AMD 7nm Zen2架構(gòu)詳解：從優(yōu)秀到卓越

不知不覺中AMD的銳龍?zhí)幚砥魃鲜?年半了，2017年橫空出世的Zen架構(gòu)也發(fā)展了兩代了，如今上市的是第三代銳龍——銳龍Ryzen 3000系列了，回頭再看的時候發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的主力銳龍Ryzen 7 2700X開始陸續(xù)下架了，正如很多人不記得銳龍7 1800X處理器下架一樣。

管理學(xué)中有個著名的說法——從優(yōu)秀到卓越，這句話用來形容現(xiàn)在的AMD再合適不過了。

基于7nm工藝打造的第三代銳龍，相信很多人都很感興趣它頻率、核心、性能都大幅提升的背后，是有哪些架構(gòu)的革新與調(diào)整，今天就拿著AMD官方的PPT，給大家深入淺出地講一講吧——

本文內(nèi)容較長、而且涉及的專業(yè)名詞、術(shù)語比較多，閱讀也有一定的門檻，但我已經(jīng)盡可能從簡地解釋了，對于喜歡DIY、感興趣半導(dǎo)體技術(shù)的粉絲們，不妨找個安靜的地方，好好地看一看，應(yīng)該多少都能有點(diǎn)收獲的。

在過去的幾年中，AMD一直在研發(fā)更高性能更高能效的Zen架構(gòu)，所以才有2017年銳龍?zhí)幚砥鲉柺罆rAMD震驚世人的52% IPC性能提升，這種架構(gòu)級別的提升比起大家調(diào)侃的Intel式擠牙膏升級實(shí)在太猛了，從性能到能效都是質(zhì)的變化。

從這點(diǎn)上來說，兩年前的第一代銳龍1000系列可以說一鳴驚人，讓落后多年的AMD拿到了高性能CPU市場的新門票，從此這個市場不再是Intel的獨(dú)角戲，DIY玩家期待的雙雄爭霸局面回來了，CPU市場格局變了，Intel在這兩年中接連從4核升級到6核再到8核，不再擠牙膏升級了，這點(diǎn)上確實(shí)是AMD的功勞。

不過現(xiàn)在的兩代銳龍?zhí)幚砥鬟€是有一點(diǎn)嚴(yán)重不足的——單核性能不足，導(dǎo)致AMD一些游戲及專業(yè)應(yīng)用的性能不如Intel。

從一代銳龍到二代銳龍，AMD將CPU架構(gòu)從14nm Zen改進(jìn)到了12nm Zen+，但這依然是小修小補(bǔ)，縮短了與Intel的單核差距，但沒有質(zhì)變，在那樣的工藝及架構(gòu)下已經(jīng)挖掘不出更高頻率的潛力了。

管理學(xué)中有個著名的說法——從優(yōu)秀到卓越，這句話用來形容現(xiàn)在的AMD再合適不過了，14/12nm公司的銳龍?zhí)幚砥魇莾?yōu)秀的處理器，但還有一些槽點(diǎn)沒能解決，而現(xiàn)在的7nmm Zen 2架構(gòu)目標(biāo)是卓越，AMD從追趕者變成領(lǐng)導(dǎo)者的任務(wù)就要靠它了。

此前AMD在CPU路線圖中對Zen 2架構(gòu)的概述就是多維度增強(qiáng)Zen架構(gòu)，從官方定性來看我們可以把Zen 2當(dāng)作深度改進(jìn)版的Zen——基本的CPU結(jié)構(gòu)變化不大，但工藝、封裝、單核及多核上全面改進(jìn)。

AMD官方對Zen 2架構(gòu)的優(yōu)勢主要集中在三方面——性能、工藝及并行，我們的介紹也主要圍繞這三部分進(jìn)行。

第三代銳龍用上7nm工藝：AMD CPU史上首次全面領(lǐng)先Intel

對CPU這種極其先進(jìn)的邏輯芯片來說，任何重要的進(jìn)步都離不開制程工藝的升級，14/12nm銳龍上的一些缺點(diǎn)，比如CPU單核頻率還不夠高等，AMD也不是不清楚，但他們也沒辦法了，GF的14/12nm工藝決定了上限了，不是想提頻就提頻的。

