Microarquitectura del procesador AMD de 14 nanómetros 2017
Zen es la primera iteración de la familia Zen de microarquitecturas de procesadores informáticos de AMD . Se utilizó por primera vez con su serie de CPU Ryzen en febrero de 2017. [4] El primer sistema de vista previa basado en Zen se demostró en E3 2016 y se detalló sustancialmente por primera vez en un evento organizado a una cuadra del Intel Developer Forum 2016. Las primeras CPU basadas en Zen, con nombre en código "Summit Ridge", llegaron al mercado a principios de marzo de 2017, los procesadores de servidor Epyc derivados de Zen se lanzaron en junio de 2017 [11] y las APU basadas en Zen llegaron en noviembre de 2017. [12]
Zen se basa en un diseño SoC . [15] El controlador de memoria y los controladores PCIe, SATA y USB están incorporados en el mismo chip que los núcleos del procesador. Esto tiene ventajas en cuanto a ancho de banda y potencia, a expensas de la complejidad del chip y el área de la matriz. [16] Este diseño SoC permite que la microarquitectura Zen se escale desde computadoras portátiles y mini PC de formato pequeño hasta computadoras de escritorio y servidores de alta gama.
En 2020, AMD ya había distribuido 260 millones de núcleos Zen. [17]
Diseño
Según AMD , el objetivo principal de Zen es aumentar el rendimiento por núcleo. [21] [22] [23]
Las características nuevas o mejoradas incluyen: [24]
La caché L1 se ha cambiado de escritura directa a escritura diferida, lo que permite una menor latencia y un mayor ancho de banda.
La arquitectura SMT (multihilo simultáneo) permite dos hilos por núcleo, lo que supone un cambio con respecto al diseño CMT (multihilo agrupado) utilizado en la arquitectura Bulldozer anterior . Esta es una característica que se ofrecía anteriormente en algunos procesadores IBM , Intel y Oracle . [25]
Un componente fundamental para todas las CPU basadas en Zen es el complejo de núcleos (CCX), que consta de cuatro núcleos y sus cachés asociados. Los procesadores con más de cuatro núcleos constan de varios CCX conectados por Infinity Fabric . [26] Los procesadores con recuentos de núcleos que no son múltiplos de cuatro tienen algunos núcleos deshabilitados.
Colas más grandes de retiro, carga y almacenamiento.
Predicción de bifurcación mejorada utilizando un sistema de perceptrón hash con matriz de objetivos indirectos similar a la microarquitectura Bobcat, [31] algo que ha sido comparado con una red neuronal por el ingeniero de AMD Mike Clark. [32]
El predictor de rama está desacoplado de la etapa de búsqueda.
Un motor de pila dedicado para modificar el puntero de pila , similar al de los procesadores Intel Haswell y Broadwell. [33]
Eliminación de movimiento, un método que reduce el movimiento de datos físicos para reducir el consumo de energía.
“Pure Power” (sensores de monitorización de potencia más precisos). [35]
Soporte para medición de límite de potencia promedio móvil (RAPL) estilo Intel. [36]
Precarga inteligente.
Aumento de precisión.
Rango de frecuencia extendido (XFR), una función de overclocking automatizada que aumenta las velocidades de reloj más allá de la frecuencia turbo anunciada. [37]
Esta es la primera vez en mucho tiempo que a los ingenieros se nos ha dado total libertad para construir un procesador desde cero y hacerlo lo mejor que podamos. Es un proyecto de varios años con un equipo muy grande. Es como un esfuerzo maratoniano con algunos sprints en el medio. El equipo está trabajando muy duro, pero pueden ver la línea de meta. Garantizo que ofrecerá una gran mejora en el rendimiento y el consumo de energía con respecto a la generación anterior.
