К 2017 году компания AMD подошла с очень печальным процессорным багажом. Представители семейства Bulldozer, которые были не слишком удачными с самого начала, к этому моменту потеряли всякую способность конкурировать с альтернативами Intel. AMD могла рассчитывать лишь на внимание со стороны самых непритязательных пользователей в нижнем ценовом сегменте, в то время как любые попытки предложить что-то энтузиастам превращались в довольно жалкое зрелище. Чего, например, стоит выпуск процессоров Centurion (FX-9370 и FX-9590), которые при частоте под 5 ГГц и номинальном тепловыделении 220 Вт демонстрировали производительность лишь на уровне Core i5 тогдашнего поколения Haswell. Иными словами, положение AMD на процессорном рынке было крайне плачевным.
Но хотя в то время многие считали, что процессорный бизнес AMD уже не спасти, на самом деле в недрах компании кипела напряжённая работа. Ещё в 2012 году тогдашний руководитель AMD Рори Рид (Rory Read) сделал очень дальновидный шаг – убедил вернуться в отдел разработки Джима Келлера (Jim Keller), который один раз уже сыграл в судьбе компании важную роль, поучаствовав в создании легендарных процессоров Athlon 64 и Opteron. И Келлер не подкачал и на этот раз. Он смог объединить вокруг себя лучшие кадры и за несколько лет создал базис для новой волны роста процессорного направления AMD – инженерную команду, которая впоследствии воплотила в жизнь микроархитектуру Zen.
С 2017 года, когда на рынок пришли первые процессоры на этой микроархитектуре, в жизни AMD начался совершенно новый этап. Основанные на Zen массовые процессоры получили название Ryzen, созвучное английскому глаголу to rise (подниматься), и не менее символичный логотип в виде буддистского каллиграфического символа «Энсо», выражающего совершенное просветление, и такие намёки не кажутся излишне пафосными. Ryzen фактически совершили полную перезагрузку AMD, и благодаря этому они круто изменили траекторию дальнейшего развития компании.
Вклад Келлера оказался не столько техническим, сколько организационным – знаменитый инженер сумел проявить себя отличным наставником и помог раскрыться талантам других сотрудников AMD, которые продолжили создание и совершенствование Zen после его ухода в 2016-м. Так, сейчас разработкой новейших версий Zen руководит Майк Кларк (Mike Clark) – один из рядовых членов первоначальной «команды Келлера». И надо сказать, у него это неплохо получается. По крайней мере ситуация на процессорном рынке за последние пару лет поменялась на прямо противоположную: благодаря актуальным итерациям микроархитектуры Zen компания AMD убедительно перехватила лидерство в производительности процессоров.
В микроархитектуре Zen разработчики полностью перечеркнули всё наследие Bulldozer – без этого никакое движение вперёд было бы невозможным. Дело в том, что Bulldozer оказался неудачным уже на уровне концепции: «строительный» процессорный дизайн предполагал объединение в CPU большого числа простых вычислительных ядер, что, как оказалось, плохо подходит для программного обеспечения, которое существовало в 2010-х годах. Именно поэтому в Zen произошёл разворот парадигмы к традиционным «большим ядрам», идеологически больше похожим на ядра Athlon и Phenom.
В Bulldozer компания AMD использовала модульный подход, называвшийся СМТ (Clustered Multithreading). Его суть заключалась в совместном использовании значительной части процессорных функциональных блоков парами ядер. В частности, между ядрами были разделены блок вычислений с плавающей запятой, кеш-память, а также вся входная часть исполнительного конвейера – блок выборки и декодирования инструкций. Zen же, напротив, состоит из полностью самостоятельных ядер, и более того – эта микроархитектура впервые в практике AMD имеет поддержку технологии SMT (Simultaneous Multithreading), аналогичной Intel Hyper-Threading. Фактически ядра Zen можно охарактеризовать как «широкие» – они нацелены на исполнение максимального количества x86-инструкций одновременно. Но не стоит думать, что AMD решила повторять все основные идеи процессоростроения вслед за Intel, которая пришла к «широким» ядрам значительно раньше. Например, в Zen пока нет дополнительных узкоспециализированных «ускорителей» ИИ вроде AVX-512 и Deep Learning Boost, которые продвигает Intel в последнее время, зато есть кое-что другое – выраженная модульность.
