Четыре поколения Ryzen в одном тесте: от Zen через Zen+ и Zen 2 до Zen 3

К 2017 году компания AMD подошла с очень печальным процессорным багажом. Представители семейства Bulldozer, которые были не слишком удачными с самого начала, к этому моменту потеряли всякую способность конкурировать с альтернативами Intel. AMD могла рассчитывать лишь на внимание со стороны самых непритязательных пользователей в нижнем ценовом сегменте, в то время как любые попытки предложить что-то энтузиастам превращались в довольно жалкое зрелище. Чего, например, стоит выпуск процессоров Centurion (FX-9370 и FX-9590), которые при частоте под 5 ГГц и номинальном тепловыделении 220 Вт демонстрировали производительность лишь на уровне Core i5 тогдашнего поколения Haswell. Иными словами, положение AMD на процессорном рынке было крайне плачевным.

Но хотя в то время многие считали, что процессорный бизнес AMD уже не спасти, на самом деле в недрах компании кипела напряжённая работа. Ещё в 2012 году тогдашний руководитель AMD Рори Рид (Rory Read) сделал очень дальновидный шаг – убедил вернуться в отдел разработки Джима Келлера (Jim Keller), который один раз уже сыграл в судьбе компании важную роль, поучаствовав в создании легендарных процессоров Athlon 64 и Opteron. И Келлер не подкачал и на этот раз. Он смог объединить вокруг себя лучшие кадры и за несколько лет создал базис для новой волны роста процессорного направления AMD – инженерную команду, которая впоследствии воплотила в жизнь микроархитектуру Zen.

С 2017 года, когда на рынок пришли первые процессоры на этой микроархитектуре, в жизни AMD начался совершенно новый этап. Основанные на Zen массовые процессоры получили название Ryzen, созвучное английскому глаголу to rise (подниматься), и не менее символичный логотип в виде буддистского каллиграфического символа «Энсо», выражающего совершенное просветление, и такие намёки не кажутся излишне пафосными. Ryzen фактически совершили полную перезагрузку AMD, и благодаря этому они круто изменили траекторию дальнейшего развития компании.

Вклад Келлера оказался не столько техническим, сколько организационным – знаменитый инженер сумел проявить себя отличным наставником и помог раскрыться талантам других сотрудников AMD, которые продолжили создание и совершенствование Zen после его ухода в 2016-м. Так, сейчас разработкой новейших версий Zen руководит Майк Кларк (Mike Clark) – один из рядовых членов первоначальной «команды Келлера». И надо сказать, у него это неплохо получается. По крайней мере ситуация на процессорном рынке за последние пару лет поменялась на прямо противоположную: благодаря актуальным итерациям микроархитектуры Zen компания AMD убедительно перехватила лидерство в производительности процессоров.

В микроархитектуре Zen разработчики полностью перечеркнули всё наследие Bulldozer – без этого никакое движение вперёд было бы невозможным. Дело в том, что Bulldozer оказался неудачным уже на уровне концепции: «строительный» процессорный дизайн предполагал объединение в CPU большого числа простых вычислительных ядер, что, как оказалось, плохо подходит для программного обеспечения, которое существовало в 2010-х годах. Именно поэтому в Zen произошёл разворот парадигмы к традиционным «большим ядрам», идеологически больше похожим на ядра Athlon и Phenom.

В Bulldozer компания AMD использовала модульный подход, называвшийся СМТ (Clustered Multithreading). Его суть заключалась в совместном использовании значительной части процессорных функциональных блоков парами ядер. В частности, между ядрами были разделены блок вычислений с плавающей запятой, кеш-память, а также вся входная часть исполнительного конвейера – блок выборки и декодирования инструкций. Zen же, напротив, состоит из полностью самостоятельных ядер, и более того – эта микроархитектура впервые в практике AMD имеет поддержку технологии SMT (Simultaneous Multithreading), аналогичной Intel Hyper-Threading. Фактически ядра Zen можно охарактеризовать как «широкие» – они нацелены на исполнение максимального количества x86-инструкций одновременно. Но не стоит думать, что AMD решила повторять все основные идеи процессоростроения вслед за Intel, которая пришла к «широким» ядрам значительно раньше. Например, в Zen пока нет дополнительных узкоспециализированных «ускорителей» ИИ вроде AVX-512 и Deep Learning Boost, которые продвигает Intel в последнее время, зато есть кое-что другое – выраженная модульность.