— Suzanne Plummer, líder del equipo Zen, el 19 de septiembre de 2015. [38]
La arquitectura Zen está construida sobre un proceso FinFET de 14 nanómetros subcontratado a GlobalFoundries , [39] que a su vez licencia su proceso de 14 nm de Samsung Electronics . [40] Esto proporciona una mayor eficiencia que los procesos de 32 nm y 28 nm de las CPU AMD FX y APU AMD anteriores , respectivamente. [41] La familia de CPU Zen "Summit Ridge" utiliza el zócalo AM4 y cuenta con soporte DDR4 y un TDP ( potencia de diseño térmico ) de 95 W. [41] Si bien las hojas de ruta más nuevas no confirman el TDP para productos de escritorio, sugieren un rango para productos móviles de bajo consumo con hasta dos núcleos Zen de 5 a 15 W y de 15 a 35 W para productos móviles orientados al rendimiento con hasta cuatro núcleos Zen. [42]
Cada núcleo Zen puede decodificar cuatro instrucciones por ciclo de reloj e incluye un caché de microoperaciones que alimenta dos programadores, uno para cada segmento de número entero y otro de punto flotante . [43] [44] Cada núcleo tiene dos unidades de generación de direcciones, cuatro unidades de número entero y cuatro unidades de punto flotante. Dos de las unidades de punto flotante son sumadores y dos son sumadores múltiples. Sin embargo, el uso de operaciones de suma múltiple puede evitar la operación de suma simultánea en una de las unidades sumadoras. [45] También hay mejoras en el predictor de bifurcación. El tamaño de la caché L1 es de 64 KB para instrucciones por núcleo y 32 KB para datos por núcleo. El tamaño de la caché L2 es de 512 KB por núcleo y la L3 es de 1 a 2 MB por núcleo. Las cachés L3 ofrecen 5 veces el ancho de banda de los diseños AMD anteriores.
Historia y desarrollo
AMD comenzó a planificar la microarquitectura Zen poco después de volver a contratar a Jim Keller en agosto de 2012. [46] AMD reveló formalmente Zen en 2015.
El equipo a cargo de Zen estuvo dirigido por Keller (quien se fue en septiembre de 2015 después de un mandato de 3 años) y la líder del equipo Zen, Suzanne Plummer. [47] [48] El arquitecto jefe de Zen fue Michael Clark, miembro sénior de AMD. [49] [50] [51]
Zen fue planeado originalmente para 2017 después del núcleo hermano K12 basado en ARM64 , pero en el Día del Analista Financiero de AMD de 2015 se reveló que K12 se retrasó a favor del diseño Zen, para permitirle ingresar al mercado dentro del marco de tiempo de 2016, [9] con el lanzamiento de los primeros procesadores basados en Zen esperado para octubre de 2016. [52]
En noviembre de 2015, una fuente interna de AMD informó que los microprocesadores Zen habían sido probados y "cumplieron con todas las expectativas" sin "cuellos de botella significativos encontrados". [2] [53]
En diciembre de 2015, se rumoreó que Samsung podría haber sido contratado como fabricante de los procesadores FinFET de 14 nm de AMD, incluidos Zen y la arquitectura de GPU Polaris de AMD, que estaba por llegar. [54] Esto se aclaró con el anuncio de AMD en julio de 2016 de que se habían producido con éxito productos en el proceso FinFET de 14 nm de Samsung. [55] AMD declaró que se utilizaría a Samsung "si fuera necesario", argumentando que esto reduciría el riesgo para AMD al disminuir la dependencia de una sola fundición.
En diciembre de 2019, AMD comenzó a lanzar productos Ryzen de primera generación fabricados con la arquitectura Zen+ de segunda generación. [56]
Ventajas sobre sus predecesores
Proceso de fabricación
Los procesadores basados en Zen utilizan silicio FinFET de 14 nm. [57] Según se informa, estos procesadores se producen en GlobalFoundries . [58] Antes de Zen, el tamaño de proceso más pequeño de AMD era de 28 nm, como el utilizado por sus microarquitecturas Steamroller y Excavator . [59] [60] La competencia inmediata, la microarquitectura Skylake y Kaby Lake de Intel , también se fabrican en 14 nm FinFET; [61] aunque Intel planeó comenzar el lanzamiento de piezas de 10 nm más adelante en 2017. [62] Intel no pudo alcanzar este objetivo y, en 2021, solo se han producido chips móviles con el proceso de 10 nm. En comparación con el FinFET de 14 nm de Intel, AMD afirmó en febrero de 2017 que los núcleos Zen serían un 10% más pequeños. [63] Intel anunció más tarde, en julio de 2018, que no se esperarían procesadores convencionales de 10 nm antes de la segunda mitad de 2019. [64]
Para diseños idénticos, estas reducciones de chip utilizarían menos corriente (y potencia) a la misma frecuencia (o voltaje). Como las CPU suelen tener un límite de potencia (normalmente hasta ~125 W, o ~45 W para dispositivos móviles), los transistores más pequeños permiten una menor potencia a la misma frecuencia o una mayor frecuencia a la misma potencia. [65]
Actuación
Uno de los principales objetivos de Zen en 2016 era centrarse en el rendimiento por núcleo, y apuntaba a una mejora del 40% en instrucciones por ciclo (IPC) con respecto a su predecesor. [66] Excavator , en comparación, ofrecía una mejora del 4 al 15% con respecto a las arquitecturas anteriores. [67] [68] AMD anunció que la microarquitectura Zen final en realidad logró una mejora del 52% en IPC con respecto a Excavator. [69] La inclusión de SMT también permite que cada núcleo procese hasta dos subprocesos, lo que aumenta el rendimiento del procesamiento mediante un mejor uso de los recursos disponibles.