好在現(xiàn)在AMD上了7nm，而且代工廠從GF換到了臺積電，說起來這件事也有很多波折，去年8月初GF黯然宣布無限期停止7nm及以下工藝的研發(fā)、生產(chǎn)，原本是準(zhǔn)備GF、臺積電兩條腿走路的AMD無奈之下決定將CPU及GPU的7nm訂單全部交給臺積電。

對AMD來說，從原來的兩家代工廠變成一家代工廠，實(shí)際上風(fēng)險更大了，而且臺積電之前沒有過制造高性能X86處理器的經(jīng)驗(yàn)，不過最終來看臺積電財大氣粗，在工藝成熟度上比GF要好得多，AMD的7nm CPU及GPU最終還是順利量產(chǎn)了。

此外，AMD的銳龍3000系列處理器使用的7nm工藝跟臺積電為華為、蘋果代工移動處理器的工藝也不同，是7nm HPC工藝，專為高性能IP核心優(yōu)化的，只不過AMD及TSMC對7nm HPC工藝的公開介紹并不多。

從AMD公開的數(shù)據(jù)來看，7nm工藝帶來了明顯的計算效率，包括2倍的晶體管密度、功耗降低50%（同性能下），性能提升了25%（同功耗下）。

考慮到AMD這是跟14nm工藝對比的，密度、功耗的變化還不錯，但25%的性能提升并不讓人滿意，這也可以看出摩爾定律到了10nm節(jié)點(diǎn)之后芯片性能的提升不那么容易了

只要提起處理器工藝，Intel也是無論如何繞不過去的。公平地說，Intel的10nm工藝技術(shù)上并不落伍，晶體管密度等方面相比臺積電的7nm工藝甚至還有些優(yōu)勢。在這個問題上，即便是AMD自己都是很清醒的，他們也只是表態(tài)7nm工藝追上了與友商的差距。

當(dāng)然，綜合來看，AMD在7nm節(jié)點(diǎn)上還是領(lǐng)先的，即便技術(shù)上與Intel的10nm不相上下，但是時間進(jìn)度上AMD贏了，Intel的10nm處理器首發(fā)于移動版十代酷睿處理器Ice Lake上，高性能的桌面版、服務(wù)器版要等到明年，而AMD現(xiàn)在就開始出貨7nm工藝的高性能桌面版處理器了，64核的EYPC羅馬處理器也會下半年出貨。

正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，此前有華爾街分析師稱贊AMD在7nm 銳龍3000處理器上打了一個翻身仗，這是十多年來AMD首次在工藝及性能上首次全面超越Intel，絕對是歷史性時刻。

第三代銳龍的Chiplets設(shè)計：CPU/IO核心分離 解決延遲成關(guān)鍵

盡管AMD成功地在銳龍3000處理器上使用了7nm工藝，但是說它是7nm芯片也有點(diǎn)不準(zhǔn)確，實(shí)際上銳龍3000是7nm混合12nm工藝，這跟它的模塊化設(shè)計有關(guān)。

在7nm節(jié)點(diǎn)，設(shè)計一款芯片的費(fèi)用高達(dá)3億美元，對AMD來說成本也是非常高的，這就需要廠商采用更好的方式來確保芯片的良率，芯片越大良率就越低，芯片越小良率就有可能越高。

在Zen 2架構(gòu)處理器上，AMD就使用了Chiplets小芯片的設(shè)計思路，通過模塊化來組合不同核心的處理器。Chiplets設(shè)計不同于以往的膠水封裝，本質(zhì)上是把不同工藝、不同架構(gòu)的芯片電路按需搭配，比單純的膠水封裝要高明，也要復(fù)雜。

在去年推出的第一款Zen 2架構(gòu)的處理器——EPYC羅馬上，AMD就率先應(yīng)用了這種設(shè)計方式，8組CPU核心、1組IO核心堆出了64核處理器。在銳龍3000上，桌面版不需要這么多核心，使用的2組CPU核心層、1組IO核心，最多16核32線程。

