AMD Zen的下一站將Zen 4預(yù)計(jì)將在2022年上半年推出

AMD基于Zen3全新架構(gòu)的銳龍5000系列終于解禁上市了，不知道銳龍9 5950X、銳龍9 5900X的性能是否讓大家滿(mǎn)意？大喊YES的同時(shí)有沒(méi)有剁手買(mǎi)買(mǎi)買(mǎi)？

接下來(lái)，快科技還會(huì)奉上銳龍7 5800X、銳龍5 5600X的評(píng)測(cè)，敬請(qǐng)期待。

這次，銳龍一直以來(lái)可以說(shuō)唯一弱勢(shì)的單核心/游戲性能終于不再是短板，一舉實(shí)現(xiàn)了對(duì)Intel的反超，而且還是在制造工藝維持7nm工藝完全不變的前提下做到的，全新設(shè)計(jì)的Zen3架構(gòu)可以說(shuō)功不可沒(méi)，這也是Zen誕生以來(lái)最大規(guī)模的變革。

今天，我們就好好聊一聊Zen3架構(gòu)的革新之處。

當(dāng)然了，處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)是極為高深的學(xué)問(wèn)，我們不可能講得多么深入、專(zhuān)業(yè)，就說(shuō)說(shuō)一些比較表層和便于理解的東西，看看如此逆天的性能飛躍究竟如何而來(lái)。

首先，做任何事都要有目標(biāo)，設(shè)計(jì)一個(gè)處理器架構(gòu)更是如此。Zen3的目標(biāo)就有三個(gè)：

一是提升單線程性能，專(zhuān)業(yè)名詞叫IPC（每時(shí)鐘周期指令數(shù)），畢竟之前幾代一直追求多核心為主，是時(shí)候把單核性能提升到足夠的高度了，不然始終是瘸著腳走路，缺乏長(zhǎng)久競(jìng)爭(zhēng)力。

二是在維持8核心CCD模塊的前提下，統(tǒng)一核心與緩存，提升彼此通信效率，降低延遲。

三是繼續(xù)提高能效比，性能提升的同時(shí)功耗不能失控。

為此，Zen3架構(gòu)對(duì)于所有模塊都進(jìn)行了翻新，前端、預(yù)取、解碼、執(zhí)行、整數(shù)、浮點(diǎn)、載入、存儲(chǔ)、緩存等等，每個(gè)環(huán)節(jié)都是煥然一新。

首先，Zen3設(shè)計(jì)了一個(gè)堪稱(chēng)藝術(shù)級(jí)的分支預(yù)測(cè)器，它之后有兩條通道將指令送入隊(duì)列，然后進(jìn)行分派，一是8路關(guān)聯(lián)的32KB一級(jí)指令緩存和x86解碼器，二是4K指令的操作緩存（Op-cache）。

x86解碼器的限制是每個(gè)時(shí)鐘周期只能處理最多4條指令，但如果是熟悉的指令，就可以放入操作緩存，每個(gè)周期就能處理8條，二者結(jié)合指令分發(fā)效率就大大提升，相比于Zen2直接上升了一個(gè)檔次。

指令分派之后就來(lái)到執(zhí)行引擎階段，分為整數(shù)、浮點(diǎn)兩大部分，每個(gè)時(shí)鐘周期可以向它們分派6條指令。

其中，整數(shù)單元還是4個(gè)，但更加分散，并增加了一個(gè)單獨(dú)的分支與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，提升吞吐量，每時(shí)鐘周期可以生成3個(gè)地址。

浮點(diǎn)方面則分為六條流水線，進(jìn)一步提升吞吐量和效率。

內(nèi)存方面，每時(shí)鐘周期可以執(zhí)行3個(gè)載入，或者1個(gè)載入加2個(gè)存儲(chǔ)，再次提升吞吐量，并且可以更靈活地處理不同工作負(fù)載。

單純說(shuō)Zen3可能感覺(jué)不到什么，那就對(duì)比一下Zen2，變化太多還是撿最核心的說(shuō)。

前端方面，主要有容量翻番的L1 BTB、更大的分支預(yù)測(cè)器帶寬、更快的預(yù)測(cè)錯(cuò)誤恢復(fù)、更快的操作緩存拾取、更精細(xì)的操作緩存流水線切換，等等。

執(zhí)行引擎方面，主要有獨(dú)立的分支與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、更大的整數(shù)窗口、更低的特定整數(shù)/浮點(diǎn)指令延遲、6寬度拾取與分發(fā)、更寬的浮點(diǎn)分派、更快的浮點(diǎn)FMAC（乘法累加器），等等。

載入/存儲(chǔ)方面，主要有更高的載入帶寬（2個(gè)變3個(gè)）、更高的存儲(chǔ)帶寬（1個(gè)變2個(gè)）、更靈活的載入/存儲(chǔ)指令、更好的內(nèi)存依賴(lài)檢測(cè)，等等。

