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迈入7nm Zen 2时代!2019 AMD处理器技术与产品展望

发布时间:2019-04-30 22:10 来源:未知 编辑:admin

  原标题:迈入7nm Zen 2时代!2019 AMD处理器技术与产品展望

  AMD在2017年获得了辉煌的成功,依靠全新的Zen架构,AMD重新获得了高性能CPU市场的青睐。全新的Ryzen锐龙系列处理器无论是销量还是市场反响都令人满意,人们都在惊叹那个勇于以小博大、依靠技术和创新引领发展的AMD又回来了。2019年,AMD将继续在技术和创新的道路上前进,在这一年,AMD又会带来哪些全新的技术呢?

  回顾AMD的发展史,可以看出AMD在发展中的波峰和波谷往往和工艺技术的使用情况高度吻合。和英特尔这种资本雄厚的厂商有所不同,AMD本身在技术支出上的资金远不如对方雄厚,恰好晶圆厂和半导体制造又是一个重资本的行业,因此在半导体产品至关重要的工艺技术方面,AMD在很长一段时间内都落后竞争对手半代甚至更多。

  好在AMD出售了旗下晶圆厂后转型为无晶圆厂半导体企业,再加上扫清了一些商务和法律阻碍,从2019年开始,AMD终于可以自由选择业内最先进的代工厂为自己生产处理器产品,从而摆脱工艺的桎梏,彻底“自由飞翔”。

  这里所提到的商务和法律的阻碍,就是指AMD在拆分自己旗下的晶圆厂,并随后成立格罗方德的时候签署的相关绑定协议。当时AMD和格罗方德在相关协议中加入了AMD的桌面处理器产品必须在格罗方德或相关晶圆厂制造的条款,并制定了一些违反协议的惩罚性内容。实际上格罗方德在28nm之后就无力自行研发更先进的工艺,其14nm(12nm)制程使用了三星的技术授权,随后更是宣布放弃了7nm以及以下技术的研发,全力投入22nm FDX等特种工艺的开发。

  在这种情况下,AMD要在CPU市场上进一步发展,显然是不可能继续和格罗方德绑定在一起了。因此AMD在2019年1月30日宣布和格罗方德经过一系列谈判后,就双方的合作协议进行了第七版修正。其主要内容包括AMD在使用7nm和以后工艺节点的时候,有充分的自由选择权利,格罗方德将继续以比较优惠的价格向AMD提供12nm以及之前的工艺等。在这些问题解决后,AMD在2019年的新处理器工艺上将全面切换到目前业内代工能力最强的TSMC也就是台积电。

  台积电目前在代工领域能够提供给AMD的最先进工艺是7nm,未来AMD桌面CPU、APU都会交由台积电以7nm甚至更先进的工艺制造。从一些工艺参数上来看,台积电的7nm工艺全称是7nm HK-MG FinFET,针对不同的用途分为两种。一种为移动设备设计,被称为7FF,以低功耗和较高性能功耗比为特点;另一种为高性能处理器设计,名为7HPC。

  台积电宣称自家的7nm工艺相比10nm FinFET工艺将带来1.6倍的逻辑密度提升或者20%的频率提升,或者40%的功率降低。其他的一些关键参数包括典型驱动电压可降低至0.7V,CPP的尺寸为54nm、MMP的尺寸为40nm。

  和英特尔的10nm工艺相比,台积电的7nm工艺和英特尔10nm工艺基本处在一个水平上,英特尔10nm工艺的CPP和MMP两个关键参数分别为54nm和44nm,这和台积电7nm工艺基本相当。

  在实际应用中,考虑到不同类型的部件和不同的性能,或者功率控制因素,这些参数还有可能发生变化,但并不会带来代差。因此在多年之后,AMD终于和英特尔再度在工艺上站在了基本相同的水平线架构爆发

  在工艺革新之后,AMD在今年将推出基于Zen 2架构的全新处理器,其中面向数据中心的产品代号为Roma,面向桌面的版本代号为Matisse。先来看看Zen 2架构的相关改进。AMD目前对Zen 2架构给出的信息不多,就现有资料来看,Zen 2架构在多个方面都做出了增强,其中最核心的两个部分一是核心架构升级,二是计算和I/O单元的分离。

  AMD在Zen架构设计时就非常注重提升处理器的单核心IPC性能,Zen架构相比前代产品单核心IPC提升了超过50%之多,堪称一次史诗级别地飞跃。也正是这次改进,使得AMD在高性能处理器上赶上了英特尔的步伐。在Zen 2上,AMD将进一步提升处理器的单核心IPC。

  早期的一些报告显示Zen 2在理论性能方面相比Zen+提升大约13%,较初代Zen提升更多,大约在16%左右。近期的AMD官方新闻指出,通过对比DKERN+RSA的测试数据(AMD内部测试,考察处理器整数和浮点性能),得出了Zen架构成绩为3.5,Zen 2架构为4.53,提升29.4%,接近3成的性能提升,由于AMD给出的是IPC数据,因此这个数据和频率是无关的。考虑到7nm工艺带来的频率红利,Zen 2的最终IPC提升幅度可能会更高。