具體來說，就是圖中上面2組CPU核心是7nm工藝制造，因?yàn)镃PU核心對性能要求高，對功耗也敏感，提升工藝對CPU核心來說大有裨益，好鋼要用在刀刃上。

下面的IO核心整合了內(nèi)存控制器、PCIe控制器等IO單元，這部分電路對性能、功耗要求沒那么高，而且IO單元并不容易隨著工藝微縮，所以使用的是相對低端的工藝——之前說是14nm，不過銳龍3000上的IO核心是改良版的12nm工藝。

AMD在Zen2上采用這樣的設(shè)計無疑是很聰明的做法，配置也非常靈活，提升CPU核心數(shù)量就堆CPU模塊即可，所以銳龍?zhí)幚砥骺梢詮闹暗?核16線程輕松變成16核32線程。此外，AMD這樣做也需要生產(chǎn)小核心，提高了良率，降低了成本，而且IO核心使用的還是更成熟的12nm工藝，進(jìn)一步削減了成本。

當(dāng)然，有得必有失，Chiplets設(shè)計的好處多多，但缺點(diǎn)也明顯，那就是如何處理好核間的連接，特別是內(nèi)存主控分離出來之后，內(nèi)存的延遲理論上要增加，肯定是不如原生多核的，AMD怎么解決這個問題的呢？

首先是改進(jìn)Infinity Fabric總線（簡稱IF），IF總線是Zen架構(gòu)上的基礎(chǔ)技術(shù)之一，它連接了Zen架構(gòu)中的CCX模塊，現(xiàn)在也用于鏈接不同的CPU、IO核心模塊。

在銳龍3000處理器上，IF總線進(jìn)化到了第二代，在并行、延遲及能效上全面改進(jìn)，總線位寬從256b升級到了512b以便支持PCIe 4.0，同時將Fclk與Uclk頻率去耦合解鎖以提高內(nèi)存超頻性能，并采取多種方式降低內(nèi)存延遲、提高緩存速度以減少延遲帶來的影響。

除了IF總線的改進(jìn)之外，AMD還發(fā)了一個大招——L3緩存翻倍，每個CCX單元的L3緩存容量從之前的8MB提升到了16MB（7nm工藝的密度優(yōu)勢就是任性），這樣一來對延遲敏感的應(yīng)用就可以更多地以來L3緩存而內(nèi)存，AMD稱此舉使得等效內(nèi)存延遲減少了33ns，游戲性能提升了21%。

此外，AMD憑借IO核心分離還提高了內(nèi)存的頻率，之前的銳龍支持的內(nèi)存頻率不過2933MHz，現(xiàn)在可以輕松達(dá)到4000+，號稱一鍵超頻到4200MHz，高者可達(dá)DDR4-5133Mhz。

對于內(nèi)存頻率，如果追求極限低延遲，頻率高了也不一定好，這也跟IF總線的工作模式有關(guān)，雖然它跟內(nèi)存頻率分離了，但1：1情況下延遲還是最低的，分界點(diǎn)就是DDR4-3733，這時候內(nèi)存延遲是最低的，而AMD官方推薦的是DDR4-3600 CL16模式，對當(dāng)前的內(nèi)存來說這個頻率、時序也很輕松能達(dá)到。

第三代銳龍的Zen2架構(gòu)詳解：一切為了更高的吞吐量

如果大家還記得銳龍7 1800X首發(fā)時的情景，那么對Zen架構(gòu)的SMT多線程、CCX單元、IF總線等創(chuàng)新應(yīng)該還有印象，而銳龍3000的Zen2架構(gòu)也繼承了這些優(yōu)點(diǎn)，只不過Zen2中IO相關(guān)的分離了，CPU核心變得更純粹，總體方向就是提升核心數(shù)以加倍多線程性能，同時最大可能提升單核性能。

