Архитектурни подобрения на AMD Zen 3: Обяснено

На 8 октомври^ти,2020 AMD обяви, че е чисто нов настолен процесор от серия Ryzen 5000, базиран на архитектурата Zen 3. Това съобщение беше едно от най-очакваните съобщения за хардуер за компютър за годината. Още от пускането на оригиналната Zen архитектура през 2017 г. AMD върви стръмно нагоре по отношение на годишните архитектурни подобрения. Тази година не беше по-различна, като AMD твърди, че предлага най-големия скок от поколения в историята на процесорите Ryzen. Какво прави тази нова архитектура толкова специална? Нека да се потопим дълбоко в архитектурните подобрения, донесени от Zen 3.

AMD представи своята архитектура Zen 3 на 8 октомври 2020 г. - Изображение: Wccftech

Основите на дзен архитектурата

Процесорите Ryzen на AMD използват уникален дизайн, който е много различен от това, което основният им конкурент Intel използва в своите настолни процесори. Процесорите Ryzen всъщност се базират на множество малки чипове, а не на голям единичен чип. Тези различни чипове комуникират помежду си чрез връзка, известна като „Infinity Fabric“. AMD описва Infinity плат като супер набор от хипертранспорт, който позволява бърза връзка между различни чипове в AMD процесорите. Това означава, че вместо един чип, върху субстрата има множество малки чипове, които комуникират помежду си чрез бърза връзка.

Този дизайн идва със своите плюсове и минуси. Най-голямото предимство е мащабируемостта. Чиплет дизайн означава, че AMD може да опакова повече ядра в по-малък пакет, като по този начин дава възможност за опции с голям брой ядра дори в бюджетния сегмент на пазара на процесори. Основният недостатък на този дизайн е латентността. Ядрата са физически отделени една от друга, което въвежда малко повече латентност поради времето, необходимо на данните да преминават през безкрайната тъкан. Това означава, че производителността в чувствителни на латентност приложения като игри обикновено е по-ниска от едночиповия дизайн на Intel.

Реализация на Zen 2

Процесорите от серия Ryzen 3000 постигнаха огромен успех на масовия десктоп пазар. Тези процесори бяха базирани на архитектурата Zen 2, изградена по 7nm процес на TSMC, която имаше някои много интересни подобрения в дизайна на архитектурата Zen. Zen 2 комбинира ядрата на процесора в Core Complex от по 4, като същевременно разделя пула от 32MB L3 кеш на два по-малки пула от по 16MB кеш всеки. Тези основни комплекси (CCX) бяха в основата на линията от процесори Zen 2. Всеки 4-ядрен комплекс имаше незабавен достъп до 16MB кеш L3, което беше важно за подобряване на латентността. Това означаваше, че Zen 2 беше много конкурентен за Intel в приложения, чувствителни към латентност като игри, като същевременно превъзхождаше Intel в многонишкови натоварвания.

Различните CCX единици все още трябваше да бъдат свързани помежду си чрез Infinity Fabric, така че все още се очакваше известно забавяне. Независимо от това, Zen 2 предложи 15% подобрение на IPC (Инструкции на часовник) спрямо Zen + и също се похвали с по-високи ядрени часовници. Това поколение беше важно за AMD, тъй като сега те се върнаха към конкуренцията с Intel и имат огромен потенциал за подобрение поради бързите си иновации и самодоволството на Intel.

Базираните на AMD Zen 2 процесори Ryzen 3000 от серия използват мулти-CCX дизайн - Изображение: Hexus

Цели за Zen 3

AMD се зае да разработи Zen 3 с много ясна цел. Тъй като те вече доминират в многопоточната страна на конкуренцията, единствената област, в която те все още изостават малко от Intel, е игрите. Колкото и добър да беше Zen 3, той не можа да открадне игралната корона на Intel поради дизайна на синия екип, който предлага изключително високи тактови честоти и ниска латентност. За чистите геймъри, които искат възможно най-високата честота на кадрите, отговорът все пак беше Intel. Следователно целите на AMD за това поколение бяха ясни:

• Подобрете латентността от ядро ​​до ядро
• Увеличете основните скорости на часовника
• Увеличете инструкциите на часовник (IPC)
• Увеличете ефективността (по-висока производителност на ват)
• Повишаване на производителността с една нишка

Като се има предвид, че Zen 2 вече беше много солиден в многоядрените приложения, беше лесно за AMD да се съсредоточи почти изключително върху еднонишковата производителност за това поколение процесори.