То, что в процессорах на базе микроархитектуры Zen ставка будет делаться на многочиповую компоновку процессоров, было понятно с самого начала. Такой подход начал применяться ещё с самых первых Zen, но сначала он был задействован лишь в серверных и HEDT-продуктах. Зато с последующими итерациями микроархитектуры подобное строение нашло своё место и в обычных Ryzen. Intel же, напротив, изначально критиковала «чиплеты», хотя позднее пришла к тем же самым идеям с компоновочными решениями EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) и Foveros (многоуровневые соединения чипов), правда, в массовых CPU они пока не применяются.
Сейчас, по прошествии четырёх лет с момента выхода первых Zen, хорошо видно: всё, что было заложено в этой микроархитектуре изначально, так или иначе дало свои плоды. Благодаря нескольким этапам совершенствования процессоры AMD в конечном итоге стали самыми передовыми и самыми производительными решениями на рынке. Нас такой прогресс не мог не впечатлить — и мы решили ещё раз проследить тот путь, который проделала AMD к своему сегодняшнему успеху. В этом материале мы предлагаем познакомиться с результатами «тематического» тестирования, в котором сопоставляются четыре последовательных поколения процессоров Ryzen – от основанных на самом первом варианте архитектуры Zen до современных носителей микроархитектуры Zen 3. Однако прежде чем сравнивать результаты тестов быстродействия, давайте чуть глубже окунёмся в воспоминания.
⇡#Как всё начиналось – Zen и Zen+
Первое поколение Zen было спроектировано, что называется, с чистого листа — в этих процессорах AMD отбросила все предыдущие наработки. И сразу же выяснилось, что это абсолютно верное решение. Ещё задолго до выхода реальных процессоров, когда компания впервые представляла микроархитектуру Zen в 2015 году, она не стеснялась обещать огромный рывок в удельной производительности, и уже тогда складывалось ощущение, что грядёт революция. Ещё бы, ведь переход от Excavator (последней итерации Bulldozer), по расчётам компании, должен был увеличить показатель IPC (число исполняемых за такт инструкций) на кажущиеся на тот момент невероятными 40 %.
И всё это оказалось не пустыми словами: в середине 2016 года AMD подтвердила невероятный рывок в производительности практической демонстрацией: компания показала, что в задачах рендеринга её будущий чип способен потягаться с актуальным восьмиядерным HEDT-процессором конкурента Core i7-6900K (восьмиядерным Broadwell-E). Тогда же AMD обрисовала и свои планы относительно будущей платформы и подтвердила, что массовые процессоры продолжат использовать гнездо Socket AM4 и DDR4-память, как и представленные ранее APU семейства Bristol Ridge.
Наконец, в марте 2017 года были представлены первые Ryzen тысячной серии – в первоначальный модельный ряд сразу же вошли процессоры с числом ядер до восьми, несмотря на то, что у конкурента в массовом сегменте на тот момент имелись только четырёхъядерники. И новинки вполне оправдали ожидания – флагманский Ryzen 7 1800X действительно демонстрировал производительность на уровне Core i7-6900K, правда, только в ресурсоёмких приложениях. С игровой производительностью дело у процессоров AMD обстояло значительно хуже – здесь ни о какой конкуренции с предложениями Intel речь было вести невозможно. Но как бы то ни было, на фоне Bulldozer новые процессоры выглядели очень воодушевляюще. Фактически Ryzen 7 1800X оказался примерно вдвое лучше, чем FX-8370, и этого было достаточно, чтобы стало понятно – AMD возвращается в большую игру.
Давайте вспомним, что представляли собой Ryzen первого поколения. Каждый процессор с микроархитектурой Zen, несмотря на монолитный одночиповый дизайн, состоял из пары связанных шиной Infinity Fabric модулей CCX (Core Complex), в каждом из которых находилось по четыре вычислительных ядра и по 8 Мбайт кеш-памяти третьего уровня. Общими на два ССX были блоки ввода-вывода с контроллерами PCI Express 3.0, SATA, USB и так далее, а также двухканальный контроллер памяти.
Каждое процессорное ядро располагало декодером с производительностью 4 микрокоманды на такт и кешем декодированных микроопераций на 2 тысячи инструкций, по смыслу повторяющим аналогичный блок процессоров Intel. В исполнительном домене ядра присутствовало по четыре арифметико-логических устройства (ALU), по два блока генерации адресов (AGU) и по четыре 128-битных устройства для операций с числами с плавающей запятой (FPU).