在銳龍3000中，CPU與IO核心分離之后可以有多種搭配，比如1組CPU搭配1組IO核心，這樣最多是8核16線程，還有就是2組CPU核心搭配1組IO核心，這樣最多16核32線程，這也是目前銳龍9 12核及16核處理器實(shí)現(xiàn)的根基。

在14nm Zen架構(gòu)中，1個CCX單元的總面積是60mm2，其中CPU核心44mm2，8MB L3緩存是16mm2，算上其他IO、內(nèi)存主控、IF等單元，8核處理器的核心面積是213mm2。

在Zen 2架構(gòu)中，一個chiplets芯片的總面積才74mm2，其中CCX+16MB L3緩存的核心面積才31.3mm2，同比減少了47%，一方面是因?yàn)?nm工藝的密度優(yōu)勢，一方面也跟Zen2的CCX只有CPU核心有關(guān)，減少了IO單元。

這里也可以解釋為了降低延遲AMD為什么敢于大幅加倍L3緩存的原因了，每個CCX翻倍到16MB L3緩存后CCX核心面積依然減少一半左右，何樂而不為呢。

整個Zen2架構(gòu)來說，它繼承了SMT多線程技術(shù)，同時在分支預(yù)測、緩存系統(tǒng)、整數(shù)、浮點(diǎn)等單元上做了改進(jìn)，并加入了新的指令，目的就是進(jìn)一步降低延遲帶來的影響。

在緩存系統(tǒng)上，Zen 2的L3緩存翻倍，L2緩存維持512KB 8-Way不變，L1緩存有所調(diào)整，指令緩存容量64KB減少到了32KB，但關(guān)聯(lián)性從4-Way變成了8-Way，而且Micro-Op緩存翻倍，AMD這樣做顯然是想取得一種性能與節(jié)能、面積之間的平衡。

預(yù)取單元中，AMD提高了分支預(yù)測的精度，加大了BTB（分支目標(biāo)緩沖器）容量，優(yōu)化了32KB L1緩存，最主要的則是加入了TAGE分支預(yù)測器，最終使得分支預(yù)測的誤命中率減少了30%，提升了命中精度以減少能耗、提高性能。

解碼單元中，主要是改進(jìn)了micro-op微操作緩存，容量從2K翻倍到4K，可以支持更多的解碼操作。

浮點(diǎn)單元是Zen 2架構(gòu)中變化比較大的部分，在去年的EPYC羅馬處理器中AMD就表示浮點(diǎn)性能吞吐量翻倍，原因就在于完全支持了AVX2指令，位寬從128bit提升到了256bit，這樣不用再將以往的256bit指令拆分為兩個指令用兩個周期執(zhí)行了，實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)性能翻倍。

整數(shù)執(zhí)行單元中，調(diào)度器從84個增加到了92個，物理寄存器從168個增加到了180個，從每周期6發(fā)射提升到了7發(fā)射，總體來說這方面的改進(jìn)更多地是量變，進(jìn)一步優(yōu)化執(zhí)行單元的效率及執(zhí)行速度。

載入/存儲單元中，同樣是提升隊列的深度，提升TLB緩存容量，提升帶寬，降低延遲，最主要的是帶寬從每周期的16B翻倍到了32B字節(jié)。

緩存一致性上，前面已經(jīng)介紹過了L1、L2、L3緩存的變化了，其中L2緩存不變，L3緩存翻倍，L1指令緩存減半，但關(guān)聯(lián)性翻倍。

Zen2架構(gòu)中還增加了一些新的指令，比如CLWB、WBNOINVD、QOS等，不詳細(xì)解釋了，這些指令主要跟內(nèi)存、緩存有關(guān)，主要目標(biāo)還是提高緩存性能、降低延遲，它們主要是給EPYC處理器準(zhǔn)備的，銳龍3000消費(fèi)級處理器支持這些指令主要還是沾光。

最后值得一提的是處理器的安全性，由于后發(fā)優(yōu)勢，Zen2架構(gòu)在安全性、漏洞防護(hù)等問題上更具優(yōu)勢，Zen架構(gòu)上就已經(jīng)免疫了多個Spectre幽靈、Meltown熔斷等變種漏洞，Zen2架構(gòu)上進(jìn)一步硬件免疫了幽靈漏洞變種，這點(diǎn)對消費(fèi)級處理器來說影響不大，但對企業(yè)級用戶來說很重要。