Подобрения на Zen 3

AMD говори за новите си процесори и архитектурата Zen 3 в своя поток на живо „Where Gaming Begins” на 8 октомври^ти. AMD твърди, че Zen 3 е най-големият скок в поколенията в историята на Zen архитектурата. Новите процесори Ryzen 5000 все още са базирани на 7-нанометровия процес на TSMC, но могат да се похвалят с редица архитектурни подобрения под капака.

8-ядрен комплексен дизайн

Може би най-голямото подобрение с новата архитектура беше изцяло новото оформление. AMD се отказа от дизайна с множество CCX на Zen 2 и вместо това се съгласи с един 8-ядрен комплексен дизайн, при който всичките 8 ядра имат достъп до целия 32MB кеш L3. Този редизайн има огромни последици за чувствителни към латентност приложения като игри.

С преработен 8-ядрен комплекс, целият 32MB L3 кеш вече е достъпен за всяко ядро ​​- Изображение: AMD

С всяко ядро, което е в пряк контакт с кеша и другите ядра, то значително подобрява латентността, тъй като данните нямат кръста на цялата матрица, за да преминат от едната страна към другата. Този редизайн също подобрява ефективната латентност на паметта на чипа, което води до повишена производителност за еднонишкови задачи.

Подобряване на IPC

Подобреното оформление на основния комплекс не е единственото подобрение, което Zen 3 носи. AMD претендира за 19% подобрение на IPC спрямо Zen 2, което е огромна цифра. IPC или Инструкции на часовник са показателни за това колко работа може да свърши процесорът за цикъл на часовника. Подобрението от 19% е най-големият скок, който сме наблюдавали в IPC, откакто Ryzen стартира за първи път през 2017 г. Предишното поколение процесори Zen 2 също донесе доста голямо подобрение от IPC с 15% спрямо архитектурата Zen +.

Това подобрение на IPC означава, че AMD може да се конкурира с небесните ядрени часовници на Intel, дори да остане под 5 GHz по отношение на усилващите часовници. AMD също очерта участниците в това огромно увеличение на IPC. Според рекламния материал основните фактори, допринасящи за това, са:

Подобрението на IPC с 19% е най-големият скок на поколенията досега - Изображение: AMD

• Предварително извличане на кеша
• Двигател за изпълнение
• Предсказване на клонове
• Micro-op кеш
• Преден край
• Заредете / съхранявайте

Подобрена ефективност

Поради невероятната плътност на 7-нанометровия процес на TSMC, AMD успя да вкара още повече мощност в чиповете Ryzen, като същевременно запази същото средно потребление на енергия. AMD твърди, че чиповете от серията Ryzen 5000 са изградени по същия 7nm процес, както при серията 3000, но процесът е усъвършенстван и получените чипове са по-ефективни.

С впечатляващото подобрение от 2,4 пъти на производителност на ват, AMD запази потреблението на енергия под контрол - Изображение: AMD

AMD също направи смела претенция, че Ryzen 9 5900X и 5950X ще консумират същото количество енергия като съответно 3900X и 3950X от последно поколение, въпреки че имат по-високи тактове за усилване и подобрения IPC. Промоционалният материал на AMD цитира подобрение „2.4X производителност на ват“ спрямо оригиналната Zen архитектура. Този номер се подрежда с твърденията на AMD за потреблението на мощност от 5900X и 5950X, тъй като сега те имат по-високи часовници, но все още имат същите TDP номера като техните предшественици.

Рафиниран силиций, по-високи часовници

В края на живота на серията Ryzen 3000, AMD пусна обновяване, което добави 3 процесора към серията с марката „XT“. Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT и Ryzen 9 3900XT бяха абсолютно същите процесори като базовите модели, но с по-висока тактова честота. По време на края на живота на продукта, производственият процес става зрял и качеството на силиция става по-добро. Това означава, че силицийът произвежда процесори, които могат да се увеличат и да задържат часовниците за по-дълго. Точно така стана възможна XT гамата от процесори.

