AMD Zen 3 arkitektoniska förbättringar: förklaras

Den 8 oktober^th, 2020 tillkännagav AMD att det är helt nya Ryzen 5000-serie stationära processorer baserat på Zen 3-arkitekturen. Detta tillkännagivande var ett av årets mest efterlängtade PC-hårdvarutillkännagivanden. Ända sedan lanseringen av den ursprungliga Zen-arkitekturen 2017 har AMD varit på en brant uppåtgående bana när det gäller årliga arkitektoniska förbättringar. Det här året var inte annorlunda, med AMD som påstod att erbjuda det största generationens språng i Ryzen-processorerna. Vad gör den här nya arkitekturen så speciell? Låt oss dyka djupt in i de arkitektoniska förbättringar som Zen 3 ger.

Grunderna i Zen-arkitektur

AMDs Ryzen-processorer använder en unik design som skiljer sig mycket från vad deras huvudkonkurrent Intel använder i sina stationära processorer. Ryzen-processorer är faktiskt baserade på flera små chipletter snarare än ett stort singelchip. Dessa olika chipletter kommunicerar med varandra via en anslutning som kallas "Infinity Fabric". AMD beskriver Infinity-tyget som ett superset av hypertransport som möjliggör snabb anslutning mellan olika chiplets i AMD-processorer. Det betyder att snarare än ett enda chip finns det flera små chiplets på substratet som kommunicerar med varandra via en snabb länk.

Denna design kommer med sina fördelar och nackdelar. Den största fördelen är skalbarhet. En chiplet-design innebär att AMD kan packa fler kärnor i ett mindre paket, vilket möjliggör alternativ för höga kärnantal även i budgetmarknaden på CPU-marknaden. Den största nackdelen med denna design är latens. Kärnorna är fysiskt åtskilda från varandra vilket introducerar lite mer latens på grund av den tid det tar för data att resa över oändligheten. Detta innebär att prestanda i latenskänsliga applikationer som spel vanligtvis är lägre än Intels single-chip-design.

Implementering av Zen 2

Processorerna i Ryzen 3000-serien var en stor framgång på den vanliga stationära marknaden. Dessa processorer baserades på Zen 2-arkitekturen byggd på TSMCs 7nm-process, som hade några mycket intressanta förbättringar i designen av Zen-arkitekturen. Zen 2 kombinerade CPU-kärnorna i kärnkomplex på 4 vardera, samtidigt som man delade poolen på 32 MB L3-cache i två mindre pooler med 16 MB cache vardera. Dessa kärnkomplex (CCX) var grunden för Zen 2-serien av processorer. Varje 4-kärnkomplex hade omedelbar tillgång till 16 MB L3-cache vilket var viktigt för att förbättra latensen. Detta innebar att Zen 2 var mycket konkurrenskraftig mot Intel i latenskänsliga applikationer som spel, samtidigt som Intel överträffade mycket i multitrådade arbetsbelastningar.

De olika CCX-enheterna var fortfarande tvungna att vara sammankopplade via Infinity Fabric, så en viss latens kunde fortfarande förväntas. Icke desto mindre erbjöd Zen 2 en förbättring av IPC (Instruktioner per klocka) med 15% jämfört med Zen + och skröt också högre klockor. Denna generation var viktig för AMD, eftersom de nu har klättrat sig tillbaka i tävlingen med Intel och har enorma förbättringspotential på grund av deras snabba innovation och Intels självbelåtenhet.

Mål för Zen 3

AMD planerade att utveckla Zen 3 med ett mycket tydligt mål i åtanke. Eftersom de redan dominerar den flertrådiga sidan av tävlingen, är det enda området där de fortfarande ligger lite efter Intel är spel. Så bra som Zen 3 var, kunde den inte stjäla spelkronan från Intel på grund av det blå lagets design som erbjuder extremt höga klockhastigheter och låg latens. För rena spelare som vill ha högsta möjliga framerate var svaret fortfarande Intel. Därför var AMD: s mål för denna generation tydliga:

Förbättra Core-to-Core Latency
Öka Core Clock-hastigheter
Öka instruktioner per klocka (IPC)
Öka effektiviteten (högre prestanda per watt)
Öka prestanda med en tråd

Med tanke på att Zen 2 redan var en väldigt solid spelare i applikationer med flera kärnor, var det enkelt för AMD att fokusera nästan uteslutande på entrådig prestanda för denna generation av processorer.