  需要指出的是,这里的IPC性能提升并不是最终综合性能提升的幅度。考虑到目前应用的复杂性和不同程序之间的偏向性,再加上AMD没有给出DKERN+RSA中浮点和整数性能的占比,因此Zen 2的实际表现还需要更多的测试才能明确。但无论怎么说,Zen 2的性能提升是令人非常惊讶的。AMD也给出了一些有关架构改进方面的信息。Zen 2在架构上的改进主要有四个方面—包括7nm工艺的采用、CPU执行流水线的改进、安全性能的提升、模块化和更灵活的设计方案。

  具体来看,Zen 2主要的改进在于大幅度提高的吞吐量。其相比Zen架构翻倍,主要体现在执行流水线加强,双倍的浮点单元和载入单元,核心密度翻倍、每操作功耗减半等。前端设计方面,AMD加强了分支预测能力、指令拾取能力,重新优化了指令缓存,采用了更大的操作缓存等设计。

  浮点性能方面,Zen 2的改善主要是采用了2个256bit的浮点单元,更宽且更快,浮点读取和存储带宽翻倍,增加了分发和回退单元的带宽,大幅度提高了吞吐量等。缓存方面,由于宏观架构大改,AMD还加入了一些新的指令集用于提升缓存性能,包括CLWB缓存行写回、RDPID处理器ID读取、WBNOINVD写回功能和不可使用的无效缓存标记等。

  除了在架构设计上的进步外,Zen 2在整个处理器的宏观布局上也提出了全新的模式。相比Zen架构的每个处理器核心自带相关输入输出接口和I/O模块不同的是,Zen 2架构彻底将处理器的计算核心部分和I/O部分剥离。计算核心通过Infinity Fabric总线和I/O模块部分连接,本身不再提供额外的I/O接口。

  换句话来说,AMD在Zen 2上的处理器模块是无法单独工作的,需要搭配专用的I/O芯片才能正常使用,这和Zen架构存在很大的差异。另外,Zen 2的计算核心采用的是7nm工艺,有助于缩小面积、提高频率、降低功耗。而I/O部分由于模拟电路更多,即使采用7nm工艺也不会带来面积、功耗等方面的明显改善,因此采用了14nm工艺制造,并交由格罗方德完成。这样一来,AMD在一颗处理器上实现了两种不同工艺,并交由两家厂商完成,这在CPU发展史上还颇为少见。

  采用分离式设计的优势在于可以灵活配比不同数量的计算核心和I/O模块,以实现不同的规格。目前Zen 2的单个计算核心单元的规格是8核心、16线程,一个I/O模块最多可以搭配8个计算核心(拥有8个IF总线接口),这样就能够实现最多64核心、128线程的规格。目前单路CPU核心最多的记录也只有32个,要使用更多核心的话就需要采用多路处理器,这将带来成本、功耗的增加以及性能的损失。所以AMD Zen 2创新的计算核心和I/O分离的设计,带来了极高的灵活度,能够更为自由地实现不同的规格和配比,并应对不同市场的需求。

  相比之下,英特尔目前最多只提供28核心处理器,采用的是比较传统的处理器和I/O模块集成在一起的大核心模式。因此无论是制造成本、灵活度还是物理上的散热、电器性能方面都远不如AMD多个小核心和分离式设计的方案。同时大核心模式在核心数量扩展上还存在一些问题,难以进一步扩大CPU核心数量,这也成为英特尔未来的隐忧。

  当然,AMD的创新分离式架构设计也不全是优点。相比传统的大核心模式,分离式设计在处理器内部延迟、带宽方面存在天然的劣势,这就需要AMD通过各种优化和掩蔽手段来降低分离式设计的负面影响,这一点在初代EPYC处理器上已经有所体现了。在初代EPYC处理器采用的Zen架构上,由于内存控制器分布不平衡和处理器之间数据传输存在延迟等问题,有部分核心的延迟较大,在一些延迟敏感型计算中性能表现不佳,甚至出现了关闭部分高延迟核心后性能不降反升的情况。

  因此,Zen 2的架构设计在核心平衡、数据延迟的统一方面做出了改进,借助中央的I/O模块,所有的处理器都处于对等的状态,所有核心都可以在同一时间加入计算,这对多线程优化来说是一个好消息。此外,AMD还公布了一些远景消息,比如采用7nm+工艺的Zen 3架构正在设计中,Zen 4也将在未来到来,不过时间上就比较遥远了。

  AMD在2017年发布的EPYC也就是霄龙处理器,带来了AMD在数据中心、服务器、超算中心等业务的爆发性增长。出现这种情况的主要原因是EPYC处理器提供了比竞争对手更强大的性能、更丰富的选择和更合适的价格。众所周知,面向商业和生产力的产品利润是最为肥厚的,AMD也借此带来了亮眼的财报。

  为了进一步扩大自己在数据中心等业务上的强势地位,AMD在2019年将推出基于Zen 2架构的多款处理器产品,包括代号为Roma的新服务器芯片以及代号为Matisse的消费级桌面产品,产品型号应该是Ryzen 3000系列。