То, что в процессорах на базе микроархитектуры Zen ставка будет делаться на многочиповую компоновку процессоров, было понятно с самого начала. Такой подход начал применяться ещё с самых первых Zen, но сначала он был задействован лишь в серверных и HEDT-продуктах. Зато с последующими итерациями микроархитектуры подобное строение нашло своё место и в обычных Ryzen. Intel же, напротив, изначально критиковала «чиплеты», хотя позднее пришла к тем же самым идеям с компоновочными решениями EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) и Foveros (многоуровневые соединения чипов), правда, в массовых CPU они пока не применяются.

Сейчас, по прошествии четырёх лет с момента выхода первых Zen, хорошо видно: всё, что было заложено в этой микроархитектуре изначально, так или иначе дало свои плоды. Благодаря нескольким этапам совершенствования процессоры AMD в конечном итоге стали самыми передовыми и самыми производительными решениями на рынке. Нас такой прогресс не мог не впечатлить — и мы решили ещё раз проследить тот путь, который проделала AMD к своему сегодняшнему успеху. В этом материале мы предлагаем познакомиться с результатами «тематического» тестирования, в котором сопоставляются четыре последовательных поколения процессоров Ryzen – от основанных на самом первом варианте архитектуры Zen до современных носителей микроархитектуры Zen 3. Однако прежде чем сравнивать результаты тестов быстродействия, давайте чуть глубже окунёмся в воспоминания.

⇡#Как всё начиналось – Zen и Zen+

Первое поколение Zen было спроектировано, что называется, с чистого листа — в этих процессорах AMD отбросила все предыдущие наработки. И сразу же выяснилось, что это абсолютно верное решение. Ещё задолго до выхода реальных процессоров, когда компания впервые представляла микроархитектуру Zen в 2015 году, она не стеснялась обещать огромный рывок в удельной производительности, и уже тогда складывалось ощущение, что грядёт революция. Ещё бы, ведь переход от Excavator (последней итерации Bulldozer), по расчётам компании, должен был увеличить показатель IPC (число исполняемых за такт инструкций) на кажущиеся на тот момент невероятными 40 %.

И всё это оказалось не пустыми словами: в середине 2016 года AMD подтвердила невероятный рывок в производительности практической демонстрацией: компания показала, что в задачах рендеринга её будущий чип способен потягаться с актуальным восьмиядерным HEDT-процессором конкурента Core i7-6900K (восьмиядерным Broadwell-E). Тогда же AMD обрисовала и свои планы относительно будущей платформы и подтвердила, что массовые процессоры продолжат использовать гнездо Socket AM4 и DDR4-память, как и представленные ранее APU семейства Bristol Ridge.

Наконец, в марте 2017 года были представлены первые Ryzen тысячной серии – в первоначальный модельный ряд сразу же вошли процессоры с числом ядер до восьми, несмотря на то, что у конкурента в массовом сегменте на тот момент имелись только четырёхъядерники. И новинки вполне оправдали ожидания – флагманский Ryzen 7 1800X действительно демонстрировал производительность на уровне Core i7-6900K, правда, только в ресурсоёмких приложениях. С игровой производительностью дело у процессоров AMD обстояло значительно хуже – здесь ни о какой конкуренции с предложениями Intel речь было вести невозможно. Но как бы то ни было, на фоне Bulldozer новые процессоры выглядели очень воодушевляюще. Фактически Ryzen 7 1800X оказался примерно вдвое лучше, чем FX-8370, и этого было достаточно, чтобы стало понятно – AMD возвращается в большую игру.

Давайте вспомним, что представляли собой Ryzen первого поколения. Каждый процессор с микроархитектурой Zen, несмотря на монолитный одночиповый дизайн, состоял из пары связанных шиной Infinity Fabric модулей CCX (Core Complex), в каждом из которых находилось по четыре вычислительных ядра и по 8 Мбайт кеш-памяти третьего уровня. Общими на два ССX были блоки ввода-вывода с контроллерами PCI Express 3.0, SATA, USB и так далее, а также двухканальный контроллер памяти.