Те же самые восьмиядерные полупроводниковые кристаллы Zen компания AMD применила для построения не только десктопных процессоров Ryzen, но и серверных EPYC 7001 (кодовое имя Naples). В них посредством шины Infinity Fabric объединялось по четыре кристалла, что позволяло получать процессоры с числом ядер до 32 и восьмиканальным контроллером памяти. И это стало отличной инженерной идеей – благодаря такой унификации AMD одним махом смогла получить сверхмощные серверные предложения, которые превосходили процессоры Intel того же класса по всем базовым характеристикам: по числу ядер, по пропускной способности подсистемы памяти и по числу линий PCI Express. И более того, чтобы нанести ещё один удар по процессорному рынку, AMD выпустила заодно и HEDT-процессоры Threadripper, составленные из двух полупроводниковых кристаллов Zen, которые смогли предложить до 16 ядер и поддержку четырёхканальной DDR4 SDRAM.
Примерно через полтора года после появления процессоров Ryzen первого поколения AMD подготовила их обновление – серию Ryzen 2000. Однако это был не слишком существенный шаг по пути прогресса — фактически речь шла лишь о новом степпинге изначального дизайна. Самым важным изменением стала смена используемого техпроцесса – вместо 14LPP (14 нм Low Power Plus) новое поколение Ryzen перешло на технологию 12LP (12 нм Leading Performance), что позволило несколько нарастить тактовые частоты и оптимизировать задержки. Но что касается собственно микроархитектуры, то она претерпела минимальные изменения, а поэтому ей дали «промежуточное» название Zen+.
Впрочем, старший представитель обновлённого семейства, Ryzen 7 2700X, оказался быстрее предшественника, и процессоры AMD продолжили уверенное доминирование в части производительности в вычислительных задачах, несмотря на появление у Intel конкурирующих шестиядерников вроде Core i7-8700K. Однако о принципиальном улучшении ситуации с быстродействием в играх речь пока не шла. Ryzen 7 2700X стал выглядеть немного увереннее, чем Ryzen 7 1800X, в гейминге, но процессорам конкурента он тем не менее всё ещё принципиально проигрывал.
Зато с появлением ядер Zen+ компания AMD обновила и серию Threadripper – в ней появились процессоры с числом ядер вплоть до 32, составленные уже из четырёх полупроводниковых кристаллов. И хотя они не нашли широкой поддержки со стороны энтузиастов из-за своей своеобразной NUMA-топологии, это был ещё один важный шаг AMD в части достижения новых высот вычислительной производительности.
Впрочем, самое интересное началось позже, в 2019 году, когда AMD сделала следующий шаг и перевела свои процессоры на микроархитектуру Zen 2 и новаторский чиплетный дизайн.
⇡#Второй рывок – Zen 2 и Zen 3
При создании следующей серии процессоров, Ryzen 3000, AMD пересмотрела применяемые компоновочные подходы и решила опираться на многокристальные сборки в том числе и в процессорах для настольного сегмента. В микроархитектуре Zen 2 произошло физическое отделение процессорных ядер от контроллера памяти и схем ввода-вывода, в результате чего в каждом процессоре стали одновременно применяться два вида разнородных полупроводниковых кристаллов – чиплетов. Во-первых, это были выпускаемые по техпроцессу 12LP чиплеты ввода-вывода, в которых располагался контроллер DDR4 SDRAM, контроллер PCI Express 4.0, а также контроллеры SATA и USB. Во-вторых, чиплеты с восемью процессорными ядрами, для производства которых использовался более тонкий техпроцесс N7 (7 нм). Помимо всего прочего, такое разделение позволило AMD в дополнение к привычным Ryzen создать новый подкласс массовых процессоров — 12- и 16-ядерные Ryzen 9, в которых применялась сразу пара процессорных чиплетов.
Впрочем, увеличение числа ядер стало не главным достоинством Zen 2 и процессоров, основанных на этой микроархитектуре. В них нашли место и другие значительные улучшения. Так, переход на более современную производственную технологию позволил удвоить размер L3-кеша – теперь на каждый четырёхъядерный CCX-модуль стало приходиться по 16 Мбайт кеш-памяти. Также была существенно переработана микроархитектура на низком уровне.
В схеме предсказания переходов, помимо перцептрона, был реализован многоступенчатый статистический механизм TAGE (Tagged geometric). L1-кеш инструкций урезали вдвое, но удвоили глубину кеша микроопераций. В исполнительном домене добавили третий адресный блок (AGU), а всем вещественночисленным устройствам (FPU) удвоили ширину – до 256 бит. В результате Zen 2 получила возможность обрабатывать инструкции AVX2 за один проход, не дробя их на две части, как было в Zen и Zen+. И вот это изменение, пожалуй, стоит считать наиболее важным как минимум с точки зрения серверов и рабочих станций – там быстрая обработка векторных инструкций имеет очень большое значение.