С процесорите Zen 3 AMD използва същия този зрял производствен процес и по-висококачествения силиций, за да изгради процесорите от серия 5000 на същия 7nm възел. Това позволи на AMD да изтласква усилващите часовници много по-високо от дори серията XT от последното поколение. По-високите ускорителни часовници, съчетани с по-висок IPC и редизайн на оформлението на ядрото означаваха, че AMD е готова да се справи с предизвикателството на еднонишковата производителност. Обявените тактови честоти на 4-те процесора от серия Ryzen 5000 са както следва:

Рекламирани спецификации за 3-те процесора от серия Ryzen 5000 - Изображение: AMD

• AMD Ryzen 5 5600X: 3.7 GHz база, 4.6 GHz усилване
• AMD Ryzen 7 5800X: 3.8 GHz Base, 4.7 GHz Boost
• AMD Ryzen 9 5900X: 3.7 GHz база, 4.8 GHz усилване
• AMD Ryzen 9 5950X: 3.4 GHz Base, 4.9 GHz Boost

Предимства на дизайна на чиплета

Имаше много фактори, които направиха възможно AMD да направи такъв съществен скок между поколенията. Един от най-големите е дизайнът на самите чипове, а именно оформлението “Chiplet Style” на процесора. Този дизайн предлага много ключови предимства, когато става въпрос за подобрения на поколенията:

• Мащабируемост: Поради факта, че сърцевините са разположени вътре в чиповете на основата, е възможно AMD да натъпче повече ядра в подобна опаковка, без риск от прегряване. Конкурентният дизайн на Intel поставя всички ядра много близо едно до друго, което може да има драстични проблеми с топлината, ако не е конфигурирано правилно. AMD, от друга страна, успя успешно да използва този чиплет дизайн, за да направи 6-ядрени, 8-ядрени, 12-ядрени и дори 16-ядрени процесори на основната настолна платформа. Това означава, че AMD е установила доминиране на броя на ядрата благодарение на този дизайн.
• Лесно развитие: Друго голямо предимство на този дизайн очевидно е неговата лекота на разработка. По време на процеса на разработване на архитектурата Zen 3, AMD използва абсолютно същия основен дизайн като Zen 2 и след това го модифицира. Това означаваше, че дизайнът вече е усъвършенстван до известна степен и за AMD беше лесно да се подобри в ключовите области, към които бяха насочени.
• Едновременно 5nm развитие: AMD също така посочи, че техните бъдещи планове за процесори Ryzen, базирани на 5-нанометровата архитектура, също са в ход. Това е така, защото архитектурата на чиплет дизайн позволява на AMD да изпълнява едновременно множество потоци за развитие. AMD бяха уверени, че техният 5-нм процес ще пристигне точно както е планирано, точно както архитектурите Zen 3 и Zen 2, базирани на 7-нанометровия процес.

AMD твърди, че 5-нанометровият процес също е в дизайн - Изображение: AMD

Очаквани резултати

Базираните на Zen 3 процесори Ryzen 5000 серия обещават да бъдат лидери в индустрията не само в многонишковото натоварване, но и в игрите. За първи път от 2006 г. AMD официално детронира Intel в надпреварата за абсолютно най-доброто игрово представяне (според твърденията на AMD). AMD също така твърди, че има най-високата еднонишева производителност от всеки настолен чип с Ryzen 9 5950X, последван от Ryzen 9 5900X. Нека да разгледаме очакваните резултати от архитектурните подобрения, донесени от Zen 3.

Лидерство в игрите

С невероятните 19% подобрение на IPC, увеличените ядрени часовници и преработената основна сложна система, AMD направи гигантски скок в производителността на игрите през това поколение. Докато Zen 2 беше сравнително конкурентен с предложенията на Intel, Zen 3 планира направо да победи Intel при всички натоварвания на игри. AMD твърди, че Ryzen 9 5900X е средно с около 26% по-бърз от Ryzen 9 3900X в игрите. Това е гигантски скок, който трябва да се направи само за едно поколение.

Освен това AMD твърди също, че Ryzen 9 5900X е по-бърз от Core i9-10900K в игрите. Това е доста огромна новина за феновете на AMD, които и за общите ентусиасти на компютрите. Това сега означава, че най-добрите процесори на AMD побеждават най-добрите процесори на Intel както в игрите, така и в многоядрените приложения. Не помага на случая на Intel, че те все още са останали в архаичната 14nm архитектура и техните следващо поколение процесори Rocket-Lake също се говори, че са на 14nm. Междувременно AMD стреля по всички цилиндри със своите 7-нанометрови предложения в Zen 2 и Zen 3, като същевременно работи едновременно по 5-нанометровите планове, които очевидно също са на път. Това може да има сериозни последици за пазарния дял на настолния процесор на Intel.