Каждое процессорное ядро располагало декодером с производительностью 4 микрокоманды на такт и кешем декодированных микроопераций на 2 тысячи инструкций, по смыслу повторяющим аналогичный блок процессоров Intel. В исполнительном домене ядра присутствовало по четыре арифметико-логических устройства (ALU), по два блока генерации адресов (AGU) и по четыре 128-битных устройства для операций с числами с плавающей запятой (FPU).

Те же самые восьмиядерные полупроводниковые кристаллы Zen компания AMD применила для построения не только десктопных процессоров Ryzen, но и серверных EPYC 7001 (кодовое имя Naples). В них посредством шины Infinity Fabric объединялось по четыре кристалла, что позволяло получать процессоры с числом ядер до 32 и восьмиканальным контроллером памяти. И это стало отличной инженерной идеей – благодаря такой унификации AMD одним махом смогла получить сверхмощные серверные предложения, которые превосходили процессоры Intel того же класса по всем базовым характеристикам: по числу ядер, по пропускной способности подсистемы памяти и по числу линий PCI Express. И более того, чтобы нанести ещё один удар по процессорному рынку, AMD выпустила заодно и HEDT-процессоры Threadripper, составленные из двух полупроводниковых кристаллов Zen, которые смогли предложить до 16 ядер и поддержку четырёхканальной DDR4 SDRAM.

Примерно через полтора года после появления процессоров Ryzen первого поколения AMD подготовила их обновление – серию Ryzen 2000. Однако это был не слишком существенный шаг по пути прогресса — фактически речь шла лишь о новом степпинге изначального дизайна. Самым важным изменением стала смена используемого техпроцесса – вместо 14LPP (14 нм Low Power Plus) новое поколение Ryzen перешло на технологию 12LP (12 нм Leading Performance), что позволило несколько нарастить тактовые частоты и оптимизировать задержки. Но что касается собственно микроархитектуры, то она претерпела минимальные изменения, а поэтому ей дали «промежуточное» название Zen+.

Впрочем, старший представитель обновлённого семейства, Ryzen 7 2700X, оказался быстрее предшественника, и процессоры AMD продолжили уверенное доминирование в части производительности в вычислительных задачах, несмотря на появление у Intel конкурирующих шестиядерников вроде Core i7-8700K. Однако о принципиальном улучшении ситуации с быстродействием в играх речь пока не шла. Ryzen 7 2700X стал выглядеть немного увереннее, чем Ryzen 7 1800X, в гейминге, но процессорам конкурента он тем не менее всё ещё принципиально проигрывал.

Зато с появлением ядер Zen+ компания AMD обновила и серию Threadripper – в ней появились процессоры с числом ядер вплоть до 32, составленные уже из четырёх полупроводниковых кристаллов. И хотя они не нашли широкой поддержки со стороны энтузиастов из-за своей своеобразной NUMA-топологии, это был ещё один важный шаг AMD в части достижения новых высот вычислительной производительности.

Впрочем, самое интересное началось позже, в 2019 году, когда AMD сделала следующий шаг и перевела свои процессоры на микроархитектуру Zen 2 и новаторский чиплетный дизайн.

⇡#Второй рывок – Zen 2 и Zen 3

При создании следующей серии процессоров, Ryzen 3000, AMD пересмотрела применяемые компоновочные подходы и решила опираться на многокристальные сборки в том числе и в процессорах для настольного сегмента. В микроархитектуре Zen 2 произошло физическое отделение процессорных ядер от контроллера памяти и схем ввода-вывода, в результате чего в каждом процессоре стали одновременно применяться два вида разнородных полупроводниковых кристаллов – чиплетов. Во-первых, это были выпускаемые по техпроцессу 12LP чиплеты ввода-вывода, в которых располагался контроллер DDR4 SDRAM, контроллер PCI Express 4.0, а также контроллеры SATA и USB. Во-вторых, чиплеты с восемью процессорными ядрами, для производства которых использовался более тонкий техпроцесс N7 (7 нм). Помимо всего прочего, такое разделение позволило AMD в дополнение к привычным Ryzen создать новый подкласс массовых процессоров — 12- и 16-ядерные Ryzen 9, в которых применялась сразу пара процессорных чиплетов.

