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Zen (primera generación)

Zen es la primera versión de la familia Zen de microarquitecturas de procesadores de computadora 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 el E3 2016 y se detalló sustancialmente por primera vez en un evento organizado a una cuadra del Intel Developer Forum 2016. El primero Las 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 es un diseño de hoja limpia que difiere de la anterior arquitectura Bulldozer de AMD . Los procesadores basados ​​en Zen utilizan un proceso FinFET de 14 nm , según se informa, son más eficientes energéticamente y pueden ejecutar muchas más instrucciones por ciclo . Se introdujo SMT , lo que permite que cada núcleo ejecute dos subprocesos. El sistema de caché también ha sido rediseñado, haciendo que la caché L1 sea de escritura diferida . Los procesadores Zen utilizan tres zócalos diferentes: los chips Ryzen de escritorio utilizan el zócalo AM4 , lo que brinda compatibilidad con DDR4 ; los chips Threadripper de escritorio de alta gama basados ​​en Zen admiten memoria DDR4 de cuatro canales y ofrecen 64 carriles PCIe 3.0 (frente a 24 carriles), utilizando el zócalo TR4 ; [13] [14] y los procesadores de servidor Epyc ofrecen 128 carriles PCIe 3.0 y DDR4 de ocho canales utilizando el zócalo SP3 .

Zen se basa en un diseño SoC . [15] El controlador de memoria y los controladores PCIe, SATA y USB están incorporados en los mismos chips que los núcleos del procesador. Esto tiene ventajas en ancho de banda y potencia, a expensas de la complejidad del chip y el área del troquel. [16] Este diseño de SoC permite que la microarquitectura Zen escale desde computadoras portátiles y mini PC de factor de forma pequeño hasta computadoras de escritorio y servidores de alta gama.

Para 2020, AMD ya ha enviado 260 millones de núcleos Zen. [17]

Diseño

Una ilustración muy simplificada de la microarquitectura Zen: un núcleo tiene un total de 512  KB de caché L2.
Troquelado Ryzen 3 1200
Fotomontaje de una CPU Zen desmontada y con un troquel grabado.
Un procesador AMD EPYC 7001 desinstalado utilizado en servidores; Los cuatro troqueles son similares a los que se utilizan en los procesadores convencionales. Todos los procesadores EPYC contienen cuatro matrices para proporcionar soporte estructural al IHS (esparcidor de calor integrado). [18] [19] [20]
Una APU AMD Athlon 3000G descatalogada, basada en la arquitectura Zen. El troquel es físicamente más pequeño que el de los procesadores Zen convencionales.
Troquelado de un AMD Athlon 3000G

Según AMD , el objetivo principal de Zen es aumentar el rendimiento por núcleo. [21] [22] [23]

Las características nuevas o mejoradas incluyen: [24]

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 realmente grande. Es como un esfuerzo de maratón con algunos sprints en el medio. El equipo está trabajando muy duro, pero ya ve la meta. Te 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 se basa en un proceso FinFET de 14 nanómetros subcontratado a GlobalFoundries , [39] que a su vez licencia su proceso de 14 nm a 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 recientes no confirman el TDP para productos de escritorio, sugieren una gama 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 a cuatro núcleos Zen. [42] 

Cada núcleo Zen puede decodificar cuatro instrucciones por ciclo de reloj e incluye un caché de microoperación que alimenta dos programadores, uno para los segmentos de números enteros y uno de coma flotante . [43] [44] Cada núcleo tiene dos unidades de generación de direcciones, cuatro unidades de números enteros y cuatro unidades de punto flotante. Dos de las unidades de coma flotante son sumadores y dos son sumadores múltiples. Sin embargo, el uso de operaciones de suma múltiple puede impedir la operación de suma simultánea en una de las unidades sumadoras. [45] También hay mejoras en el predictor de sucursales. 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 el L3 es de 1 a 2 MB por núcleo. Los cachés L3 ofrecen 5 veces el ancho de banda de los diseños anteriores de AMD.

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 estaba dirigido por Keller (quien se fue en septiembre de 2015 después de un mandato de tres años) y la líder del equipo Zen, Suzanne Plummer. [47] [48] El arquitecto jefe de Zen fue Michael Clark, miembro senior de AMD. [49] [50] [51]

Zen se planeó 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 plazo de 2016, [9 ] con el lanzamiento de los primeros procesadores basados ​​en Zen previsto para octubre de 2016. [52]

En noviembre de 2015, una fuente dentro de AMD informó que los microprocesadores Zen habían sido probados y "cumplieron todas las expectativas" y "no se encontraron cuellos de botella significativos". [2] [53]

En diciembre de 2015, se rumoreaba que Samsung podría haber sido contratado como fabricante de los procesadores FinFET de 14 nm de AMD, incluida la arquitectura de GPU Zen y Polaris de AMD, que en ese momento estaba próxima . [54] Esto fue aclarado por el anuncio de AMD en julio de 2016 de que los productos se habían producido con éxito en el proceso FinFET de 14 nm de Samsung. [55] AMD declaró que Samsung se utilizaría "si fuera necesario", argumentando que esto reduciría el riesgo para AMD al disminuir la dependencia de cualquier fundición.