В результате всех оптимизаций и улучшений процессоры Ryzen 3000 заметно подтянулись по производительности, и, хотя всё ещё отставали от конкурирующих предложений Intel при игровой нагрузке, имеющийся разрыв стал не таким вопиющим. Зато в вычислительных задачах преимущество AMD стало неоспоримым: восьмиядерники вроде Ryzen 7 3800X оказывались быстрее появившихся чуть ранее Intel Core i9-9900K с таким же числом ядер практически в любом приложении для создания и обработки контента, не говоря уже о том, что многоядерные модели Ryzen 9 попросту не имели конкурентов.
Чиплетный дизайн Zen 2 позволил AMD приумножить успехи и в сегменте HEDT. Обновлённые Threadripper избавились от неудобной для рабочих станций топологии NUMA и нарастили число ядер до 64 штук. Попутно заметный прогресс произошёл и в серверной серии процессоров компании, за счёт чего AMD сумела сильно увеличить продажи EPYC 7002 (кодовое имя Rome).
Между тем Zen 2 – далеко не финальная точка в эволюции микроархитектуры. Разработкой новых процессорных дизайнов в AMD, как и во многих других компаниях, занимаются две команды, которые воплощают свои проекты поочерёдно. И поэтому вслед за Zen 2, который принёс с собой большой багаж нововведений, появился Zen 3, в котором масштаб улучшений оказался отнюдь не меньшим, но затрагивающим при этом иные аспекты микроархитектуры. Сама AMD утверждала, что прирост IPC при переходе от Zen 2 к Zen 3 составил 19 %, а в играх он ещё выше и достигает 23 %.
Все изменения в Zen 3 касаются исключительно чиплетов с процессорными ядрами – чиплеты ввода-вывода в серии основанных на микроархитектуре Zen 3 процессоров Ryzen 5000 унаследованы от Ryzen 3000. Главное улучшение касается их внутренней структуры: в Zen 3 модули CCX попарно объединены, то есть процессорный чиплет наконец-то стал единой с логической точки зрения конструкцией, объединяющей восемь равноправных ядер и разделяемую между ними кеш-память третьего уровня объёмом 32 Мбайт. Это сразу же снизило латентности при работе ядер с общими данными – теперь находящиеся в одном чиплете ядра получили возможность взаимодействовать между собой через гораздо более близкую к ним кеш-память, а не через внешнюю по отношению к CCX-модулям шину Infinity Fabric.
Впрочем, одной только реорганизацией CCX дело не ограничивается. Внутри ядер Zen 3 проведено множество микроархитектурных оптимизаций как во входной части вычислительного конвейера, так в исполнительном домене и в подсистеме работы с данными. К числу основных изменений стоит отнести перегруппировку устройств ALU и AGU с выделением отдельного устройства для обработки ветвлений, добавление двух дополнительных FPU-устройств, а также более гибкую работу с L1D-кешем в части возможности выполнения большего числа одновременных загрузок и сохранений. Вместе с тем в очередной раз улучшились алгоритмы предсказания переходов, а размеры многих внутренних буферов были перебалансированы.
В результате такие процессоры, как Ryzen 7 5800X, наконец-то оспорили правомерность того, что Intel Core носят звание лучших вариантов для игровых систем. А вместе с укрепившимся преимуществом в вычислительной производительности они получили и право считаться самыми быстрыми потребительскими CPU современности, по крайней мере до тех пор, пока Intel не ответит на Zen 3 обновлением собственной микроархитектуры.
⇡#Немного о перспективах – Zen 3+ и Zen 4
Ещё в марте прошлого года компания AMD объявила, что за микроархитектурой Zen 3 последует микроархитектура Zen 4, но это утверждение было сделано применительно к серверному сегменту. На момент публикации этого материала процессоры EPYC 7003 (кодовое имя Milan), основанные на Zen 3, всё ещё не анонсированы официально, хотя это и должно произойти в самое ближайшее время. Это значит, что внедрение новых поколений архитектур у AMD на серверном рынке несколько запаздывает, но в то же время процессоры EPYC 7004 (кодовое имя Genoa) на базе дизайна Zen 4 обещаны уже в 2022 году.
