超越 i9-10900K!AMD Ryzen 5000系列处理器Zen 3架构分析

2020-11-13 12:51:56 来源:EETOP整理自techbang 作者:李文恩

在过去很长的一段时间中,AMD一直无法在桌面处理器的单核心性能领先Intel,只能靠着在单一处理器封装塞入更多核心,以及设定较低的价格,与对手在市场相互拼搏,然而AMD却透过Ryzen 5000系列处理器反转此一情况,就让我们一起来看看Zen 3架构的改变之处。

重新设计整体架构

AMD在2017年的时候就曾宣示,他们将提供世界上最好的桌面处理器(We wanted to deliver the best desktop processors in the world andchange the industry along the way.),如今他们透过Zen 3架构的Ryzen 5000系列处理器达成这一目标,我们通过性能实测,看到Ryzen 9 5900X的性能确实能超越其主要竞争对手Intel Core i9-10900K。

AMD先前推出的Zen与Zen 2架构后,Zen 3的是款完全重新设计(Ground-up Redesign)的处理器架构,包含强化前端、执行引擎、存取、SoC架构等部分都经过改善,并带来了显著的性能与功能提升。

强化前端的目标为增加大量分枝的大型程序预取(Fetching)性能,尤其在大量分枝的大型程序,将L1分枝预测的缓冲区加倍至1024个,并增加分枝预测器的通道宽度,增加预测错误的回复速度,提升循序预取性能,并让切换cache流水线的粒度更细。

在执行引擎部分,新架构的设计目标为缩短延迟并加大架构以提高指令等级平行化(ILP,Instruction-Level Parallelism)的能力,在整数数据取用器、整数窗口、浮点数通道宽度、浮点数乘积累加运算等部分也都进行最佳化与性能提升。

存取方面的改良目标为扩大架构并强化预取能力,以满足执行引擎所需的更大量数据吞吐量,数据读取与写入的时钟频率较Zen 2皆有所提升。

▲ Zen架构的旅程始于2017年,到现在已经进入Zen3世代。

▲ Zen3改进的重点为提升IPC/单核心性能、降低延迟、提升功耗效率。

▲预取与解码区块的架构也有所更新,以降低分支预测的延迟。

▲ Zen 3透过多项功能改善,达到IPC平均提升19%的成就。

▲这19%来自Cache预取、执行引擎、分枝预测、微指令Cache、前端、存取等各项性能改进的贡献。

打破CCX屏障

Zen 3的另一项重大改进,就是改进了SoC架构,目标同样以降低延迟为主,同时缩短处理器核心对核心、核心对Cache、主存储器等数据存取的延迟,并将L3Cache丛集增大1倍。

在Zen 2架构的设计中,单一处理器封装最多可以容纳2组CCD(Compute Die,运算裸片)与1组IOD(Input/Output Die,输出入裸片),每组CCD最多可以容纳2组CCX(Core Complexes,核心复合体),而每组CCX最多可以容纳4个处理器核心。举例来说,可以透过2组具有4个处理器核心的CCX,组成1组CCD,达成8核心处理器配置。

而Zen 3则将CCX可以容纳的核心数提升至8个,每组CCD则只能容纳1组CCX。因此8核心处理器会有1组具有8个处理器核心的CCX,组成1组CCD。

这样最大的好处是可以把原本每组丛集只能容纳4个核心的架构,改变为可以容纳8个核心,且把原本的2组16MB L3 Cache存储器,合并为1组32MB的组态。

如此一来可以缩短处理器核心之间通讯的延迟,例如在Zen 2架构中如果位于不同CCX的处理器核心的需要沟通,则某核心需透过Infinity Fabric将数据传至IOD,再由IOD交至另一核心,将会因为传输延迟而影响性能,若处理器核心位于同一CCX则无此问题。

另一方面,统一的32MB L3 Cache存储器也比拆分为2组16MB更具效率,且能容纳更大笔的数据,有助于提升游戏性能表现。

在制程方面,Zen 3的CCD采用与Zen 2一样的台积电7nm节点制程,并继承在Ryzen 3000XT系列处理器所纳入的设计改良,因此能再次推升最高时脉。IOD则完全延用先前12nm制程与设计,并让处理器相容于先前推出的500、400系列芯片片组。

▲Zen 3大改了CCX的组态,将原本只能容纳4个处理器核心的限制提升至8个,也让2组16MB L3 Cache存储器合并为统一32MB区块。

▲这样的改变也让8个处理器核心能共享同一块L3 Cache存储器,有助于提升多工性能表现。

▲以8核心的Ryzen 5000系列处理器为例,处理器封装中包含CCD(其中有1组CCX)与IOD各1组。

▲ 16核心部分则有2组CCD与1组IOD。

▲首波推出的4款Ryzen 5000系列处理器价格从美金299元至799元不等,其中只有Ryzen5 5600X附上Wraith Stealth散热器。

整体而言,Ryzen 5000系列处理器的「历史定位」在于单核心性能超级Intel旗舰产品,且依然维持核心较多的优势,因此无论在单核心或多核心程序表现都能追上或超越Intel(也需考虑软件、编译器、指令集等最佳化因素造成的性能影响),在游戏、电竞、美术设计、影片编辑、电脑辅助制造(CAM)、电脑辅助设计(CAD)等应用上都能带来性能优势。

比较可惜的是,Ryzen 5000系列处理器较同级的Ryzen 3000XT贵了50美元(如Ryzen 5 5600X与Ryzen 5 3600XT相比),这样的定价策略当然可以解释为新款处理器带来更大的性能提升,但仍与消费者的期望相左。

有趣的是,在AMD发表Ryzen5000系列处理器的消息后,Intel也不甘示弱,以RocketLake-S处理器反击,并不小心把牙膏挤太大力,对于消费者而言,这样一来一往的竞争往往能让产品的性能、价格更加亲民,或许双方未来都会陆续更贴近市场需求以得到消费者的青睐。

  1. EETOP 官方微信

  2. 创芯大讲堂 在线教育

  3. 创芯老字号 半导体快讯

相关文章

全部评论

  • 最新资讯
  • 最热资讯
X