Los procesadores Zen también emplean sensores en todo el chip para escalar dinámicamente la frecuencia y el voltaje. [70] Esto permite que el procesador defina de forma dinámica y automática la frecuencia máxima en función del enfriamiento disponible.
AMD ha demostrado que un procesador Zen de 8 núcleos y 16 subprocesos supera a un procesador Intel Broadwell-E con la misma frecuencia de reloj en el renderizado de Blender [4] [10] y en los puntos de referencia HandBrake . [70]
Zen admite AVX2, pero requiere dos ciclos de reloj para completar cada instrucción AVX2 en comparación con uno de Intel. [71] [72] Esta diferencia se corrigió en Zen 2 .
Memoria
Zen admite memoria DDR4 (hasta ocho canales) [73] y ECC . [74]
Los informes previos al lanzamiento indicaron que las APU que utilizan la arquitectura Zen también admitirían memoria de alto ancho de banda (HBM). [75] Sin embargo, la primera APU demostrada no usaba HBM. [76] Las APU anteriores de AMD dependían de la memoria compartida tanto para la GPU como para la CPU.
Consumo de energía y producción de calor
Los procesadores construidos en el nodo de 14 nm en silicio FinFET deberían mostrar un consumo de energía y, por lo tanto, un menor calor que sus predecesores de 28 nm y 32 nm no FinFET (para diseños equivalentes), o ser más potentes computacionalmente con una salida de calor/consumo de energía equivalente.
Zen también utiliza control de reloj [44] , lo que reduce la frecuencia de las partes subutilizadas del núcleo para ahorrar energía. Esto proviene de la tecnología SenseMI de AMD, que utiliza sensores en todo el chip para escalar dinámicamente la frecuencia y el voltaje. [70]
Mayor seguridad y soporte de virtualización
Zen agregó soporte para Secure Memory Encryption (SME) y Secure Encrypted Virtualization (SEV) de AMD. Secure Memory Encryption es un cifrado de memoria en tiempo real realizado por entrada de tabla de páginas. El cifrado se produce en un motor AES de hardware y las claves son administradas por el procesador de "seguridad" integrado ( ARM Cortex-A5 ) en el momento del arranque para cifrar cada página, lo que permite cifrar cualquier memoria DDR4 (incluidas las variedades no volátiles). AMD SME también hace que el contenido de la memoria sea más resistente al espionaje de memoria y a los ataques de arranque en frío . [77] [78]
La función SME se puede utilizar para marcar páginas individuales de la memoria como cifradas a través de las tablas de páginas. Una página de memoria que esté marcada como cifrada se descifrará automáticamente cuando se lea desde la DRAM y se cifrará automáticamente cuando se escriba en la DRAM. La función SME se identifica a través de una función CPUID y se habilita a través del MSR SYSCFG. Una vez habilitada, las entradas de la tabla de páginas determinarán cómo se accede a la memoria. Si una entrada de la tabla de páginas tiene configurada la máscara de cifrado de memoria, entonces se accederá a esa memoria como memoria cifrada. La máscara de cifrado de memoria (así como otra información relacionada) se determina a partir de los ajustes devueltos a través de la misma función CPUID que identifica la presencia de la función. [79]
La función de virtualización cifrada segura (SEV) permite cifrar de forma transparente el contenido de la memoria de una máquina virtual (VM) con una clave exclusiva de la VM invitada. El controlador de memoria contiene un motor de cifrado de alto rendimiento que se puede programar con varias claves para que las utilicen distintas VM del sistema. La programación y la gestión de estas claves las gestiona el firmware del procesador seguro de AMD, que expone una API para estas tareas. [80]
Conectividad
Al incorporar gran parte del puente sur en el SoC , la CPU Zen incluye enlaces SATA , USB y PCI Express NVMe . [81] [82] Esto se puede aumentar con los chipsets Socket AM4 disponibles que agregan opciones de conectividad que incluyen conexiones SATA y USB adicionales y soporte para Crossfire de AMD y SLI de Nvidia . [83]
AMD, al anunciar su línea Radeon Instinct, argumentó que la próxima CPU de servidor Naples basada en Zen sería particularmente adecuada para construir sistemas de aprendizaje profundo . [84] [85] Los 128 [86] carriles PCIe por CPU Naples permiten que ocho tarjetas Instinct se conecten en PCIe x16 a una sola CPU. Esto se compara favorablemente con la línea Intel Xeon, con solo 40 [ cita requerida ] carriles PCIe.
