AMD Zen2架构深度揭秘：100％翻新 单核性能完美

印度大拿

2017年，AMD Zen架构横空出世，Ryzen锐龙、EPYC霄龙处理器在各个领域都大杀四方、一举扭转乾坤。
/ ~+ D2 S% M1 o: _' J: `2018年，Zen架构升级增强进化为Zen+，制造工艺也从14nm来到12nm，而到了2019年，我们迎来第三代锐龙3000系列处理器的同时，架构也升级为全新的Zen 2，同时制造工艺也是全新的7nm。

Zen 2架构到底全新在哪里？7nm工艺到底有何加成？今天我们就来探究一番，当然CPU架构和制造工艺是极深的、极专业的，我们这里也只是浮光掠影地看一些毛皮，感受一下AMD激进的步伐。
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$ z0 ~- u0 }9 @" B首先介绍一下Mike Clark，AMD Corporate Fellow(企业院士)、Zen首席架构师。能有今天的处理器，这可是首要功臣，当然还有大神级的Jim Keller，以及无数工程师的心血付出。
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Zen架构诞生之初，AMD就强调这是其未来多年发展的基石，同时也早早就准备好了长期路线图。14nm Zen打破坚冰、12nm Zen巩固江山之后，7nm Zen 2将在七月份正式出货，7nm+工艺的下一代全新Zen 3也正在按计划进行，如无意外将在2020年以锐龙四代的身份和我们见面。
6 U' v) u0 }% G) m2 j' h再往后，AMD还有Zen 4乃至是Zen 5，都正在设计之中。如果每年一代的话，至少到2022年，AMD都会以让人目眩的速度持续提升。牙膏，不存在的……
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Zen 2的设计理念或者原则主要有四条，一是结合新工艺成为世界上首个7nm工艺的高性能x86 CPU，二是在核心执行能力方面全方位增强以提升IPC，三是增强硬件安全性，四是新一代Infinity Fabric互连总线实现配置和性能的模块化和灵活性。
) {9 ?$ J+ J& f6 G9 S* @Zen 2架构使用的7nm工艺当然是来自台积电，AMD也与之有着极为深入的合作，从CPU到GPU都在用它。

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作为一个重要工艺节点，台积电7nm从高性能到低功耗、从数据中心到桌面到移动都应付自如，实现了晶体管密度的翻番，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过25％。

初代的Zen架构相比于推土机架构实现了几乎恐怖的52％的IPC(每时钟周期指令数可粗糙理解为架构性能或者单线程性能)提升，Zen+在加强了个位数之后，Zen 2又一举提升了多达15％，远远超出了行业平均水平。
而到了产品层面，Zen 2相比于Zen+的单线程性能提升了多达21％，其中六成来自IPC架构强化，另外四成来自7nm工艺和频率提升，锐龙处理器单线程、单核心性能稍弱的劣势从此彻底不复存在。
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2 Z! c; U/ g" c2 V' f  n6 Z再进一步，到了实际游戏中，以两代主流旗舰为例，同样是8核心16线程，锐龙7 3800X相比于锐龙7 2700X的游戏性能在主流大作中可以轻松提升少则超过10％，多则达到34％甚至更多，所以今后再说锐龙打游戏不行可就过时了。
0 J" I: F- v8 kZen 2架构和锐龙三代能取得如此长足的进步，来源于方方面面的强化，简单来说有架构大幅革新、分支预测改进、整数吞吐提升、浮点模块翻番、内存延迟降低、三级缓存容量翻番、频率大幅提高、系统和软件优化，等等等等。

0 L; O- Q, \! `. Z3 a' D5 s除了底层架构的大变，三代锐龙(以及新一代霄龙)还采用了chiplet多芯片设计。虽然很多人称之为“胶水”，但是在如今摩尔定律前进迟缓、半导体技术提升艰难的情况下，这其实是非常明智的选择。
8 s0 K  o1 L2 m4 i3 D# z一方面，它可以减轻架构和工艺压力，不同IP模块可以选择最合适优化的工艺，从而大大降低研发、制造成本，并提高良品率。
* Y3 Z; ]: V  M6 q$ d; |另一方面，它可以灵活地配置产品规格和特性，针对不同市场提供最合适的产品，也能更好地提升峰值计算性能。


对于多芯片设计，最关键的因素就是提高不同模块之间的通信带宽和效率、降低延迟，AMD为此设计了Infinity Fabric总线，无论AMD CPU还是AMD GPU，互连互通都是基于这种新型总线。
三代锐龙上，Infinity Fabric总线已经进化到第二代，在扩展性、延迟、能效各个方面都有显著提升。
扩展性上，特别针对消费级客户端应用做了优化调整(之前更多还是数据中心上)，并且总线宽度从256-bit翻番到512-bit，以支持PCIe 4.0，能效上则将单位功耗降低了多达27％。
延迟是多芯片互连的致命所在，一旦处理不好会导致整体效率的低下，包括核心、缓存、内存等各个模块都必须保持最高效率和最低延迟，比如新一代Infinity Fabric采用了总线频率、内存频率分离式设计，保证可以达到更高频率和尽可能低的延迟。

