AMD Zen 3 arkitektoniske forbedringer: forklaret

Den 8. oktober^th, 2020 meddelte AMD, at det er helt nye Ryzen 5000-serie desktop-processorer baseret på Zen 3-arkitekturen. Denne meddelelse var en af de mest forventede pc-hardware-meddelelser i året. Lige siden lanceringen af den oprindelige Zen-arkitektur i 2017 har AMD været på en stejl opadgående bane med hensyn til årlige arkitektoniske forbedringer. Dette år var ikke anderledes, hvor AMD hævdede at tilbyde det største generationsskridt i Ryzen-processors historie. Hvad gør denne nye arkitektur så speciel? Lad os tage et dybt dykke ned i de arkitektoniske forbedringer, der er bragt af Zen 3.

Grundlæggende om Zen-arkitektur

AMDs Ryzen-processorer bruger et unikt design, der adskiller sig meget fra, hvad deres vigtigste konkurrent Intel bruger i deres desktop-processorer. Ryzen-processorer er faktisk baseret på flere små chipletter snarere end en stor enestående chip. Disse forskellige chipletter kommunikerer med hinanden via en forbindelse kendt som "Infinity Fabric". AMD beskriver Infinity-stoffet som et supersæt af hypertransport, som giver mulighed for hurtig forbindelse mellem forskellige chipletter i AMD-processorer. Dette betyder, at der i stedet for en enkelt chip er der flere små chipletter på substratet, der kommunikerer med hinanden via et hurtigt link.

Dette design kommer med sine fordele og ulemper. Den største fordel er skalerbarhed. Et chipletdesign betyder, at AMD kan pakke flere kerner i en mindre pakke, hvilket giver mulighed for høje kernetællingsmuligheder i selv budgettet på CPU-markedet. Den største ulempe ved dette design er ventetid. Kerne er fysisk adskilt fra hinanden, hvilket introducerer lidt mere ventetid på grund af den tid, det tager for data at rejse over det uendelige stof. Dette betyder, at ydeevne i latensfølsomme applikationer som spil normalt er lavere end Intels single-chip-design.

Zen 2-implementering

Ryzen 3000-seriens processorer var en massiv succes på det almindelige desktop-marked. Disse CPU'er var baseret på Zen 2-arkitekturen bygget på TSMCs 7nm-proces, som havde nogle meget interessante forbedringer i designet af Zen-arkitekturen. Zen 2 kombinerede CPU-kernerne i kernekomplekser på 4 hver, mens de også delte puljen på 32 MB L3-cache i to mindre puljer med hver 16 MB cache. Disse kernekomplekser (CCX) var grundlaget for Zen 2-opstillingen af processorer. Hvert 4-kernekompleks havde øjeblikkelig adgang til 16 MB L3-cache, hvilket var vigtigt for at forbedre latenstiden. Dette betød, at Zen 2 var meget konkurrencedygtig over for Intel i latensfølsomme applikationer som spil, mens den stærkt overgik Intel i multitråde arbejdsbelastninger.

De forskellige CCX-enheder skulle stadig forbindes via Infinity Fabric, så der kunne stadig forventes noget ventetid. Ikke desto mindre tilbød Zen 2 en forbedring på 15% IPC (Instruktioner pr. Ur) i forhold til Zen + og pralede også højere kerneklokker. Denne generation var vigtig for AMD, da de nu har slået sig tilbage i konkurrencen med Intel og har et stort potentiale for forbedring på grund af deres hurtige innovation og Intels selvtilfredshed.

Mål for Zen 3

AMD satte sig for at udvikle Zen 3 med et meget klart mål for øje. Da de allerede dominerer den multitrådede side af konkurrencen, er det eneste område, hvor de stadig ligger lidt bag Intel, gaming. Så god som Zen 3 var, kunne den ikke stjæle spilkronen fra Intel på grund af det blå holds design, der tilbyder ekstremt høje klokkehastigheder og lav ventetid. For rene spillere, der ønsker den højest mulige ramme, var svaret stadig Intel. Derfor var AMDs mål for denne generation klare:

Forbedre kerne-til-kerne-forsinkelse
Forøg kerneurets hastigheder
Forøg instruktioner pr. Ur (IPC)
Forøg effektiviteten (højere ydelse pr. Watt)
Forøg ydelse med en enkelt gevind

I betragtning af at Zen 2 allerede var en meget solid performer inden for multi-core applikationer, var det let for AMD at fokusere næsten udelukkende på den single-threaded performance til denne generation af CPU'er.