Förbättringar av Zen 3

AMD pratade om sina nya processorer och Zen 3-arkitekturen i deras "Where Gaming Begins" Live-ström den 8 oktober^th. AMD hävdar att Zen 3 är det största generationens språng i Zen-arkitekturens historia. De nya Ryzen 5000-processorerna är fortfarande baserade på TSMCs 7nm-process, men har ett stort antal arkitektoniska förbättringar under huven.

8-Core komplex design

Förmodligen den största förbättringen med den nya arkitekturen var den helt nya layouten. AMD har gjort sig av med flera CCX-designen av Zen 2 och har istället gått med en enda 8-kärnig komplex design där alla de 8 kärnorna har tillgång till hela 32 MB L3-cache. Denna redesign har enorma konsekvenser i latenskänsliga applikationer som spel.

Med varje kärna i direktkontakt med cacheminnet och de andra kärnorna förbättras det latensen betydligt eftersom data inte har korset hela matrisen för att komma från en sida till den andra. Denna redesign förbättrar också chipets effektiva minnesfördröjning, vilket resulterar i ökad prestanda för enkeltrådade uppgifter.

IPC-förbättring

Den förbättrade layouten för kärnkomplexet är inte den enda förbättringen som Zen 3 ger. AMD hävdar en 19% IPC-förbättring jämfört med Zen 2 vilket är en enorm siffra. IPC eller instruktioner per klocka är en indikation på hur mycket arbete processorn kan göra per klockcykel. Förbättringen på 19% är det största hoppet vi har sett i IPC sedan Ryzen först lanserades 2017. Den tidigare generationen Zen 2-processorer gav också en ganska massiv 15% förbättring av IPC jämfört med Zen + -arkitekturen.

Denna IPC-förbättring innebär att AMD kan konkurrera med Intels skyhöga klockor genom att till och med hålla sig under 5 GHz när det gäller boostklockor. AMD har också beskrivit bidragsgivarna till denna massiva IPC-ökning. Enligt marknadsföringsmaterialet är de viktigaste bidragande faktorerna:

Cache-förhämtning
Exekveringsmotor
Branch Predictor
Micro-op-cache
Front End
Ladda / lagra

Förbättrad effektivitet

På grund av den otroliga densiteten i TSMC: s 7nm-process kunde AMD klämma in ännu mer kraft i Ryzen-chipsen samtidigt som samma genomsnittliga effektförbrukning bibehölls. AMD hävdar att Ryzen 5000-seriens chips bygger på samma 7 nm-process som 3000-serien men processen har förfinats och de resulterande chipsen är därmed mer effektiva.

AMD har också gjort ett djärvt påstående att Ryzen 9 5900X och 5950X kommer att förbruka samma mängd ström som den senaste generationen 3900X respektive 3950X, trots att de har högre boostklockor och förbättrad IPC. AMDs reklammaterial citerade en förbättring av "2,4X Performance per Watt" jämfört med den ursprungliga Zen-arkitekturen. Detta nummer överensstämmer med AMDs påståenden om kraftuttaget 5900X och 5950X eftersom de nu har högre klockor men fortfarande har samma TDP-nummer som sina föregångare.

Raffinerat kisel, högre klockor

I slutet av Ryzen 3000-seriens livslängd släppte AMD en uppdatering som lade till 3 processorer i serien med märket "XT". Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT och Ryzen 9 3900XT var exakt samma processorer som basmodellerna men med högre klockhastigheter. Under slutet av en produkts livslängd blir tillverkningsprocessen mogen och kiselkvaliteten blir bättre. Detta innebär att kisel producerar processorer som kan öka högre och hålla klockorna längre. Det här är exakt hur XT-sortimentet av processorer blev möjligt.

