AMD 7nm Zen2架构详解：从优秀到卓越

发表于 5年以前 | 总阅读数：453 次

基于7nm工艺打造的第三代锐龙，相信很多人都很感兴趣它频率、核心、性能都大幅提升的背后，是有哪些架构的革新与调整，今天就拿着AMD官方的PPT，给大家深入浅出地讲一讲吧——

本文内容较长、而且涉及的专业名词、术语比较多，阅读也有一定的门槛，但我已经尽可能从简地解释了，对于喜欢DIY、感兴趣半导体技术的粉丝们，不妨找个安静的地方，好好地看一看，应该多少都能有点收获的。

在过去的几年中，AMD一直在研发更高性能更高能效的Zen架构，所以才有2017年锐龙处理器问世时AMD震惊世人的52% IPC性能提升，这种架构级别的提升比起大家调侃的Intel式挤牙膏升级实在太猛了，从性能到能效都是质的变化。

从这点上来说，两年前的第一代锐龙1000系列可以说一鸣惊人，让落后多年的AMD拿到了高性能CPU市场的新门票，从此这个市场不再是Intel的独角戏，DIY玩家期待的双雄争霸局面回来了，CPU市场格局变了，Intel在这两年中接连从4核升级到6核再到8核，不再挤牙膏升级了，这点上确实是AMD的功劳。

不过现在的两代锐龙处理器还是有一点严重不足的——单核性能不足，导致AMD一些游戏及专业应用的性能不如Intel。

从一代锐龙到二代锐龙，AMD将CPU架构从14nm Zen改进到了12nm Zen ，但这依然是小修小补，缩短了与Intel的单核差距，但没有质变，在那样的工艺及架构下已经挖掘不出更高频率的潜力了。

管理学中有个著名的说法——从优秀到卓越，这句话用来形容现在的AMD再合适不过了，14/12nm公司的锐龙处理器是优秀的处理器，但还有一些槽点没能解决，而现在的7nmm Zen 2架构目标是卓越，AMD从追赶者变成领导者的任务就要靠它了。

此前AMD在CPU路线图中对Zen 2架构的概述就是多维度增强Zen架构，从官方定性来看我们可以把Zen 2当作深度改进版的Zen——基本的CPU结构变化不大，但工艺、封装、单核及多核上全面改进。

AMD官方对Zen 2架构的优势主要集中在三方面——性能、工艺及并行，我们的介绍也主要围绕这三部分进行。

第三代锐龙用上7nm工艺：AMD CPU史上首次全面领先Intel

对CPU这种极其先进的逻辑芯片来说，任何重要的进步都离不开制程工艺的升级，14/12nm锐龙上的一些缺点，比如CPU单核频率还不够高等，AMD也不是不清楚，但他们也没办法了，GF的14/12nm工艺决定了上限了，不是想提频就提频的。

好在现在AMD上了7nm，而且代工厂从GF换到了台积电，说起来这件事也有很多波折，去年8月初GF黯然宣布无限期停止7nm及以下工艺的研发、生产，原本是准备GF、台积电两条腿走路的AMD无奈之下决定将CPU及GPU的7nm订单全部交给台积电。

对AMD来说，从原来的两家代工厂变成一家代工厂，实际上风险更大了，而且台积电之前没有过制造高性能X86处理器的经验，不过最终来看台积电财大气粗，在工艺成熟度上比GF要好得多，AMD的7nm CPU及GPU最终还是顺利量产了。

此外，AMD的锐龙3000系列处理器使用的7nm工艺跟台积电为华为、苹果代工移动处理器的工艺也不同，是7nm HPC工艺，专为高性能IP核心优化的，只不过AMD及TSMC对7nm HPC工艺的公开介绍并不多。

从AMD公开的数据来看，7nm工艺带来了明显的计算效率，包括2倍的晶体管密度、功耗降低50%（同性能下），性能提升了25%（同功耗下）。

考虑到AMD这是跟14nm工艺对比的，密度、功耗的变化还不错，但25%的性能提升并不让人满意，这也可以看出摩尔定律到了10nm节点之后芯片性能的提升不那么容易了

只要提起处理器工艺，Intel也是无论如何绕不过去的。公平地说，Intel的10nm工艺技术上并不落伍，晶体管密度等方面相比台积电的7nm工艺甚至还有些优势。在这个问题上，即便是AMD自己都是很清醒的，他们也只是表态7nm工艺追上了与友商的差距。