Forbedringer af Zen 3

AMD talte om deres nye CPU'er og Zen 3-arkitekturen i deres "Where Gaming Begins" Live stream den 8. oktober^th. AMD hævder, at Zen 3 er det største generationsskridt i Zen-arkitekturens historie. De nye Ryzen 5000 CPU'er er stadig baseret på TSMCs 7nm-proces, men kan prale af et stort antal arkitektoniske forbedringer under emhætten.

Kompleks design med 8 kerner

Formentlig den største forbedring med den nye arkitektur var det helt nye layout. AMD har fjernet Zen-2's multiple-CCX-design og er i stedet gået med et enkelt 8-core Complex-design, hvor alle de 8 kerner har adgang til hele 32 MB L3-cache. Dette redesign har enorme implikationer i latensfølsomme applikationer som spil.

Med hver kerne i direkte kontakt med cachen og de andre kerner forbedrer det forsinkelsen betydeligt, fordi dataene ikke har krydset hele matricen for at komme fra den ene side til den anden. Dette redesign forbedrer også chipens effektive hukommelsesforsinkelse, hvilket resulterer i øget ydeevne for opgaver med enkelt gevind.

IPC-forbedring

Det forbedrede layout af kernekomplekset er ikke den eneste forbedring, som Zen 3 bringer. AMD hævder en 19% IPC-forbedring i forhold til Zen 2, hvilket er en enorm figur. IPC eller instruktioner pr. Ur er vejledende for, hvor meget arbejde CPU'en kan udføre pr. Urcyklus. Forbedringen på 19% er det største spring, vi har set i IPC lige siden Ryzen blev lanceret i 2017. Den forrige generation af Zen 2-processorer bragte også en ret massiv 15% IPC-forbedring i forhold til Zen + -arkitekturen.

Denne IPC-forbedring betyder, at AMD kan konkurrere med Intels skyhøje kerneklokke ved endda at forblive under 5 GHz med hensyn til boosture. AMD har også skitseret bidragsydere til denne massive IPC-stigning. Ifølge reklamematerialet er de vigtigste medvirkende faktorer:

Forhentning af cache
Udførelsesmotor
Gren forudsigelse
Micro-op-cache
Frontend
Indlæs / opbevar

Forbedret effektivitet

På grund af den utrolige tæthed af TSMCs 7nm-proces var AMD i stand til at presse endnu mere strøm ind i Ryzen-chipsene, samtidig med at den samme gennemsnitlige effektforbrug blev opretholdt. AMD hævder, at Ryzen 5000-seriens chips er bygget på den samme 7 nm-proces som 3000-serien, men processen er blevet raffineret, og de resulterende chips er således mere effektive.

AMD har også fremsat et dristigt krav om, at Ryzen 9 5900X og 5950X vil forbruge den samme mængde strøm som henholdsvis sidste generation 3900X og 3950X, på trods af at de har højere boosture og den forbedrede IPC. AMDs reklamemateriale citerede en forbedring af "2.4X Performance per Watt" i forhold til den originale Zen-arkitektur. Dette nummer stemmer overens med AMDs påstande om strømforbrug på 5900X og 5950X, da de nu har højere ure, men stadig har de samme TDP-numre som deres forgængere.

Raffineret silicium, højere ure

I slutningen af Ryzen 3000-seriens levetid udgav AMD en opdatering, der tilføjede 3 CPU'er til serien med brandet "XT". Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT og Ryzen 9 3900XT var nøjagtigt de samme CPU'er som basismodellerne, men med højere klokkehastigheder. I slutningen af et produkts levetid bliver fremstillingsprocessen moden, og siliciumkvaliteten bliver bedre. Dette betyder, at silicium producerer CPU'er, der kan øge højere og holde urene længere. Dette er præcis, hvordan XT-opstillingen af CPU'er blev mulig.