En diciembre de 2019, AMD comenzó a lanzar productos Ryzen de primera generación creados con la arquitectura Zen+ de segunda generación. [56]

Ventajas sobre sus predecesores

Proceso de manufactura

Los procesadores basados ​​en Zen utilizan silicio FinFET de 14 nm . [57] Estos procesadores supuestamente se producen en GlobalFoundries . [58] Antes de Zen, el tamaño de proceso más pequeño de AMD era de 28 nm, como lo utilizaban sus microarquitecturas Steamroller y Excavator . [59] [60] La competencia inmediata, la microarquitectura Skylake y Kaby Lake de Intel , también se fabrica en FinFET de 14 nm; [61] aunque Intel planeaba comenzar el lanzamiento de piezas de 10 nm más adelante en 2017. [62] Intel no pudo alcanzar este objetivo y, en 2021, solo se produjeron 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 deberían esperar procesadores convencionales de 10 nm antes de la segunda mitad de 2019. [64]

Para diseños idénticos, estos encogimientos de matrices usarían menos corriente (y potencia) a la misma frecuencia (o voltaje). Como las CPU suelen tener una potencia limitada (normalmente hasta ~125  W, o ~45  W para dispositivos móviles), los transistores más pequeños permiten una potencia más baja a la misma frecuencia o una frecuencia más alta a la misma potencia. [sesenta y cinco]

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 las instrucciones por ciclo (IPC) con respecto a su predecesor. [66] Excavator , en comparación, ofreció entre un 4% y un 15% de mejora con respecto a las arquitecturas anteriores. [67] [68] AMD anunció que la microarquitectura Zen final en realidad logró una mejora del 52% en IPC sobre 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 propio procesador defina dinámica y automáticamente la frecuencia máxima en función de la refrigeración disponible.

AMD ha demostrado un procesador Zen de 8 núcleos y 16 subprocesos que supera a un procesador Intel Broadwell-E con la misma frecuencia en los puntos de referencia de renderizado Blender [4] [10] y HandBrake . [70]

Zen admite AVX2 pero requiere dos ciclos de reloj para completar cada instrucción AVX2 en comparación con la 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 utilizó 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 reducido y, por lo tanto, calentarse con respecto a sus predecesores no FinFET de 28 nm y 32 nm (para diseños equivalentes), o ser más potentes computacionalmente con una producción de calor/consumo de energía equivalente.

Zen también utiliza la activación del reloj , [44] reduciendo la frecuencia de las partes infrautilizadas 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]

Seguridad mejorada y soporte de virtualización

Zen agregó soporte para Secure Memory Encryption (SME) de AMD y Secure Encrypted Virtualization (SEV) de AMD. Secure Memory Encryption es un cifrado de memoria en tiempo real realizado por entrada de la 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 la memoria y a los ataques de arranque en frío . [77] [78]

SME se puede utilizar para marcar páginas individuales de memoria como cifradas a través de las tablas de páginas. Una página de memoria marcada como cifrada se descifrará automáticamente cuando se lea desde la DRAM y se cifrará automáticamente cuando se escriba en la DRAM. La característica SME se identifica a través de una función CPUID y se habilita a través de SYSCFG MSR. Una vez habilitadas, 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, se accederá a esa memoria como memoria cifrada. La máscara de cifrado de memoria (así como otra información relacionada) se determina a partir de la configuración devuelta a través de la misma función CPUID que identifica la presencia de la característica. [79]

La función Secure Encrypted Virtualization (SEV) permite cifrar de forma transparente el contenido de la memoria de una máquina virtual (VM) con una clave única para 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 diferentes máquinas virtuales del sistema. La programación y administración de estas claves está a cargo del firmware del procesador seguro 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 conjuntos de chips 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 necesaria ] carriles PCIe.