三代锐龙的基础模块仍然是CCX(CPU Complex)，每个CCX里有4个物理核心、16MB三级缓存(比二代翻番)，同时两个CCX组成一个CCD(CPU Complex Die)，也就是我们看到的每一颗CPU芯片。
单独的I/O Die则集成了输入输出控制中心、一体化内存控制器(直连内存)，注意它的制造工艺是12nm。
每个CCD有各自的Infinity Fabric PHY物理层，通过它和I/O Die芯片内的数据总线(Data Fabric)进行高速互连通信——注意两颗CPU芯片之间没有直接通信，都要经过I/O Die，这样可以保证不同核心、缓存之间的延迟是一致的。

7 i. c. W; p' A9 S, o" x4 c得益于新架构和新工艺，三代锐龙的每个CCX模块面积仅为31.3平方毫米，相比二代的60平方毫米缩小了足足47％，这也是同样封装下核心数量可以翻番的主要原因。
7 [8 t; C. j/ x. s3 Y  x% w同时AMD也避免了一核有难、多核围观的尴尬局面，从6核心12线程到8核心16线程再到12核心24线程，多线程提升几乎是线性的(每一个核心和线程都充分释放)，达到了几乎完美的98％。
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' D* v7 ?& Q, @2 p! y! N6 B4 |! C比性能提升更让人激动的是能效，比如锐龙7 3700X相比锐龙7 2700X，绝对功耗从195W降低到135W，结果就是CineBench R20多核心跑分的能效(每瓦性能)提升了多达75％。

9 b( L) k) A5 q, a+ y; A: [能效提升如此之多，新工艺新架构自然功不可没，也大大带动了频率，Zen、Zen+最高可以分别达到4.1GHz、4.35GHz，Zen 2则来到了4.7GHz(16核心的3950X)，同时大大降低了达到最高频率所需的最大电压。

/ F7 N: ]8 U) h$ |Zen架构的内存延迟一直不是很好，但也一直在改进，Zen+就有了明显的变化，Zen 2更是进一步降低最多达33ns，而且支持更高的DDR4内存频率，从2667MHz到3600MHz游戏性能可提升5-10％甚至更多，而翻了一番的三级缓存更是让Zen 2有如神族，游戏性能可提升10-20％。
说了半天，Zen 2架构设计呢？鉴于这些内容过于深奥，我们刚才先讲了新架构的效果，接下来就分享新架构的内部设计，只说一些最关键的、最容易理解的地方，感兴趣的可以细细研究架构图，或者等待后续的技术白皮书。


Zen 2架构总览图和核心新特性，特别注意新的TAGE分支预测器。AMD这次采用了chiplet都芯片设计，而为了协调分散的不同模块，不但有加强版的Infinity Fabric总线，不但有翻番的三级缓存(提高命中率)，还特别强化了分支预测，从而将预测错误率降低了大约30％，使得处理器可以花更少的时间完成前端分派工作，提高效率的同时也能节省功耗。
, \( n* x0 n) p6 V缓存结构也有极大调整，支持各级缓存一致性，大大降低有效延迟，加入新的缓存指令。
其中，一级指令缓存从4-way 64KB调整为8-way 32KB，和一级数据缓存保持一致，关联性更强，预取和利用率都得到改进。
二级缓存保持每核心8-way 512KB不变，三级缓存则翻番到了每核心对应4MB，可以很好地提升游戏性能。
其他方面：翻番的4K微指令操作缓存、四个整数单元和三个AGU地址生成单元(之前是两个)、每时钟周期三个AGEN/两个载入/一个存储、浮点单元翻倍支持单操作AVX-256、更快的虚拟化安全、硬件增强安全防御，等等。


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以上是Zen 2前端、预取、解码、浮点单元、整数执行、载入存储、缓存、安全等几乎所有模块的改进，可以看到几乎每一处都得到了全面强化和革新。

/ y. E5 O( h2 g; m' y2 U/ Z4 j; ^安全方面，Zen架构诞生后爆发了大量的安全漏洞威胁，幸运的是Zen对于Meltdown熔断等诸多漏洞以及部分Spectre幽灵漏洞天然免疫，补丁都不需要，同时可以通过固件更新、系统补丁等修复受影响的Spectre幽灵漏洞。
+ @1 l* Z& J+ v! ?/ `: n( @0 r  yZen 2则在设计之中就从硬件层面防御了Spectre幽灵漏洞，不但绝对保证安全，也不会因为打补丁而导致性能损失。
1 r2 a( h" A+ T# m! Z( D9 z以上就是AMD Zen 2架构在设计上的革新，以及结合7nm工艺带来的众多飞跃，至于实际产品表现，稍后分享官方性能数据，然后7月7日首发评测见！

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0MFEMhfv
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