Czyżby AMD opracowało idealny schemat procesora? Mikroarchitektura Zen ewidentnie sprawdza się wszędzie

AMD Zen jest nazwą kodową rodziny mikroarchitektur procesorów komputerowych od firmy AMD, która zadebiutowała w lutym 2017 r. z pierwszą generacją procesorów Ryzen. Jest używana w układach Ryzen (desktop i laptop), Ryzen Threadripper (stacja robocza/wysokiej klasy desktop) i Epyc (serwer).

Architektura Zen miała trzy główne cele: wysoka wydajność, wysoka skalowalność i wysoka sprawność energetyczna. Aby osiągnąć skalowalność, AMD z czasem zastosowało radykalny nowy pomysł dla procesorów x86: chiplety. Zamiast budować większe i droższe monolityczne układy scalone, AMD zainwestowało w strategię wykorzystania bloków budowlanych procesorów zwanych chipletami.

Fascynujące wieści ze świata procesorów:

Każdy chiplet zawiera pewną liczbę rdzeni opartych na Zen, a do obudowy można dodać więcej chipletów, aby stworzyć wydajniejszy model procesora. Istnieją procesory oparte na Zen z tylko dwoma rdzeniami, a są też modele z aż 128 rdzeniami. Ta innowacja zapewnia niespotykaną wcześniej skalowalność i elastyczność dla konsumenta

AMD Zen 2, czyli druga generacja omawianej mikroarchitektury, wprowadził nowy proces technologiczny 7 nm, który pozwolił na zwiększenie liczby rdzeni i taktowania; nową koncepcję chipletów i wiele ulepszeń w silniku rdzenia, systemie pamięci podręcznej i predykcji, obsłudze instrukcji i zabezpieczeniach. Zen 2 oferował około 15 proc. wyższy IPC niż Zen. Układy Zen 2 znajdują się, między innymi, w konsolach PlayStation 5 i Xbox Series.

Z kolei AMD Zen 3 to trzecia generacja architektury, która zadebiutowała w 2020 r. z procesorami Ryzen 5000, Ryzen Threadripper 5000 i Epyc 7003. Zen 3 wprowadził nowy układ rdzeni, który pozwolił na lepszą komunikację między nimi i sprawniejszy dostęp do pamięci podręcznej L3; nowe techniki optymalizacji taktowania i zarządzania energią; i wiele ulepszeń w silniku rdzenia, systemie pamięci podręcznej i predykcji, obsłudze instrukcji i zabezpieczeniach. Zen 3 oferował około 19 proc. wyższy IPC niż Zen 2 i około 89 proc. od Zen pierwszej generacji.

AMD Zen 4 jest najnowszą architekturą procesorów komputerowych firmy AMD, która zadebiutowała w procesorach Ryzen 7000 w 2022 r. Jest następcą architektury Zen 3 i wykorzystuje proces technologiczny 5 nm firmy TSMC dla rdzeni procesora. Zen 4 wprowadza nowe funkcje, takie jak obsługa pamięci DDR5, interfejsu PCIe 5.0 i instrukcji AVX-512.

Architektura Zen 4 składa się z jednej lub dwóch modułów CCD (Core Chiplet Die), które zawierają do ośmiu rdzeni Zen 4 każda, oraz z modułu I/O (Input/Output), która odpowiada za komunikację z pamięcią, kartą graficzną i innymi urządzeniami. Moduły CCD są wykonane w procesie 5 nm, co zapewnia większą gęstość tranzystorów i wyższe taktowania, podczas gdy matryca I/O jest wykonana w procesie 6 nm, co jest lepsze dla sygnałów analogowych.

Zen 4 jest pierwszą architekturą AMD, która obsługuje instrukcje AVX-512, które są używane w profesjonalnych zastosowaniach związanych ze sztuczną inteligencją, modelowaniem 3D i innymi obliczeniami wektorowymi. Zen 4 jest również pierwszą architekturą AMD, która obsługuje interfejs PCIe 5.0, który oferuje dwa razy większą przepustowość niż PCIe 4.0. Ponadto Zen 4 obsługuje pamięć DDR5, która ma wyższą częstotliwość i pojemność niż DDR4.

Mikroarchitektura Zen okazała się triumfem, którego do dziś nie powtórzył żaden konkurent. Układy Ryzen (komputery osobiste) Epyc (serwery) Threadripper (stacje robocze) stanowią jedne z najlepszych na rynku. Pod pewnymi względami nadal ustępują układom Intela czy tym produkowanym przez licencjobiorców architektury ARM.