第三代銳龍的終極目標(biāo)：要多核還要單核 更要能效、低溫

不論是7nm工藝還是Chiplets設(shè)計，亦或者是Zen 2微內(nèi)核架構(gòu)，AMD在霄龍、銳龍?zhí)幚砥魃献非蟮哪繕?biāo)不外乎性能、能效，結(jié)合之前處理器表現(xiàn)出來的優(yōu)勢及槽點(diǎn)，具體來說就是繼續(xù)保持多核性能優(yōu)勢、提升單核性能、提高能效、降低功耗及發(fā)熱，還有就是更低的成本，不過售價這方面還跟市場有關(guān)，要看具體產(chǎn)品，這里先不談了。

在性能這點(diǎn)上，AMD在7nm Zen2上追求的是性能提升，首先是IPC性能，在從推土機(jī)架構(gòu)到Zen架構(gòu)上，AMD實(shí)現(xiàn)了52%的IPC性能提升，不過那個有特殊加成，但從Zen到Zen2上，AMD表示他們也實(shí)現(xiàn)了15%的IPC性能提升，這點(diǎn)就難能可貴了，畢竟現(xiàn)在的高性能CPU架構(gòu)提升越來越難，以往Intel產(chǎn)品提升5%的IPC性能就算不錯了。

其次，AMD還要實(shí)現(xiàn)更高的頻率，銳龍一代、二代處理器在這方面就吃過虧，加速頻率也就4.3GHz而已，相比Intel已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的5GHz加速頻率差了很遠(yuǎn)，導(dǎo)致AMD在單核性能上吃虧不少，游戲性能也因此落敗。

在7nm Zen2上，AMD總算有了突破，銳龍9 3900X 12核處理器的加速頻率也達(dá)到了4.6GHz，16核的銳龍9 3950X更是達(dá)到了4.7GHz頻率，而且AMD表示他們的加速頻率不單單是追求單核最高頻率，可能的情況下更愿意讓多個核心達(dá)到加速頻率，這樣一來性能會更強(qiáng)。

綜合IPC性能及頻率的提升，AMD在銳龍3000上終于實(shí)現(xiàn)了單核性能的大進(jìn)步，官方數(shù)據(jù)顯示單線程性能提升了21%，考慮到銳龍一代、二代上單核性能與Intel酷睿處理器最大的差距也不過20%左右，這次的提升足以讓AMD在單核性能上追平甚至超越Intel酷睿。

與此同時，AMD一直有優(yōu)勢的多核性能上還會繼續(xù)保持，銳龍3000上最大核心數(shù)翻倍到了16核32線程，隨著核心增加多核性能也基本保持了線性增長，6核12線程的處理器CINBEBCN R20多核跑分是3678，12核24線程的銳龍3000就是7248分，基本上就是同步增長的。

更重要的是，在性能增長的同時AMD反而降低了處理器的功耗，每瓦性能比要比目前的銳龍7 2700X以及Intel的酷睿i7-9700K處理器有了50%到70%的增長，銳龍7 3700X的絕對功耗反而從前兩者的195W、157W降至135W，能效表現(xiàn)讓人刮目相看。

考慮到銳龍7 2700X以及Intel的酷睿i7-9700K處理器都是14nm工藝水平的，7nm的銳龍3000處理器在能效上有兩代工藝的差距，官方稱同性能下功耗降低了50%，能效上可以說是降維打擊。

伴隨著能效的提升，AMD的銳龍3000處理器在發(fā)熱上也很有優(yōu)勢，Intel的6核、8核酷睿處理器發(fā)熱之高讓很多玩家不爽，但銳龍7 3700X要冷靜的多，這個優(yōu)勢在銳龍一代、二代上就已經(jīng)如此了。