Впрочем, увеличение числа ядер стало не главным достоинством Zen 2 и процессоров, основанных на этой микроархитектуре. В них нашли место и другие значительные улучшения. Так, переход на более современную производственную технологию позволил удвоить размер L3-кеша – теперь на каждый четырёхъядерный CCX-модуль стало приходиться по 16 Мбайт кеш-памяти. Также была существенно переработана микроархитектура на низком уровне.

В схеме предсказания переходов, помимо перцептрона, был реализован многоступенчатый статистический механизм TAGE (Tagged geometric). L1-кеш инструкций урезали вдвое, но удвоили глубину кеша микроопераций. В исполнительном домене добавили третий адресный блок (AGU), а всем вещественночисленным устройствам (FPU) удвоили ширину – до 256 бит. В результате Zen 2 получила возможность обрабатывать инструкции AVX2 за один проход, не дробя их на две части, как было в Zen и Zen+. И вот это изменение, пожалуй, стоит считать наиболее важным как минимум с точки зрения серверов и рабочих станций – там быстрая обработка векторных инструкций имеет очень большое значение.

В результате всех оптимизаций и улучшений процессоры Ryzen 3000 заметно подтянулись по производительности, и, хотя всё ещё отставали от конкурирующих предложений Intel при игровой нагрузке, имеющийся разрыв стал не таким вопиющим. Зато в вычислительных задачах преимущество AMD стало неоспоримым: восьмиядерники вроде Ryzen 7 3800X оказывались быстрее появившихся чуть ранее Intel Core i9-9900K с таким же числом ядер практически в любом приложении для создания и обработки контента, не говоря уже о том, что многоядерные модели Ryzen 9 попросту не имели конкурентов.

Чиплетный дизайн Zen 2 позволил AMD приумножить успехи и в сегменте HEDT. Обновлённые Threadripper избавились от неудобной для рабочих станций топологии NUMA и нарастили число ядер до 64 штук. Попутно заметный прогресс произошёл и в серверной серии процессоров компании, за счёт чего AMD сумела сильно увеличить продажи EPYC 7002 (кодовое имя Rome).

Между тем Zen 2 – далеко не финальная точка в эволюции микроархитектуры. Разработкой новых процессорных дизайнов в AMD, как и во многих других компаниях, занимаются две команды, которые воплощают свои проекты поочерёдно. И поэтому вслед за Zen 2, который принёс с собой большой багаж нововведений, появился Zen 3, в котором масштаб улучшений оказался отнюдь не меньшим, но затрагивающим при этом иные аспекты микроархитектуры. Сама AMD утверждала, что прирост IPC при переходе от Zen 2 к Zen 3 составил 19 %, а в играх он ещё выше и достигает 23 %.

Все изменения в Zen 3 касаются исключительно чиплетов с процессорными ядрами – чиплеты ввода-вывода в серии основанных на микроархитектуре Zen 3 процессоров Ryzen 5000 унаследованы от Ryzen 3000. Главное улучшение касается их внутренней структуры: в Zen 3 модули CCX попарно объединены, то есть процессорный чиплет наконец-то стал единой с логической точки зрения конструкцией, объединяющей восемь равноправных ядер и разделяемую между ними кеш-память третьего уровня объёмом 32 Мбайт. Это сразу же снизило латентности при работе ядер с общими данными – теперь находящиеся в одном чиплете ядра получили возможность взаимодействовать между собой через гораздо более близкую к ним кеш-память, а не через внешнюю по отношению к CCX-модулям шину Infinity Fabric.

Впрочем, одной только реорганизацией CCX дело не ограничивается. Внутри ядер Zen 3 проведено множество микроархитектурных оптимизаций как во входной части вычислительного конвейера, так в исполнительном домене и в подсистеме работы с данными. К числу основных изменений стоит отнести перегруппировку устройств ALU и AGU с выделением отдельного устройства для обработки ветвлений, добавление двух дополнительных FPU-устройств, а также более гибкую работу с L1D-кешем в части возможности выполнения большего числа одновременных загрузок и сохранений. Вместе с тем в очередной раз улучшились алгоритмы предсказания переходов, а размеры многих внутренних буферов были перебалансированы.