当然，综合来看，AMD在7nm节点上还是领先的，即便技术上与Intel的10nm不相上下，但是时间进度上AMD赢了，Intel的10nm处理器首发于移动版十代酷睿处理器Ice Lake上，高性能的桌面版、服务器版要等到明年，而AMD现在就开始出货7nm工艺的高性能桌面版处理器了，64核的EYPC罗马处理器也会下半年出货。

正是因为这一点，此前有华尔街分析师称赞AMD在7nm 锐龙3000处理器上打了一个翻身仗，这是十多年来AMD首次在工艺及性能上首次全面超越Intel，绝对是历史性时刻。

第三代锐龙的Chiplets设计：CPU/IO核心分离解决延迟成关键

尽管AMD成功地在锐龙3000处理器上使用了7nm工艺，但是说它是7nm芯片也有点不准确，实际上锐龙3000是7nm混合12nm工艺，这跟它的模块化设计有关。

在7nm节点，设计一款芯片的费用高达3亿美元，对AMD来说成本也是非常高的，这就需要厂商采用更好的方式来确保芯片的良率，芯片越大良率就越低，芯片越小良率就有可能越高。

在Zen 2架构处理器上，AMD就使用了Chiplets小芯片的设计思路，通过模块化来组合不同核心的处理器。Chiplets设计不同于以往的胶水封装，本质上是把不同工艺、不同架构的芯片电路按需搭配，比单纯的胶水封装要高明，也要复杂。

在去年推出的第一款Zen 2架构的处理器——EPYC罗马上，AMD就率先应用了这种设计方式，8组CPU核心、1组IO核心堆出了64核处理器。在锐龙3000上，桌面版不需要这么多核心，使用的2组CPU核心层、1组IO核心，最多16核32线程。

具体来说，就是图中上面2组CPU核心是7nm工艺制造，因为CPU核心对性能要求高，对功耗也敏感，提升工艺对CPU核心来说大有裨益，好钢要用在刀刃上。

下面的IO核心整合了内存控制器、PCIe控制器等IO单元，这部分电路对性能、功耗要求没那么高，而且IO单元并不容易随着工艺微缩，所以使用的是相对低端的工艺——之前说是14nm，不过锐龙3000上的IO核心是改良版的12nm工艺。

AMD在Zen2上采用这样的设计无疑是很聪明的做法，配置也非常灵活，提升CPU核心数量就堆CPU模块即可，所以锐龙处理器可以从之前的8核16线程轻松变成16核32线程。此外，AMD这样做也需要生产小核心，提高了良率，降低了成本，而且IO核心使用的还是更成熟的12nm工艺，进一步削减了成本。

当然，有得必有失，Chiplets设计的好处多多，但缺点也明显，那就是如何处理好核间的连接，特别是内存主控分离出来之后，内存的延迟理论上要增加，肯定是不如原生多核的，AMD怎么解决这个问题的呢？

首先是改进Infinity Fabric总线（简称IF），IF总线是Zen架构上的基础技术之一，它连接了Zen架构中的CCX模块，现在也用于链接不同的CPU、IO核心模块。

在锐龙3000处理器上，IF总线进化到了第二代，在并行、延迟及能效上全面改进，总线位宽从256b升级到了512b以便支持PCIe 4.0，同时将Fclk与Uclk频率去耦合解锁以提高内存超频性能，并采取多种方式降低内存延迟、提高缓存速度以减少延迟带来的影响。

除了IF总线的改进之外，AMD还发了一个大招——L3缓存翻倍，每个CCX单元的L3缓存容量从之前的8MB提升到了16MB（7nm工艺的密度优势就是任性），这样一来对延迟敏感的应用就可以更多地以来L3缓存而内存，AMD称此举使得等效内存延迟减少了33ns，游戏性能提升了21%。