除了硬件上的改進(jìn)，AMD在優(yōu)化方面也跟上來，銳龍3000處理器就得到了微軟的支持，在最新的Windows 10 5月更新（1903版）上，它也支持了AMD處理器的快速CPU狀態(tài)切換功能，涉及到一些突發(fā)工作負(fù)載時，銳龍3000處理器的頻率提升時間從30毫秒減少到了1-2毫秒，簡單來說就是在需要的時候可以更快速度提升頻率，這樣就可以提升應(yīng)用程序的響應(yīng)速度，AMD表示PCmark 10的啟動時間就縮短了6%，Rocket League游戲的啟動時間更是減少了15%。

第三代銳龍的完美搭配：X570芯片組+PCIe 4.0帶寬

在處理器之外，不得不說的還有全新一代X570芯片組，相比以往的芯片組由祥碩操刀設(shè)計，這次的X570是AMD親自上陣，為的就是實(shí)現(xiàn)PCIe 4.0技術(shù)支持，而且不惜成本地上了14nm制程工藝。

與PCIe 3.0相比，PCIe 4.0的速率從8GT/s提升到了16GT/s，帶寬翻倍提升。主要優(yōu)點(diǎn)如下：

①速度更快，x16雙向帶寬達(dá)到了32GB/s，是PCIe 3.0的兩倍。

②向下兼容，PCIe 4.0也能兼容PCIe 3.0設(shè)備。

③更多連接，PCIe 4.0帶寬高，1條頂2條，可以連接更多設(shè)備而不需要擔(dān)心性能下降。

PCIe 4.0在消費(fèi)級平臺上目前還是AMD X570/銳龍3000的獨(dú)家功能，所以群聯(lián)、慧榮等公司推出的PCIe 4.0主控以及廠商的PCIe 4.0硬盤要想發(fā)揮威力，AMD平臺是首選，可以將SSD的讀寫性能提升到5GB/s級別，未來還可以進(jìn)一步提升到6.5GB/s。

此外，X570平臺除了PCIe 4.0之外，其他SATA、USB 3.1 Gen2、NVMe等標(biāo)準(zhǔn)也要比Intel的Z390平臺更好，擴(kuò)展接口數(shù)量更多，搭配更靈活，所以在X570平臺上，AMD及主板廠商有了打造頂級平臺的底氣，這一點(diǎn)也是跟以往300、400系芯片組最大的不同，有先進(jìn)技術(shù)就能任性。

當(dāng)然，考慮到PCIe 4.0目前比較少支持，不追求極限性能的話大家完全可以選擇X470、B450等平臺，AMD之前也確認(rèn)過了，除了PCIe 4.0支持之外，其他平臺上銳龍3000處理器的性能也是一樣的，不會受影響的。

總結(jié)：從優(yōu)秀到卓越，第三代銳龍各種優(yōu)點(diǎn)“我全都要”

從AMD的7nm Zen2架構(gòu)設(shè)計來看，AMD在這一代處理器上可以說志向遠(yuǎn)大，不論單核還是多核性能，或者是能效、溫度、成本，AMD的目標(biāo)簡直就是下面這張圖所展示的那樣：

沒錯，銳龍3000處理器上AMD表現(xiàn)出來的就是各種優(yōu)勢都要占盡，不給友商留活路的感覺，通過先進(jìn)的7nm工藝、獨(dú)特的Chiplets小芯片、全面改進(jìn)的Zen2架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了性能、能效的同步增長，而且以往最弱的單核性能這次也追上來了。

對于銳龍3000處理器的性能，AMD的官方測試展示了很多了，不過我們這里不打算詳細(xì)列舉了，上面這張圖就是綜合代表了，單核、多核性能都要比Intel的酷睿i9處理器要強(qiáng)。

AMD官方的PPT并不能代表實(shí)際的性能如此，最終的表現(xiàn)如何還要看測試， AMD“全都要”的目標(biāo)到底能實(shí)現(xiàn)多少。完全評測也會在7月7日的晚上9點(diǎn)解禁，來太平洋電腦網(wǎng)打開看詳細(xì)的對比數(shù)據(jù)吧。