Características

CPU

APU

Tabla de características de la APU

Productos

La arquitectura Zen se utiliza en las CPU Ryzen de escritorio de la generación actual . También está en los procesadores de servidor Epyc (sucesores de los procesadores Opteron ) y en las APU. [75] [ fuente no confiable ] [87] [88]

Inicialmente se esperaba que los primeros procesadores de escritorio sin unidades de procesamiento de gráficos (con nombre en código "Summit Ridge") comenzaran a venderse a finales de 2016, según una hoja de ruta de AMD; con los primeros procesadores móviles y de escritorio del tipo Unidad de procesamiento acelerado AMD (con nombre en código "Raven Ridge") a finales 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/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 de servidor 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 octacore basadas en la arquitectura Zen. Las velocidades de reloj y TDP finales para las 3 CPU lanzadas en el primer trimestre de 2017 demostraron beneficios significativos de rendimiento por vatio con respecto a la arquitectura K15h (Piledriver) anterior . [91] [92] Las CPU de escritorio Ryzen de ocho núcleos demostraron un rendimiento por vatio comparable a las CPU de ocho núcleos Broadwell de Intel. [93] [94]

En marzo de 2017, AMD también demostró 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 doble socket y cada CPU tenía 32 núcleos/64 subprocesos. [4] [10]

Procesadores de escritorio

Características comunes de las CPU de escritorio Ryzen 1000:

  1. ^ Precio de venta sugerido por el fabricante en el momento del lanzamiento.
  1. ^ Complejos centrales (CCX) × núcleos por CCX


Características comunes de las CPU Ryzen 1000 HEDT:

  1. ^ Precio de venta sugerido por el fabricante en el momento del lanzamiento.
  1. ^ Complejos centrales (CCX) × núcleos por CCX
  2. ^ El paquete del procesador en realidad contiene dos matrices inactivas adicionales para brindar soporte estructural al disipador de calor integrado.
CPU Ryzen 5 1600 en una placa base
Threadripper 1950X TR4 en casquillo

APU de escritorio

Las APU Ryzen se identifican con el sufijo G o GE en su nombre.

Troquelado de una APU AMD 2200G
  1. ^ Sombreadores unificados  : Unidades de mapeo de texturas  : Unidades de salida de renderizado y unidades de cómputo (CU)
  2. ^ El rendimiento de precisión simple se calcula a partir de la velocidad del reloj central base (o aumentada) según una operación FMA .

APU móviles

  1. ^ Sombreadores unificados  : unidades de mapeo de texturas  : unidades de salida de renderizado y unidades de cómputo (CU)
  2. ^ El rendimiento de precisión simple se calcula a partir de la velocidad del reloj central base (o aumentada) según una operación FMA .

APU ultramóviles

Dali

  1. ^ Sombreadores unificados  : unidades de mapeo de texturas  : unidades de salida de renderizado y unidades de cómputo (CU)
  2. ^ El rendimiento de precisión simple se calcula a partir de la velocidad del reloj central base (o aumentada) según una operación FMA .

abadejo

  1. ^ Sombreadores unificados  : unidades de mapeo de texturas  : unidades de salida de renderizado y unidades de cómputo (CU)
  2. ^ El rendimiento de precisión simple se calcula a partir de la velocidad del reloj central base (o aumentada) según una operación FMA .

Procesadores integrados

V1000

En febrero de 2018, AMD anunció la serie V1000 de APU Zen+Vega integradas con cuatro SKU. [118]

  1. ^ Sombreadores unificados  : Unidades de mapeo de texturas  : Unidades de salida de renderizado y unidades de cómputo (CU)
  2. ^ El rendimiento de precisión simple se calcula a partir de la velocidad del reloj central base (o aumentada) según una operación FMA .

1000$

En 2019, AMD anunció la serie R1000 de APU Zen+Vega integradas.

  1. ^ Sombreadores unificados  : Unidades de mapeo de texturas  : Unidades de salida de renderizado y unidades de cómputo (CU)
  2. ^ El rendimiento de precisión simple se calcula a partir de la velocidad del reloj central base (o aumentada) según una operación FMA .

Procesadores de servidor

épico

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 enchufes. Las CPU en configuraciones multiprocesador se comunican a través de Infinity Fabric de AMD. [119] Cada chip admite ocho canales de memoria y 128 carriles PCIe 3.0, de los cuales 64 carriles 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 Nápoles 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 de las CPU de la serie EPYC 7001:

  1. ^ Los modelos con sufijos "P" son monoprocesadores y solo están disponibles como configuración de un solo socket.
  2. ^ Complejos centrales (CCX) × núcleos por CCX
  3. ^ Los modelos integrados de la serie 7001 de Epyc tienen especificaciones idénticas a las de la serie Epyc 7001.

Procesadores de servidor integrados

En febrero de 2018, AMD también anunció la serie EPYC 3000 de CPU Zen integradas. [132] Características comunes de las CPU EPYC Embedded serie 3000:

  1. ^ Complejos centrales (CCX) × núcleos por CCX

Ver también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la microarquitectura Zen .

Referencias

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