此外，AMD凭借IO核心分离还提高了内存的频率，之前的锐龙支持的内存频率不过2933MHz，现在可以轻松达到4000 ，号称一键超频到4200MHz，高者可达DDR4-5133Mhz。

对于内存频率，如果追求极限低延迟，频率高了也不一定好，这也跟IF总线的工作模式有关，虽然它跟内存频率分离了，但1：1情况下延迟还是最低的，分界点就是DDR4-3733，这时候内存延迟是最低的，而AMD官方推荐的是DDR4-3600 CL16模式，对当前的内存来说这个频率、时序也很轻松能达到。

第三代锐龙的Zen2架构详解：一切为了更高的吞吐量

如果大家还记得锐龙7 1800X首发时的情景，那么对Zen架构的SMT多线程、CCX单元、IF总线等创新应该还有印象，而锐龙3000的Zen2架构也继承了这些优点，只不过Zen2中IO相关的分离了，CPU核心变得更纯粹，总体方向就是提升核心数以加倍多线程性能，同时最大可能提升单核性能。

在锐龙3000中，CPU与IO核心分离之后可以有多种搭配，比如1组CPU搭配1组IO核心，这样最多是8核16线程，还有就是2组CPU核心搭配1组IO核心，这样最多16核32线程，这也是目前锐龙9 12核及16核处理器实现的根基。

在14nm Zen架构中，1个CCX单元的总面积是60mm2，其中CPU核心44mm2，8MB L3缓存是16mm2，算上其他IO、内存主控、IF等单元，8核处理器的核心面积是213mm2。

在Zen 2架构中，一个chiplets芯片的总面积才74mm2，其中CCX 16MB L3缓存的核心面积才31.3mm2，同比减少了47%，一方面是因为7nm工艺的密度优势，一方面也跟Zen2的CCX只有CPU核心有关，减少了IO单元。

这里也可以解释为了降低延迟AMD为什么敢于大幅加倍L3缓存的原因了，每个CCX翻倍到16MB L3缓存后CCX核心面积依然减少一半左右，何乐而不为呢。

整个Zen2架构来说，它继承了SMT多线程技术，同时在分支预测、缓存系统、整数、浮点等单元上做了改进，并加入了新的指令，目的就是进一步降低延迟带来的影响。

在缓存系统上，Zen 2的L3缓存翻倍，L2缓存维持512KB 8-Way不变，L1缓存有所调整，指令缓存容量64KB减少到了32KB，但关联性从4-Way变成了8-Way，而且Micro-Op缓存翻倍，AMD这样做显然是想取得一种性能与节能、面积之间的平衡。

预取单元中，AMD提高了分支预测的精度，加大了BTB（分支目标缓冲器）容量，优化了32KB L1缓存，最主要的则是加入了TAGE分支预测器，最终使得分支预测的误命中率减少了30%，提升了命中精度以减少能耗、提高性能。

解码单元中，主要是改进了micro-op微操作缓存，容量从2K翻倍到4K，可以支持更多的解码操作。

浮点单元是Zen 2架构中变化比较大的部分，在去年的EPYC罗马处理器中AMD就表示浮点性能吞吐量翻倍，原因就在于完全支持了AVX2指令，位宽从128bit提升到了256bit，这样不用再将以往的256bit指令拆分为两个指令用两个周期执行了，实现了浮点性能翻倍。

整数执行单元中，调度器从84个增加到了92个，物理寄存器从168个增加到了180个，从每周期6发射提升到了7发射，总体来说这方面的改进更多地是量变，进一步优化执行单元的效率及执行速度。

载入/存储单元中，同样是提升队列的深度，提升TLB缓存容量，提升带宽，降低延迟，最主要的是带宽从每周期的16B翻倍到了32B字节。

缓存一致性上，前面已经介绍过了L1、L2、L3缓存的变化了，其中L2缓存不变，L3缓存翻倍，L1指令缓存减半，但关联性翻倍。

Zen2架构中还增加了一些新的指令，比如CLWB、WBNOINVD、QOS等，不详细解释了，这些指令主要跟内存、缓存有关，主要目标还是提高缓存性能、降低延迟，它们主要是给EPYC处理器准备的，锐龙3000消费级处理器支持这些指令主要还是沾光。