В результате такие процессоры, как Ryzen 7 5800X, наконец-то оспорили правомерность того, что Intel Core носят звание лучших вариантов для игровых систем. А вместе с укрепившимся преимуществом в вычислительной производительности они получили и право считаться самыми быстрыми потребительскими CPU современности, по крайней мере до тех пор, пока Intel не ответит на Zen 3 обновлением собственной микроархитектуры.

⇡#Немного о перспективах – Zen 3+ и Zen 4

Ещё в марте прошлого года компания AMD объявила, что за микроархитектурой Zen 3 последует микроархитектура Zen 4, но это утверждение было сделано применительно к серверному сегменту. На момент публикации этого материала процессоры EPYC 7003 (кодовое имя Milan), основанные на Zen 3, всё ещё не анонсированы официально, хотя это и должно произойти в самое ближайшее время. Это значит, что внедрение новых поколений архитектур у AMD на серверном рынке несколько запаздывает, но в то же время процессоры EPYC 7004 (кодовое имя Genoa) на базе дизайна Zen 4 обещаны уже в 2022 году.

Таким образом, можно ожидать, что взятый AMD темп смены поколений в мире Ryzen не будет падать. И знать об этом очень приятно, потому как вместе с внедрением микроархитектуры Zen 4 в платформе AMD ожидается сразу несколько важных изменений: переход на 5-нм техпроцесс со всеми сопутствующими дивидендами и поддержка более быстрой памяти стандарта DDR5.

Из неофициальных планов AMD, которые временами просачиваются в прессу, известно, что перед выходом десктопных воплощений Zen 4 с кодовым именем Raphael на рынок должно прийти ещё одно поколение Ryzen, фигурирующее под кодовым именем Warhol. Предполагается, что такие процессоры сохранят микроархитектуру Zen 3 и станут чем-то вроде слегка разогнанных Ryzen 5000, но есть и другая гипотеза. Вполне может статься, что в Warhol компания AMD заменит чиплет ввода-вывода, осуществив переход на Socket AM5 и внедрив поддержку DDR5 в десктопном сегменте, не дожидаясь миграции на ядра Zen 4. AMD всегда говорила, что процессорное гнездо Socket AM4 останется актуальным только до 2020 года, и поэтому, если чипы Warhol под новый процессорный разъем появятся в этом году, это вполне впишется в общую канву публичных планов компании.

На данный момент никакие конкретные детали про Zen 4 достоверно не известны. В нескольких интервью высокопоставленные сотрудники AMD лишь упоминали, что список изменений, запланированных в Zen 4, не меньше соответствующего списка для Zen 3. И что оптимизация дизайна ведётся по нескольким направлениям, включая кеш-память, схему предсказания переходов и исполнительный домен. Кроме того, уместно будет вспомнить о том, что 5-нм техпроцесс TSMC, которым собирается воспользоваться AMD, обеспечивает 84-процентное увеличение плотности транзисторов на кристалле в сравнении с технологией N7 и может дать либо 30-процентное снижение энергопотребления, либо 15-процентный рост частоты. Как AMD распорядится этими преимуществами — не известно. Но ходят слухи, что по крайней мере серверные процессоры на базе Zen 4 получат большее число вычислительных ядер, а также обретут поддержку дополнительных наборов векторных инструкций.

Впрочем, нужно оговориться, что бушующий в 2021 году глобальный дефицит полупроводников способен привести к срыву любых процессорных планов, особенно если речь идёт о планах компании AMD, которая не располагает собственными производственными мощностями.

⇡#Характеристики Ryzen разных поколений в сравнении

Чтобы сопоставить четыре варианта Ryzen, основанных на микроархитектурах c Zen по Zen 3, мы взяли флагманские восьмиядерные процессоры, относящиеся к серии Ryzen 7. Такой выбор обусловлен отсутствием в семействах Ryzen 1000 и Ryzen 2000 процессоров с большим числом ядер – 12- и 16-ядерные CPU компания AMD стала выпускать лишь с серии Ryzen 3000.

Паспортные характеристики процессоров, попавших в это сравнение, представлены в таблице.