Med Zen 3-processorer använde AMD samma mogna tillverkningsprocess och kisel av högre kvalitet för att bygga processorerna i 5000-serien på samma 7nm-nod. Detta gjorde det möjligt för AMD att driva boost-klockorna mycket högre än till och med XT-serien från den senaste generationen. Högre boost-klockor, i kombination med högre IPC och en redesign av kärnlayouten gjorde att AMD var redo att ta itu med utmaningen med enkel trådad prestanda. De klockhastigheter som annonseras för de fyra processorerna i Ryzen 5000-serien är som följer:

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

Fördelar med chipettdesign

Det var många faktorer som gjorde det möjligt för AMD att göra ett så stort generationsöverskridande steg. En av de största är själva chipsens design, nämligen "Chiplet Style" -layouten på CPU: n. Denna design erbjuder många viktiga fördelar när det gäller generationsförbättringar:

Skalbarhet: På grund av det faktum att kärnor är anordnade inuti chiplets på substratet är det möjligt för AMD att klämma in fler kärnor i ett liknande paket utan risk för överhettning. Intels konkurrerande design placerar alla kärnor mycket nära varandra som kan ha drastiska termiska problem om de inte konfigureras ordentligt. AMD har å andra sidan lyckats med att använda den här chipletdesignen för att göra 6-kärniga, 8-kärniga, 12-kärniga och till och med 16-kärniga processorer på den vanliga stationära plattformen. Detta innebär att AMD har etablerat en dominerande kärnantal på grund av denna design.
Enkel utveckling: En annan stor fördel med denna design är tydligen den enkla utvecklingen. Under utvecklingsprocessen för Zen 3-arkitekturen använde AMD exakt samma basdesign som Zen 2 och modifierade den sedan. Detta innebar att designen redan var perfekt till en viss grad, och det var lätt för AMD att förbättra inom de nyckelområden som de riktade in sig på.
Samtidig 5nm utveckling: AMD påpekade också att deras framtida planer för Ryzen-processorer baserat på 5nm-arkitekturen också var på rätt spår. Detta beror på att chiplets designarkitektur tillåter AMD att köra flera utvecklingsströmmar samtidigt. AMD var övertygad om att deras 5nm-process skulle komma precis som planerat, precis som Zen 3 och Zen 2-arkitekturerna baserade på 7nm-processen gjorde.

förväntade resultat

Zen 3-baserade Ryzen 5000-serieprocessorer lovar att vara branschledare inte bara i flertrådade arbetsbelastningar utan även inom spel. För första gången sedan 2006 har AMD officiellt avlägsnat Intel i loppet om den absolut bästa spelprestandan (enligt AMDs påståenden). AMD har också gjort anspråk på att ha den högsta entrådiga prestandan hos alla stationära chip med Ryzen 9 5950X, följt tätt av Ryzen 9 5900X. Låt oss ta en titt på de förväntade resultaten från de arkitektoniska förbättringar som Zen 3 medför.

Ledarskap inom spel

Med en jättestor 19% förbättring av IPC, ökade kärnur och ett omdesignat kärnkomplexsystem har AMD gjort ett gigantiskt steg i spelprestanda denna generation. Medan Zen 2 var rimligt konkurrenskraftigt med Intels erbjudanden, planerar Zen 3 att slå Intel direkt i alla spelbelastningar. AMD hävdar att Ryzen 9 5900X i genomsnitt är cirka 26% snabbare än Ryzen 9 3900X i spel. Detta är ett gigantiskt steg som ska göras på bara en generation.

Dessutom har AMD också hävdat att Ryzen 9 5900X är snabbare än Core i9-10900K i spel. Detta är ganska stora nyheter för AMD-fans som och för allmänna PC-entusiaster. Detta betyder nu att de bästa AMD-processorerna slår de bästa Intel-processorerna i både spel- och flerkärniga applikationer. Det hjälper inte Intels fall att de fortfarande sitter fast på den arkaiska 14nm-arkitekturen och deras nästa generations Rocket-Lake-processorer ryktas också vara på 14nm. Under tiden skjuter AMD på alla cylindrar med sina 7nm-erbjudanden i Zen 2 och Zen 3, samtidigt som de samtidigt arbetar med 5nm-planerna som uppenbarligen också är på rätt spår. Detta kan få allvarliga konsekvenser för Intels CPU-marknadsandel.