Según la hoja de ruta de AMD, se esperaba que los primeros procesadores de escritorio sin unidades de procesamiento gráfico (con nombre en código "Summit Ridge") comenzaran a venderse a fines de 2016; los primeros procesadores móviles y de escritorio del tipo de unidad de procesamiento acelerado de AMD (con nombre en código "Raven Ridge") lo harían a fines de 2017. [89] AMD retrasó oficialmente Zen hasta el primer trimestre de 2017. En agosto de 2016, una demostración temprana de la arquitectura mostró una CPU de muestra de ingeniería de 8 núcleos y 16 subprocesos a 3,0 GHz. [10]
En diciembre de 2016, AMD anunció oficialmente la línea de CPU de escritorio bajo la marca Ryzen para su lanzamiento en el primer trimestre de 2017. También confirmó que los procesadores para servidores se lanzarían en el segundo trimestre de 2017 y las APU móviles en el segundo semestre de 2017. [90]
El 2 de marzo de 2017, AMD lanzó oficialmente las primeras CPU de escritorio Ryzen de ocho núcleos basadas en la arquitectura Zen. Las velocidades de reloj finales y los TDP de las 3 CPU lanzadas en el primer trimestre de 2017 demostraron importantes beneficios en términos de rendimiento por vatio en comparación con la arquitectura K15h (Piledriver) anterior. [91] [92] Las CPU de escritorio Ryzen de ocho núcleos demostraron un rendimiento por vatio comparable al de las CPU de ocho núcleos Broadwell de Intel. [93] [94]
En marzo de 2017, AMD también presentó una muestra de ingeniería de una CPU de servidor basada en la arquitectura Zen. La CPU (con nombre en código "Naples") se configuró como una plataforma de servidor de dos sockets, en la que cada CPU tenía 32 núcleos y 64 subprocesos. [4] [10]
Procesadores de escritorio
Características comunes de las CPU de escritorio Ryzen 1000:
^ El paquete del procesador en realidad contiene dos matrices inactivas adicionales para proporcionar soporte estructural al difusor de calor integrado.
APU de escritorio
Las APU Ryzen se identifican con el sufijo G o GE en su nombre.
^ El rendimiento de precisión simple se calcula a partir de la velocidad del reloj del núcleo base (o aumentada) en función de una operación FMA .
Procesadores de servidor
AMD anunció en marzo de 2017 que lanzaría una plataforma de servidor basada en Zen, con nombre en código Naples, en el segundo trimestre del año. La plataforma incluye sistemas de 1 y 2 sockets. Las CPU en configuraciones de múltiples procesadores se comunican a través de Infinity Fabric de AMD. [119] Cada chip admite ocho canales de memoria y 128 líneas PCIe 3.0, de las cuales 64 líneas se utilizan para la comunicación de CPU a CPU a través de Infinity Fabric cuando se instala en una configuración de doble procesador. [120] AMD reveló oficialmente Naples bajo la marca Epyc en mayo de 2017. [121]
El 20 de junio de 2017, AMD lanzó oficialmente las CPU de la serie Epyc 7000 en un evento de lanzamiento en Austin, Texas. [122]
Características comunes:
128 líneas PCIe 3.0 por zócalo, 64 de las cuales se utilizan para Infinity Fabric en plataformas 2P
en
a
mi
^ Los modelos con sufijos "P" son monoprocesadores , disponibles únicamente en configuración de un solo socket.
^ Complejos centrales (CCX) × núcleos por CCX
^ Los modelos de la serie 7001 integrados de Epyc tienen especificaciones idénticas a las de la serie 7001 de Epyc.
Procesadores de servidor integrados
En febrero de 2018, AMD también anunció la serie EPYC 3000 de CPU Zen integradas. [133] Características comunes de las CPU de la serie EPYC Embedded 3000:
Zócalo: SP4 (los modelos 31xx y 32xx utilizan el paquete SP4r2).
Todas las CPU admiten ECC DDR4-2666 en modo de doble canal (la 3201 solo admite DDR4-2133), mientras que los modelos 33xx y 34xx admiten el modo de cuatro canales.
Caché L1 : 96 KB (32 KB de datos + 64 KB de instrucciones) por núcleo.
Caché L2: 512 KB por núcleo.
Todas las CPU admiten 32 carriles PCIe 3.0 por CCD (máximo 64 carriles).
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