以上是Zen、Zen2、Zen3三代架構(gòu)在核心、緩存一些關(guān)鍵指標(biāo)上的變化。乍一看，Zen3變化的力度似乎不如Zen2，但一則這些數(shù)字不能完全反應(yīng)更深層次的變化，二則Zen3在關(guān)鍵指標(biāo)上更有突破，比如說(shuō)分發(fā)寬度從10/11一躍來(lái)到16，執(zhí)行效率提升可不止一點(diǎn)半點(diǎn)。

正是基于這些改進(jìn)，Zen3架構(gòu)的IPC提升了多達(dá)19％，來(lái)自前端、載入/存儲(chǔ)、執(zhí)行引擎、緩存預(yù)取、微操作緩存、分支預(yù)測(cè)等部分的合力貢獻(xiàn)。

那么大家可能會(huì)疑惑了，19％這個(gè)數(shù)字怎么來(lái)的？

說(shuō)起來(lái)也簡(jiǎn)單，Zen3、Zen2架構(gòu)都固定在8核心、4GHz頻率，然后對(duì)比不同應(yīng)用的性能變化，最后綜合而來(lái)。

不同工作負(fù)載的提升幅度當(dāng)然不盡相同，變化最大的是銳龍之前的弱項(xiàng)網(wǎng)游，吃雞、LOL、CSGO這些提升了多達(dá)35-39％，再加上頻率提升等，最終大家就看到了銳龍5000在網(wǎng)游里邊翻天覆地的變化。

事實(shí)上，提升幅度超過(guò)19％平均水平的，基本都是游戲，也正因?yàn)槿绱耍J龍5000才在游戲性能上奪走了Intel的最后一處陣地，有資格說(shuō)自己是最好的游戲處理器。

提升幅度相對(duì)較小的是一些基準(zhǔn)性質(zhì)項(xiàng)目和一些難以深度優(yōu)化的游戲，尤其是單線程性能，比如POV-Ray 9％、CPU-Z 12％、CineBench R20 13％，CineBench R15 18％，但即便如此大家也看到了非常明顯的實(shí)際性能提升，這可比某幾代酷睿每次最多5％左右的變化良心太多了。

如果你覺(jué)得前邊講的架構(gòu)不過(guò)癮，想了解更深入，接下來(lái)我們就拆解成不同模塊，單獨(dú)來(lái)看一看它們的變化。

前端部分，Zen3打造了一個(gè)更快的分支預(yù)測(cè)器，可以在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理更多指令，同時(shí)在操作緩存、指令緩存之間切換更加快速，應(yīng)付不同工作負(fù)載更加靈活高效。

當(dāng)然，分支預(yù)測(cè)不可能百分之百準(zhǔn)確，都是有概率的，有時(shí)候會(huì)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，這時(shí)候的關(guān)鍵就是能不能快速恢復(fù)，Zen3就大大降低了這時(shí)候的延遲，可以快速回到正軌，分支預(yù)測(cè)的精度也得到提升。

拾取與解碼部分，這里可以看到分支預(yù)測(cè)器的更多細(xì)節(jié)，尤其是精度提升是怎么來(lái)的，比如分支目標(biāo)緩沖重新設(shè)計(jì)、L1 B2B容量翻倍、L2 B2B重新組織、間接目標(biāo)陣列（ITA）增大、流水線縮短、錯(cuò)誤預(yù)測(cè)延遲降低等等。

同時(shí)，32KB 8路關(guān)聯(lián)的一級(jí)指令緩存進(jìn)行了優(yōu)化，從而改進(jìn)預(yù)取能力和利用率。

操作緩存也更加精煉，隊(duì)列拾取效率更高，操作緩存與指令緩存流水線的切換也更加自如。

執(zhí)行引擎方面，增加了浮點(diǎn)和整數(shù)分發(fā)寬度，降低了FMAC延遲，還增大了執(zhí)行窗口。

整數(shù)執(zhí)行方面，整數(shù)調(diào)度器節(jié)點(diǎn)從92個(gè)增至96個(gè)（4×24分布），用來(lái)重命名邏輯寄存器以提升亂序執(zhí)行效率的物理寄存器文件也從180個(gè)增至192個(gè)。

每時(shí)鐘周期的分發(fā)也從7個(gè)增至10個(gè)，包括4個(gè)ALU（算術(shù)邏輯單元）、3個(gè)AGU（地址生成單元）、1個(gè)分支單元、2個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)單元。

此外，記錄器緩沖（ROB）所保存的x86指令也從224個(gè)增至256個(gè)。

Zen3里的整數(shù)單元沒(méi)變還是4個(gè)，但共享了ALU、AGU調(diào)度器，應(yīng)對(duì)不同負(fù)載時(shí)更加均衡。

浮點(diǎn)執(zhí)行方面，浮點(diǎn)單元增至6條流水線意味著可以一次性分派6個(gè)微操指令，同時(shí)以前兼顧負(fù)責(zé)存儲(chǔ)與浮點(diǎn)寄存器文件的MUL乘法、ADD加法整數(shù)單元現(xiàn)在改為獨(dú)立流水線，需要的時(shí)候可以更好地處理真正的MUL、ADD指令。

