne produksjonsprosessen og silisium av høyere kvalitet for å bygge 5000-serien CPUer på samme 7nm-node. Dette gjorde at AMD kunne presse boostklokkene mye høyere enn til og med XT-serien fra forrige generasjon. Høyere boost-klokker, kombinert med høyere IPC og en redesign av kjerneoppsettet, gjorde at AMD var klar til å takle utfordringen med single-threaded ytelse. De annonserte klokkehastighetene til de 4 prosessorer i Ryzen 5000-serien er som følger:

AMD Ryzen 5 5600X: 3,7 GHz Base, 4,6 GHz Boost
AMD Ryzen 7 5800X: 3,8 GHz Base, 4,7 GHz Boost
AMD Ryzen 9 5900X: 3,7 GHz Base, 4,8 GHz Boost
AMD Ryzen 9 5950X: 3,4 GHz Base, 4,9 GHz Boost

Fordeler med sjetongdesign

Det var mange faktorer som gjorde det mulig for AMD å gjøre et så stort sprang mellom generasjoner. En av de største er utformingen av selve sjetongene, nemlig "Chiplet Style" -oppsettet til CPU-en. Denne designen gir mange viktige fordeler når det gjelder generasjonsforbedringer:

Skalerbarhet: På grunn av det faktum at kjerner er ordnet inne i brikkene på underlaget, er det mulig for AMD å stappe flere kjerner inn i en lignende pakke uten fare for overoppheting. Intels konkurrerende design plasserer alle kjernene veldig nær hverandre, noe som kan ha drastiske termiske problemer hvis de ikke er riktig konfigurert. AMD har derimot lykkes med å bruke denne chipletdesignen til å lage 6-kjerne, 8-kjerne, 12-kjerne og til og med 16-kjerne prosessorer på den vanlige stasjonære plattformen. Dette betyr at AMD har etablert en kjernetalldominans på grunn av denne designen.
Enkel utvikling: En annen stor fordel med dette designet er tilsynelatende den enkle utviklingen. Under utviklingsprosessen av Zen 3-arkitekturen brukte AMD nøyaktig samme basisdesign som Zen 2 og modifiserte den deretter. Dette betydde at designet allerede var perfeksjonert til en viss grad, og det var lett for AMD å forbedre seg på de viktigste områdene de siktet seg mot.
Samtidig utvikling av 5 nm: AMD påpekte også at deres fremtidige planer for Ryzen-prosessorer basert på 5nm-arkitekturen også var på rett spor. Dette er fordi chipletdesignarkitekturen gjør at AMD kan kjøre flere utviklingsstrømmer samtidig. AMD var overbevist om at 5nm-prosessen deres ville komme akkurat som planlagt, akkurat som Zen 3 og Zen 2-arkitekturen basert på 7nm-prosessen gjorde.

forventede resultater

Zen 3-baserte Ryzen 5000-serieprosessorer lover å være bransjeledende ikke bare innen flertrådet arbeidsbelastning, men også innen spill. For første gang siden 2006 har AMD offisielt avskåret Intel i løpet av den absolutt beste spillytelsen (ifølge AMDs påstander). AMD har også hevdet å ha den høyeste single-threaded ytelsen til en hvilken som helst stasjonær chip med Ryzen 9 5950X, fulgt tett av Ryzen 9 5900X. La oss se på de forventede resultatene fra de arkitektoniske forbedringene Zen 3 har gitt.

Ledelse innen spill

Med en heidundrende 19% forbedring av IPC, økte kjerneur og et nydesignet kjernekomplekssystem, har AMD gjort et gigantisk sprang i spillytelse denne generasjonen. Mens Zen 2 var rimelig konkurransedyktig med Intels tilbud, planlegger Zen 3 å slå Intel direkte i alle spillbelastninger. AMD hevder at Ryzen 9 5900X i gjennomsnitt er omtrent 26% raskere enn Ryzen 9 3900X i spill. Dette er et gigantisk sprang som skal gjøres i bare en generasjon.

Videre har AMD også hevdet at Ryzen 9 5900X er raskere enn Core i9-10900K i spill. Dette er ganske store nyheter for AMD-fans som og for generelle PC-entusiaster. Dette betyr nå at de beste AMD-CPUene slår de beste Intel-CPUene i både spill- og flerkjerneapplikasjoner. Det hjelper ikke Intels tilfelle at de fremdeles sitter fast på den arkaiske 14nm arkitekturen og deres neste generasjons Rocket-Lake-prosessorer ryktes også å være på 14nm. I mellomtiden skyter AMD på alle sylindere med sine 7 nm-tilbud i Zen 2 og Zen 3, mens de samtidig jobber med 5 nm-planene som tilsynelatende også er på banen. Dette kan ha alvorlige implikasjoner for Intels stasjonære CPU-markedsandel.