  Roma EPYC处理器同样采用7nm工艺,核心数量进一步提升。AMD宣称Roma EPYC处理器规格将提升至64核心、128线程。规格上的突破带来了性能的进一步增强,Roma EPYC的每插槽性能直接翻倍,每插槽的浮点性能最高提升4倍。在具体的性能对比中,AMD利用1颗Roma EPYC处理器对比了英特尔的两颗Xeon 8180。在NAMD模拟方面,一颗Roma EPYC的性能达到了9.86ns/天,而两颗Xeon 8180只能达到8.31ns/天,性能上略有超出,一颗比两颗还强。

  英特尔Xeon 8180处理器是目前英特尔所能给出的最强服务器处理器产品,它的核心数量只有28颗,最大睿频频率3.8GHz,L3缓存为38.5MB,发布时间为17年第三季度。虽然英特尔在2018年又发布了一些更高频率的处理器,但是并没有进行大规模销售,由于制程依旧停留在14nm时代且架构设计缺乏灵活性,因此英特尔在处理器频率、核心数量上所能对应的办法不多,这就为AMD在数据中心业务上留下了很大的空间。

  Roma EPYC处理器的工艺更为先进,并且灵活的核心和IO单元分离设计能够针对不同的市场提供多款核心、频率搭配的产品,这是英特尔所不能企及的。不过英特尔也正在严防死守,甚至宣称不会让AMD在数据中心的市场占有率突破20%。俗话说人不识货、钱识货,市场怎么选择可能还需要进一步观察。

  由于Zen 2架构的优势非常显著,在Roma EPYC处理器尚未正式发布时,就已经有多家超算中心计划选购。已经公布的信息显示,德国斯图加特高性能计算中心宣布新一代超算HAWK将采用一万颗AMD Roma EPYC处理器,实现64万核心128万线程的规格,处理器基准频率2.35GHz,峰值性能为24.06PFlops。

  除了面向数据中心的EYPC外,面向普通玩家、代号为Matisse的第三代Ryzen锐龙处理器也逐渐曝光了更多消息。AMD在CES上展示的信息显示,Matisse处理器拥有8核心16线程,频率未知但有消息称大约为4.5GHz。

  另外,AMD还曝光了Matisse Ryzen的核心图片。从图中可以看出,目前的8核心产品只采用了一个计算核心搭配I/O模块,下方留下了大量的空白空间,留出的空间足以放下另一个计算核心。在随后对AMD CEO的采访中,当记者问起是否有16核心的新锐龙处理器时,对方则语焉不详,只是说AMD的产品在核心数量上具有优势,因此展示中只显示了8核心16线程,但是PCB板上空间还挺多的。另外,AMD CEO也提及了内存通道数量,目前使用的是双通道内存,但未来可能开启更多的内存通道以实现更大的带宽。

  总的来看,采用Zen 2架构、代号Matisse的新Ryzen锐龙处理器是值得期待的,不光是它目前的性能和功耗表现令人惊讶,还有其核心和I/O的分离式设计带来了丰富的想象空间。很有可能在未来不仅仅只有16核心的新Ryzen锐龙处理器,空出来的部分也可以放下一个GPU核心,考虑到AMD已经发布的7nm GPU和更多的研发计划,这一点也是非常有可能的。

  除了处理器外,另一个消息是来自AMD的新一代主板芯片组。AMD计划为新锐龙处理器推出新的芯片组,目前型号暂定X570,此外还有定位于主流市场的系列。一些消息显示,由于PCIe 4.0等问题,AMD决定自行设计X570芯片组,而不是像之前那样交给祥硕也就是ASMedia进行设计制造。除了X570外,面向主流市场的版本则依旧由祥硕负责,但是可能南桥无法提供PCIe 4.0的相关支持。

  有关PCIe 4.0,AMD计划在新的Ryzen处理器和芯片组上全面普及带宽更大的PCIe 4.0总线,相比现有的PCIe 3.0,新的PCIe 4.0带宽翻倍到16GT/s,PCIe 4.0 x16的双向带宽可达64GB/s,完全可以满足未来高端显卡和设备的数据传输需求。另外,AMD也宣称新的Ryzen锐龙处理器将继续使用目前的AM4接口,完全可以在现有平台上使用,但是否支持新的PCIe 4.0尚不得而知。

  通过AMD在近期披露的大量信息来看,2019年将是AMD非常关键的一个时间节点。在Zen架构和Ryzen锐龙处理器获得成功后,AMD是否能更进一步,是否能顺利地推出7nm新品和Zen 2架构,在性能上持平甚至超出英特尔就在此一举了。

  考虑到英特尔目前深陷工艺泥潭,10nm的桌面处理器时间推迟到了2019年底,因此计划在2019年中发布新Ryzen锐龙处理器的AMD获得了长达半年的窗口期。如果AMD能够在这段时间内通过强势的产品进一步展现其技术实力,那么AMD将在未来的发展中赢得更多的筹码,获得更多的市场份额。

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