最后值得一提的是处理器的安全性，由于后发优势，Zen2架构在安全性、漏洞防护等问题上更具优势，Zen架构上就已经免疫了多个Spectre幽灵、Meltown熔断等变种漏洞，Zen2架构上进一步硬件免疫了幽灵漏洞变种，这点对消费级处理器来说影响不大，但对企业级用户来说很重要。

第三代锐龙的终极目标：要多核还要单核更要能效、低温

不论是7nm工艺还是Chiplets设计，亦或者是Zen 2微内核架构，AMD在霄龙、锐龙处理器上追求的目标不外乎性能、能效，结合之前处理器表现出来的优势及槽点，具体来说就是继续保持多核性能优势、提升单核性能、提高能效、降低功耗及发热，还有就是更低的成本，不过售价这方面还跟市场有关，要看具体产品，这里先不谈了。

在性能这点上，AMD在7nm Zen2上追求的是性能提升，首先是IPC性能，在从推土机架构到Zen架构上，AMD实现了52%的IPC性能提升，不过那个有特殊加成，但从Zen到Zen2上，AMD表示他们也实现了15%的IPC性能提升，这点就难能可贵了，毕竟现在的高性能CPU架构提升越来越难，以往Intel产品提升5%的IPC性能就算不错了。

其次，AMD还要实现更高的频率，锐龙一代、二代处理器在这方面就吃过亏，加速频率也就4.3GHz而已，相比Intel已经实现的5GHz加速频率差了很远，导致AMD在单核性能上吃亏不少，游戏性能也因此落败。

在7nm Zen2上，AMD总算有了突破，锐龙9 3900X 12核处理器的加速频率也达到了4.6GHz，16核的锐龙9 3950X更是达到了4.7GHz频率，而且AMD表示他们的加速频率不单单是追求单核最高频率，可能的情况下更愿意让多个核心达到加速频率，这样一来性能会更强。

综合IPC性能及频率的提升，AMD在锐龙3000上终于实现了单核性能的大进步，官方数据显示单线程性能提升了21%，考虑到锐龙一代、二代上单核性能与Intel酷睿处理器最大的差距也不过20%左右，这次的提升足以让AMD在单核性能上追平甚至超越Intel酷睿。

与此同时，AMD一直有优势的多核性能上还会继续保持，锐龙3000上最大核心数翻倍到了16核32线程，随着核心增加多核性能也基本保持了线性增长，6核12线程的处理器CINBEBCN R20多核跑分是3678，12核24线程的锐龙3000就是7248分，基本上就是同步增长的。

更重要的是，在性能增长的同时AMD反而降低了处理器的功耗，每瓦性能比要比目前的锐龙7 2700X以及Intel的酷睿i7-9700K处理器有了50%到70%的增长，锐龙7 3700X的绝对功耗反而从前两者的195W、157W降至135W，能效表现让人刮目相看。

考虑到锐龙7 2700X以及Intel的酷睿i7-9700K处理器都是14nm工艺水平的，7nm的锐龙3000处理器在能效上有两代工艺的差距，官方称同性能下功耗降低了50%，能效上可以说是降维打击。

伴随着能效的提升，AMD的锐龙3000处理器在发热上也很有优势，Intel的6核、8核酷睿处理器发热之高让很多玩家不爽，但锐龙7 3700X要冷静的多，这个优势在锐龙一代、二代上就已经如此了。

除了硬件上的改进，AMD在优化方面也跟上来，锐龙3000处理器就得到了微软的支持，在最新的Windows 10 5月更新（1903版）上，它也支持了AMD处理器的快速CPU状态切换功能，涉及到一些突发工作负载时，锐龙3000处理器的频率提升时间从30毫秒减少到了1-2毫秒，简单来说就是在需要的时候可以更快速度提升频率，这样就可以提升应用程序的响应速度，AMD表示PCmark 10的启动时间就缩短了6%，Rocket League游戏的启动时间更是减少了15%。