Med Zen 3-CPU'er brugte AMD den samme modne fremstillingsproces og silicium af højere kvalitet til at bygge CPU'er i 5000-serien på den samme 7 nm-node. Dette gjorde det muligt for AMD at skubbe boosture meget højere end endda XT-serien fra den sidste generation. Højere boost-ure kombineret med højere IPC og et redesign af kernelayoutet betød, at AMD var klar til at tackle udfordringen med single-threaded performance. De annoncerede urhastigheder for de 4 Ryzen 5000-serieprocessorer 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

Fordele ved chipetdesign

Der var mange faktorer, der gjorde det muligt for AMD at tage et så stort generationsskifte. En af de største er selve chipsets design, nemlig "Chiplet Style" -layoutet på CPU'en dør. Dette design giver mange vigtige fordele, når det kommer til generationsforbedringer:

Skalerbarhed: På grund af det faktum, at kerner er arrangeret inde i chiplets på substratet, er det muligt for AMD at klemme flere kerner ind i en lignende pakke uden risiko for overophedning. Intels konkurrerende design placerer alle kernerne meget tæt på hinanden, hvilket kan have drastiske termiske problemer, hvis de ikke er konfigureret korrekt. AMD har på den anden side haft succes med at bruge dette chipletdesign til at fremstille 6-core, 8-core, 12-core og endda 16-core processorer på den almindelige desktop-platform. Dette betyder, at AMD har etableret en kernetællingsdominans på grund af dette design.
Nem udvikling: En anden stor fordel ved dette design er tilsyneladende dets lette udvikling. Under udviklingsprocessen af Zen 3-arkitekturen brugte AMD nøjagtigt det samme basisdesign som Zen 2 og modificerede det derefter. Dette betød, at designet allerede var perfektioneret til en vis grad, og det var let for AMD at forbedre inden for de nøgleområder, de målrettede mod.
Samtidig 5 nm udvikling: AMD påpegede også, at deres fremtidige planer for Ryzen-CPU'er baseret på 5nm-arkitekturen også var på rette spor. Dette skyldes, at chipletdesignarkitekturen giver AMD mulighed for at køre flere udviklingsstrømme samtidigt. AMD var overbevist om, at deres 5 nm-proces ville ankomme som planlagt, ligesom Zen 3 og Zen 2-arkitekturen baseret på 7 nm-processen gjorde.

Forventede resultater

Zen 3-baserede Ryzen 5000-serie processorer lover at være branchens førende ikke kun inden for multitrådede arbejdsbelastninger, men også inden for spil. For første gang siden 2006 har AMD officielt fjernet Intel i løbet af den absolutte bedste spilydelse (ifølge AMDs påstande). AMD har også hævdet at have den højeste single-threaded ydeevne af enhver desktop-chip med Ryzen 9 5950X, efterfulgt tæt af Ryzen 9 5900X. Lad os se på de forventede resultater fra de arkitektoniske forbedringer, der er bragt af Zen 3.

Ledelse inden for spil

Med en kæmpe 19% IPC-forbedring, øget kerneklokke og et redesignet kernekomplekssystem har AMD taget et gigantisk spring i spilydelse denne generation. Mens Zen 2 var rimeligt konkurrencedygtig med Intels tilbud, planlægger Zen 3 at slå Intel direkte i alle spilbelastninger. AMD hævder, at Ryzen 9 5900X i gennemsnit er cirka 26% hurtigere end Ryzen 9 3900X i spil. Dette er et gigantisk spring, der skal tages i bare en generation.

Desuden har AMD også hævdet, at Ryzen 9 5900X er hurtigere end Core i9-10900K i spil. Dette er ret store nyheder for AMD-fans, der og for generelle pc-entusiaster. Dette betyder nu, at de bedste AMD-CPU'er slår de bedste Intel-CPU'er i både spil- og multi-core-applikationer. Det hjælper ikke Intels sag, at de stadig sidder fast i den arkaiske 14 nm-arkitektur og deres næste generation af Rocket-Lake-processorer rygtes også om at være på 14 nm. I mellemtiden skyder AMD på alle cylindre med deres 7 nm-tilbud i Zen 2 og Zen 3, mens de samtidig arbejder på 5 nm-planerne, som tilsyneladende også er på sporet. Dette kan have alvorlige konsekvenser for Intels desktop-CPU-markedsandel.