Forbedret ytelse med en tråd

AMD har hatt bedre flerkjerneytelse en stund nå, men det betyr ikke nødvendigvis bedre spillytelse på grunn av at moderne spill ikke bruker alle kjernene effektivt. Mange spill har en dominerende tråd, ofte kalt “verdens tråd”, som brukes mest. Verdenstråden er veldig følsom for ventetid og ytelse med én kjerne. Takket være AMDs arkitektoniske redesign har forsinkelsen blitt redusert massivt og forbedret ytelsen til denne dominerende tråden massivt. Dette har gjort det mulig for AMD å ta ledelsen i spillscenarier.

Dette betyr også at AMDs single-threaded ytelse nå er langt bedre enn Intel. Faktisk viste AMD en imponerende single-core Cinebench-poengsum på 640 for Ryzen 9 5950X, som ble fulgt tett av poengsummen 631 av Ryzen 9 5900X. Disse forbedringene er også mulige på grunn av den arkitektoniske kjerneomdannelsen, redusert ventetid og høyere boost-klokker i Zen 3-arkitekturen. Les mer om den enkeltgjengede ytelsen til Ryzen 5000-serien prosessorer i denne artikkelen.

Enda høyere ytelse med flere tråder

Fortsatt sin dominans over det flertrådede ytelsessegmentet, viste AMD imponerende tall igjen for sine Zen 3-baserte Ryzen 5000-serie prosessorer. Spesielt har 12-kjerne Ryzen 9 5900X og Ryzen 9 5950X uovertruffen ytelse i kjernetunge arbeidsbelastninger. AMD gjorde også noen justeringer under panseret, noe som gjorde at 5950X også kunne være den raskeste stasjonære prosessoren for CAD-arbeid. AMD betraktet det som den beste spillprosessoren OG den beste prosessoren for innholdsoppretting, og det er vanskelig å argumentere for den uttalelsen. AMD hevdet imponerende 12% mer ytelse når det gjelder å gjengi arbeidsbelastninger over 3950X. Dette gjør denne prosessoren til et absolutt dyr for de som streber etter det aller beste som stasjonær datamaskin har å tilby.

Alarmklokker for Intel?

Det er ingen tvil om at AMD har forbedret deres Ryzen-serie med prosessorer til en nesten blendende hastighet. De har tilbudt enorme ytelsesforbedringer fra generasjon til generasjon, og Zen 3 lover å være deres største hopp ennå. Mens prosessorer i Ryzen 3000-serien tilbød utmerket verdi når det gjelder kjerntall og priser, var de fortsatt bak Intel i en hovedbelastning: Gaming. AMD hadde etablert en sterk ledelse i nesten alle andre aspekter av skrivebordsmarkedet, det være seg gjengivelse, koding, videoproduksjon eller streaming, men de trengte å innhente Intel innen spill for å være den ubestridte beste prosessoren i klassen.

Takket være den fantastiske arkitektoniske utformingen av Ryzen-prosessorene, TSMCs 7nm-prosess og den strålende planleggingen og utførelsen av AMD-utviklingsteamet, har de endelig gjort det med Zen 3. Denne lanseringen må ringe alarmklokker i Intel hovedkvarter. Intel er et stort selskap, og det er ingen måte at de ikke vil svare på dette, men de har absolutt halt etter AMD når det gjelder utviklingshastigheten. Hovedhinderet Intel må fjerne er alderen 14nm prosessen som den har brukt helt siden Skylake.

Intel har hatt veldokumenterte problemer med sin 10nm prosess, og derfor er de ikke i stand til å rulle ut stasjonære sjetonger basert på den arkitekturen ennå. Tidevannet kan imidlertid endres snart ettersom Intel har gitt ut sine nylige bærbare CPU-er med kodenavnet "Tiger Lake", som er basert på 10 nm-arkitekturen. Disse bærbare datamaskinbrikkene gir store forbedringer i både ytelse og effektivitet i løpet av den siste generasjonen, og det er sannsynlig at Intel kan jobbe med å overføre denne prosessen til stasjonære CPUer. Skulle Intel klare å få sin 10 nm-prosess funksjonell, kommer de kommende årene å være veldig interessante for CPU-ytelsesentusiaster.