Процесорите от серията AMD Ryzen 5000 са по-бързи в игрите, отколкото предложенията на Intel - Изображение: AMD

Подобрена производителност с една нишка

AMD има по-добра многоядрена производителност от известно време, но това не означава непременно по-добра игрална производителност поради факта, че съвременните игри не използват ефективно всички ядра. Много игри имат доминираща нишка, често наричана „световна нишка“, която се използва най-силно. Световната нишка е изключително чувствителна към латентност и едноядрена производителност. Благодарение на архитектурния редизайн на AMD, латентността е значително намалена, като по този начин значително се подобрява производителността на тази доминираща нишка. Това позволи на AMD да поеме водеща роля в игрите.

Това също означава, че еднонишковата производителност на AMD сега е значително по-добра от тази на Intel. Всъщност AMD показа впечатляващ едноядрен резултат на Cinebench от 640 за Ryzen 9 5950X, който беше последван от резултата 631 от Ryzen 9 5900X. Тези подобрения са възможни и поради редизайн на архитектурния основен комплекс, намалена латентност и по-високи тактови честоти на архитектурата Zen 3. Прочетете повече за еднонишкото представяне на процесорите от серия Ryzen 5000 в тази статия.

AMD Ryzen 9 5900X притежава рекорден едноядрен резултат от 631 в Cinebench - Изображение: AMD

Още по-висока производителност с много нишки

Продължавайки своето господство над многонишковия сегмент за производителност, AMD отново показа впечатляващи цифри за своите Zen 3 базирани процесори от серията Ryzen 5000. По-специално, 12-ядрените Ryzen 9 5900X и Ryzen 9 5950X имат ненадмината производителност при тежки ядра. AMD също направи някои ощипвания под капака, което позволи за първи път 5950X да бъде и най-бързият настолен процесор за CAD работа. AMD го счете за най-добрия процесор за игри И най-добрия процесор за създаване на съдържание и е трудно да се спори с това твърдение. AMD заяви впечатляващите 12% по-висока производителност при рендиране на натоварвания в сравнение с 3950X. Това прави този процесор абсолютен звяр за тези, които се стремят към най-доброто, което настолните компютри могат да предложат.

Алармени звънци за Intel?

Няма съмнение, че AMD подобрява своята гама процесори Ryzen с почти ослепителна скорост. Те са предложили огромни подобрения в производителността от поколение на поколение и Zen 3 обещава да бъде най-големият им скок досега. Докато процесорите от серия Ryzen 3000 предлагаха отлична стойност по отношение на броя на ядрата и цените, те все още изоставаха от Intel в едно основно натоварване: игри. AMD установи силен лидер в почти всички други аспекти на пазара за настолни компютри, независимо дали е рендиране, кодиране, производство на видео или стрийминг, но те трябваше да изпреварят Intel в игрите, за да бъдат наистина безспорният най-добър в класа си процесор.

Благодарение на невероятния архитектурен дизайн на процесорите Ryzen, 7-нанометровия процес на TSMC и блестящото планиране и изпълнение от екипа за разработка на AMD, те най-накрая го направиха с Zen 3. Това стартиране трябва да бие тревожни звънци в централата на Intel. Intel е огромна компания и няма начин те да не реагират на това, но със сигурност са изоставали от AMD, що се отнася до скоростта на развитие. Основното препятствие, което Intel трябва да премахне, е 14-нанометровият процес на възраст, който използва от Skylake.

Архитектурна пътна карта на Intel - Изображение: Wccftech

Intel е имала добре документирани проблеми с 10-нанометровия си процес и поради това те все още не са в състояние да пуснат настолни чипове, базирани на тази архитектура. Приливите и отливите обаче може да се променят скоро, след като Intel успешно пусна скорошните си процесори за лаптопи с кодово име „Tiger Lake“, които са базирани на 10-нанометровата архитектура. Тези чипове за лаптопи предлагат големи подобрения както в производителността, така и в ефективността през последното поколение и е вероятно Intel да работи за пренасяне на този процес към настолните процесори. Ако Intel успее да осигури функционалността на своя 10nm процес, следващите години ще бъдат много интересни за ентусиастите на производителността на процесора.