Forbedret ydelse med en enkelt gevind

AMD har haft bedre multicore-ydelse i et stykke tid nu, men det betyder ikke nødvendigvis bedre gamingydelse på grund af det faktum, at moderne spil ikke gør effektiv brug af alle kernerne. Mange spil har en dominerende tråd, ofte kaldet “verdens tråd”, som er mest brugt. Verdenstråden er massiv følsom over for latenstid og single-core-ydelse. Takket være AMDs arkitektoniske redesign er latenstiden blevet reduceret massivt, hvilket forbedrer ydeevnen for denne dominerende tråd massivt. Dette har gjort det muligt for AMD at tage føringen i spilscenarier.

Dette betyder også, at AMDs single-threaded-ydeevne nu er langt bedre end Intels. Faktisk viste AMD en imponerende single-core Cinebench score på 640 for Ryzen 9 5950X, som blev fulgt tæt af score på 631 af Ryzen 9 5900X. Disse forbedringer er også mulige på grund af det arkitektoniske kernekompleks redesign, reduceret ventetid og højere boost-ure i Zen 3-arkitekturen. Læs mere om Ryzen 5000-seriens processorer i enkelt tråd denne artikel.

Endnu højere ydeevne med flere tråde

AMD fortsatte sin dominans over det multitrådede præstationssegment og viste imponerende tal igen for sine Zen 3-baserede Ryzen 5000-serie processorer. Især har 12-core Ryzen 9 5900X og Ryzen 9 5950X uovertruffen ydeevne i kernetunge arbejdsbelastninger. AMD lavede også nogle justeringer under emhætten, hvilket gjorde det muligt for 5950X at være den hurtigste desktop-processor til CAD-arbejde også for første gang. AMD betragtede det som den bedste spilprocessor OG den bedste processor til oprettelse af indhold, og det er svært at argumentere med denne erklæring. AMD hævdede en imponerende 12% mere ydeevne i gengivelse af arbejdsbelastninger over 3950X. Dette gør denne processor til et absolut dyr for dem, der stræber efter det allerbedste, som desktop computing har at tilbyde.

Alarmklokker til Intel?

Der er ingen tvivl om, at AMD har forbedret deres Ryzen-serie af processorer med en næsten blændende hastighed. De har tilbudt enorme ydelsesforbedringer fra generation til generation, og Zen 3 lover at være deres største spring nogensinde. Mens Ryzen 3000-serieprocessorerne tilbød fremragende værdi med hensyn til kernetællinger og priser, var de stadig bag Intel i en hovedarbejdsbelastning: Gaming. AMD havde etableret en stærk føring inden for næsten alle andre aspekter af desktop-markedet, hvad enten det er gengivelse, kodning, videoproduktion eller streaming, men de havde brug for at overhale Intel inden for spil for virkelig at være den ubestridte bedste klassens processor.

Takket være det fantastiske arkitektoniske design af Ryzen-processorer, TSMC's 7 nm-proces og den strålende planlægning og udførelse af AMD-udviklingsteamet, har de endelig gjort det med Zen 3. Denne lancering skal ringe alarmklokker i Intel hovedkvarter. Intel er en enorm virksomhed, og der er ingen måde, at de ikke ville reagere på dette, men de har bestemt haltet bag AMD, når det kommer til udviklingshastigheden. Den største forhindring, som Intel skal rydde, er dens alderen 14nm-proces, som den har brugt lige siden Skylake.

Intel har haft veldokumenterede problemer med sin 10 nm-proces, og de er derfor ikke i stand til at udrulle desktopchips baseret på den arkitektur endnu. Tidevandet kan dog ændre sig snart, da Intel med succes har frigivet deres nylige bærbare CPU'er med kodenavnet "Tiger Lake", som er baseret på 10 nm-arkitekturen. Disse bærbare chips tilbyder store forbedringer i både ydeevne og effektivitet i løbet af den sidste generation, og det er sandsynligt, at Intel muligvis arbejder på at overføre denne proces til desktop-CPU'erne. Skulle Intel klare at få deres 10 nm proces funktionel, vil de kommende år være meget interessante for CPU-ydeevne entusiaster.