AMD Zen 4c jest wariantem mikroarchitektury Zen 4, który został zaprojektowany z myślą o większej efektywności energetycznej i większej liczbie rdzeni. Zen 4c różni się od Zen 4 głównie tym, że ma mniejsze rdzenie, które zajmują mniej miejsca na chipie. Dzięki temu można upakować dwa razy więcej rdzeni na każdym chiplecie (CCD), co daje 16 rdzeni na CCD zamiast 8. Mniejsze rdzenie oznaczają również niższe zużycie energii i ciepła, co jest ważne dla zastosowań serwerowych.

Zen 4c nie ma jednak mniejszej pamięci podręcznej L2 na rdzeń niż Zen 4. Każdy rdzeń Zen 4c ma 1 MB pamięci L2, tak samo jak Zen 4. Jednak pamięć podręczna L3 na CCD jest zmniejszona z 32 MB do 16 MB, co może wpływać na wydajność niektórych zadań.  Zen 4c obsługuje te same funkcje co Zen 4, takie jak instrukcje AVX-512, interfejs PCIe 5.0 i pamięć DDR5. Zen 4c jest wykonany w procesie technologicznym 5 nm firmy TSMC, tak samo jak Zen 4.

Zapewnione przez AMD materiały sugerują znacznie wyższą sprawność energetyczną (relację wysokiej wydajności do zużycia energii) od dowolnego konkurencyjnego układu na rynku w obliczeniach typowo serwerowych (producent najczęściej porównywał je do Intel Xeon Platinium i Intel Xeon Gold). Są więc ponoć idealne dla niskobudżetowych serwerów i platform, które wymagają niskiego zużycia energii i wysokiej gęstości obliczeniowej. To oferta dla usług chmurowych, inteligentnego edge computing i telekomunikacji.

AMD Epyc 8004 obejmują zakres liczby rdzeni, od 8 do 64, i zakres mocy TDP, od 80 W do 200 W (domyślny TDP), z niektórymi modelami konfigurowalnymi do osiągnięcia do 225 W (konfigurowalny TDP). Najwyższy model Epyc 8004 o nazwie kodowej 8534P ma 64 rdzenie, taktowanie do 3,1 GHz i TDP wynoszące 220 W. Najniższy model Epyc 8004 o nazwie kodowej 8024 ma 8 rdzeni, taktowanie do 3,0 GHz i TDP wynoszące 90 W. Istnieją również warianty P i PN ("P" - systemy z jednym procesorem i "N": NEBS/Network Equipment Building System friendly).

To wyzwanie rzucone nie tylko Intelowi, ale też producentom układów bazujących na ARM, którzy zdobywają coraz większą popularność na omawianym rynku za sprawą wysokiej sprawności energetycznej. Tymczasem Zen to niezmiennie rodzina procesorów x86, a AMD co rusz znajduje za jej sprawą nowe pola do ekspansji.

Według danych z kwietnia bieżącego roku, w segmencie desktop (komputery stacjonarne), firma AMD miała 22,7 proc. udziału w rynku (Intel 77,3 proc.). W segmencie mobile (komputery przenośne), firma AMD miała 18,4 proc. udziału w rynku (Intel 81,6 proc.).

W segmencie server firma AMD miała 8,9 proc. udziału w rynku, co oznacza spadek o 0,3 punktu procentowego w porównaniu do poprzedniego kwartału i wzrost o 1,5 punktu procentowego w porównaniu do tego samego okresu rok wcześniej. Firma Intel miała 91,1 proc. udziału w rynku, co oznacza wzrost o 0,3 punktu procentowego w porównaniu do poprzedniego kwartału i spadek o 1,5 punktu procentowego w porównaniu do tego samego okresu rok wcześniej.

AMD ma silną pozycję rynkową w segmencie desktop i rosnącą pozycję rynkową w segmencie mobile i server. Jednak firma Intel nadal dominuje na rynku procesorów x86 i ma znacznie większy udział rynkowy niż firma AMD we wszystkich segmentach. Mając jednak na uwadze tempo pozyskiwania nowych klientów i rynkowe trendy, fortuna zdaje się do AMD szeroko uśmiechać. Choć ewidentnie nie byłoby to możliwe, gdyby nie pomysł na Zen.