Förbättrad prestanda med en tråd

AMD har haft bättre flerkärnprestanda ett tag nu, men det betyder inte nödvändigtvis bättre spelprestanda på grund av att moderna spel inte använder alla kärnor effektivt. Många spel har en dominerande tråd, ofta kallad ”världstråden”, som används mest. Världstråden är mycket känslig för latens och enkelkärnig prestanda. Tack vare AMDs arkitektoniska redesign har latensen minskat massivt, vilket förbättrar prestandan för denna dominerande tråd massivt. Detta har gjort det möjligt för AMD att ta ledningen i spelscenarier.

Detta innebär också att AMDs enkeltrådade prestanda nu är mycket överlägsen Intel. Faktum är att AMD visade en imponerande Cinebench-poäng på en kärna på 640 för Ryzen 9 5950X, som noga följdes av poängen 631 av Ryzen 9 5900X. Dessa förbättringar är också möjliga på grund av den arkitektoniska kärnkomplexdesignen, minskad latens och högre boost-klockor i Zen 3-arkitekturen. Läs mer om Ryzen 5000-seriens processorer med en tråd Denna artikel.

Ännu högre prestanda med flera trådar

Fortsatt sin dominans över det flertrådiga prestandasegmentet visade AMD imponerande siffror igen för sina Zen 3-baserade Ryzen 5000-serieprocessorer. I synnerhet har 12-kärniga Ryzen 9 5900X och Ryzen 9 5950X oöverträffad prestanda i kärntunga arbetsbelastningar. AMD gjorde också några justeringar under huven, vilket gjorde det möjligt för 5950X att vara den snabbaste stationära processorn för CAD-arbete också, för första gången. AMD ansåg det som den bästa spelprocessorn OCH den bästa processorn för innehållsskapande, och det är svårt att argumentera med det uttalandet. AMD hävdade imponerande 12% mer prestanda när det gäller att göra arbetsbelastningar över 3950X. Detta gör denna processor till ett absolut djur för dem som strävar efter det allra bästa som stationär dator har att erbjuda.

Larmklockor för Intel?

Det råder ingen tvekan om att AMD har förbättrat sin Ryzen-serie av processorer i en nästan bländande takt. De har erbjudit enorma prestandaförbättringar från generation till generation och Zen 3 lovar att bli deras största hopp hittills. Medan processorerna i Ryzen 3000-serien erbjöd utmärkt värde när det gäller kärnantal och prissättning, låg de fortfarande bakom Intel i en huvudarbetsbelastning: Spel. AMD hade etablerat en stark ledning inom nästan alla andra aspekter av skrivbordsmarknaden, vare sig det är rendering, kodning, videoproduktion eller streaming, men de behövde köra Intel i spel för att verkligen vara den obestridda bästa klassens processor.

Tack vare Ryzen-processornas fantastiska arkitektoniska design, TSMC: s 7nm-process och den strålande planeringen och utförandet av AMDs utvecklingsteam har de äntligen gjort det med Zen 3. Denna lansering måste ringa larmklockor vid Intels huvudkontor. Intel är ett stort företag och det finns inget sätt att de inte skulle svara på detta, men de har verkligen släpat efter AMD när det gäller utvecklingshastigheten. Det huvudsakliga hindret som Intel måste ta bort är dess ålder på 14 nm som den har använt sedan Skylake.

Intel har haft väldokumenterade problem med sin 10nm-process och därför kan de inte rulla ut skrivbordschips baserat på den arkitekturen ännu. Tidvattnet kan dock komma att förändras snart eftersom Intel framgångsrikt har släppt sina senaste bärbara CPU-datorer med kodnamnet "Tiger Lake" som är baserade på 10 nm-arkitekturen. Dessa bärbara chips erbjuder stora förbättringar i både prestanda och effektivitet under den senaste generationen, och det är troligt att Intel kan arbeta för att överföra denna process till stationära CPU: er. Om Intel lyckas få sin 10nm-process funktionella kommer de kommande åren att vara väldigt intressanta för CPU-prestandaentusiaster.