另外還有更快的4周期FMAC、分離的F2I與存儲(chǔ)單元、更大的調(diào)度器。

載入/存儲(chǔ)方面，存儲(chǔ)隊(duì)列節(jié)點(diǎn)從48個(gè)增至64個(gè)，同時(shí)增大了與32KB一級(jí)指令緩存之間的帶寬，每時(shí)鐘周期可以執(zhí)行3個(gè)載入，或者2個(gè)浮點(diǎn)與1個(gè)存儲(chǔ)，另外還改進(jìn)了預(yù)取算法，以更好地利用容量翻番的三級(jí)緩存。

接下來(lái)我們回到“高級(jí)”層面，看看Zen3在核心與緩存方面的設(shè)計(jì)。

這張CDD核心與緩存布局圖大家很熟悉了。Zen2、Zen3的每個(gè)CCD都是8個(gè)物理核心、32MB三級(jí)緩存，但前者是隔離的兩部分，每4個(gè)核心共享一半的16MB三級(jí)緩存，而后者是完整的一部分，所有8個(gè)核心共享所有32MB三級(jí)緩存，等于每個(gè)核心可獲取的三級(jí)緩存容量直接翻了一番。

Zen2上邊，如果某個(gè)核心需要的指令、數(shù)據(jù)在非直接共享的另一半三級(jí)緩存里，那么就要繞一個(gè)圈，延遲自然大大增加，現(xiàn)在可以直接一步到位了，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)核心需要的數(shù)據(jù)在第八個(gè)核心里的時(shí)候，也可以直接在CCX內(nèi)部快速獲取到。

再看緩存細(xì)節(jié)。一二三級(jí)容量都沒(méi)變，但效率高得多，比如32KB一級(jí)指令緩存支持32bit拾取，32KB一級(jí)數(shù)據(jù)緩存支持最多3個(gè)載入、2個(gè)存儲(chǔ)，512KB二級(jí)緩存速度也更快了。

三級(jí)緩存容量增大、訪問(wèn)統(tǒng)一后，可以完全保存二級(jí)緩存里被丟棄出來(lái)的犧牲品緩存（victim cache），相當(dāng)于一個(gè)備份，因?yàn)樗鼈儽辉俅卧L問(wèn)的概率很高，這樣無(wú)論哪個(gè)核心再次需要，都可以直接從緩存從交換獲取。

另外，每個(gè)核心從二級(jí)緩存到三級(jí)緩存允許64個(gè)命中失敗，從三級(jí)緩存到內(nèi)存則允許192個(gè)命中失敗。

銳龍5000系列讓然延續(xù)chiplet小芯片設(shè)計(jì)，一個(gè)或兩個(gè)CCD Die搭配一個(gè)IOD（負(fù)責(zé)內(nèi)存控制器和輸入輸出），但是由于每個(gè)CCD里只有統(tǒng)一的一個(gè)CCX而不再是獨(dú)立的兩個(gè)，CCD與IOD、內(nèi)存之間的連接通信也更加一致、高效。

兩個(gè)CCD搭配一個(gè)IOD的時(shí)候，帶寬是相同的，也是同樣的一致性系統(tǒng)。

這時(shí)候也再次體現(xiàn)了chiplet小芯片設(shè)計(jì)的好處，可以輕松做到16核心，可以不換布局和平臺(tái)就升級(jí)到Zen3架構(gòu)，一切都在封裝內(nèi)部進(jìn)行。

安全方面，Zen3重點(diǎn)增加了控制流強(qiáng)制技術(shù)（CET），Intel此前已支持。它引入了影子堆棧（shadow stack），只包含返回地址并且存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中，同時(shí)受到處理器內(nèi)存管理模塊的保護(hù)，如果有惡意代碼利用漏洞村改堆棧，在造成傷害之前就能被發(fā)現(xiàn)并阻止。

指令集方面，Zen3增加了MPK，也就是內(nèi)存保護(hù)密鑰，可以由軟件更高效地改變數(shù)據(jù)讀寫(xiě)權(quán)限，另外VAES、VPCLMULQD指令增加支持AVX2。

最后說(shuō)說(shuō)能效，按照官方說(shuō)法Zen3架構(gòu)的銳龍9 5950X、銳龍9 5900X相比于i9-10900K分別達(dá)到了2.8倍、2.4倍，而對(duì)比Zen2架構(gòu)的銳龍9 3950X、銳龍9 3900XT也分別提高了12％、26％，從而做到了性能更好，但功耗不增加。

總之，Zen3順利實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，包括IPC大幅提升（平均19％）、延遲大幅降低（統(tǒng)一8核心與32MB三級(jí)緩存）、內(nèi)存訪問(wèn)大幅加速（三級(jí)緩存直接訪問(wèn)翻倍）、頻率大幅提高（最高加速4.9GHz）、能效大幅改進(jìn)（最高2.8倍）、游戲幀率大幅增長(zhǎng)（1080p下平均約26％）。

AMD Zen的下一站將是Zen 4，會(huì)同時(shí)搭配更先進(jìn)的5nm工藝，目前正在設(shè)計(jì)中，一切按計(jì)劃推進(jìn)，看時(shí)間表應(yīng)該會(huì)在2022年上半年推出。
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