Таким образом, можно ожидать, что взятый AMD темп смены поколений в мире Ryzen не будет падать. И знать об этом очень приятно, потому как вместе с внедрением микроархитектуры Zen 4 в платформе AMD ожидается сразу несколько важных изменений: переход на 5-нм техпроцесс со всеми сопутствующими дивидендами и поддержка более быстрой памяти стандарта DDR5.
Из неофициальных планов AMD, которые временами просачиваются в прессу, известно, что перед выходом десктопных воплощений Zen 4 с кодовым именем Raphael на рынок должно прийти ещё одно поколение Ryzen, фигурирующее под кодовым именем Warhol. Предполагается, что такие процессоры сохранят микроархитектуру Zen 3 и станут чем-то вроде слегка разогнанных Ryzen 5000, но есть и другая гипотеза. Вполне может статься, что в Warhol компания AMD заменит чиплет ввода-вывода, осуществив переход на Socket AM5 и внедрив поддержку DDR5 в десктопном сегменте, не дожидаясь миграции на ядра Zen 4. AMD всегда говорила, что процессорное гнездо Socket AM4 останется актуальным только до 2020 года, и поэтому, если чипы Warhol под новый процессорный разъем появятся в этом году, это вполне впишется в общую канву публичных планов компании.
| Модельный ряд | Техпроцесс | Микроархитектура | Платформа | Срок выхода | |
|---|---|---|---|---|---|
| Summit Ridge | Ryzen 1000 | 14LPP | Zen | AM4 | 2017 |
| Pinnacle Ridge | Ryzen 2000 | 12LP | Zen+ | AM4 | 2018 |
| Matisse | Ryzen 3000 | N7 + 12LP | Zen 2 | AM4 | 2019 |
| Matisse Refresh | Ryzen 3000XT | N7 + 12LP | Zen 2 | AM4 | 2020 |
| Vermeer | Ryzen 5000 | N7 + 12LP | Zen 3 | AM4 | 2020 |
| Warhol | ? | N7 + ? | Zen 3(+) | ? | 2021 |
| Raphael | ? | ? | Zen 4 | AM5 | 2022 |
На данный момент никакие конкретные детали про Zen 4 достоверно не известны. В нескольких интервью высокопоставленные сотрудники AMD лишь упоминали, что список изменений, запланированных в Zen 4, не меньше соответствующего списка для Zen 3. И что оптимизация дизайна ведётся по нескольким направлениям, включая кеш-память, схему предсказания переходов и исполнительный домен. Кроме того, уместно будет вспомнить о том, что 5-нм техпроцесс TSMC, которым собирается воспользоваться AMD, обеспечивает 84-процентное увеличение плотности транзисторов на кристалле в сравнении с технологией N7 и может дать либо 30-процентное снижение энергопотребления, либо 15-процентный рост частоты. Как AMD распорядится этими преимуществами — не известно. Но ходят слухи, что по крайней мере серверные процессоры на базе Zen 4 получат большее число вычислительных ядер, а также обретут поддержку дополнительных наборов векторных инструкций.
Впрочем, нужно оговориться, что бушующий в 2021 году глобальный дефицит полупроводников способен привести к срыву любых процессорных планов, особенно если речь идёт о планах компании AMD, которая не располагает собственными производственными мощностями.
⇡#Характеристики Ryzen разных поколений в сравнении
Чтобы сопоставить четыре варианта Ryzen, основанных на микроархитектурах c Zen по Zen 3, мы взяли флагманские восьмиядерные процессоры, относящиеся к серии Ryzen 7. Такой выбор обусловлен отсутствием в семействах Ryzen 1000 и Ryzen 2000 процессоров с большим числом ядер – 12- и 16-ядерные CPU компания AMD стала выпускать лишь с серии Ryzen 3000.
Паспортные характеристики процессоров, попавших в это сравнение, представлены в таблице.
| Ryzen 7 1800X | Ryzen 7 2700X | Ryzen 7 3800XT | Ryzen 7 5800X | |
|---|---|---|---|---|
| Платформа | AM4 | AM4 | AM4 | AM4 |
| Кодовое имя | Summit Ridge (Zen) | Pinnacle Ridge (Zen+) | Matisse (Zen 2) | Vermeer (Zen 3) |
| Техпроцесс | 14LPP (GloFo) | 12LP (GloFo) | N7 (TSMC) + 12LP (GloFo) | N7 (TSMC) + 12LP (GloFo) |
| Площадь ядра, мм2 | 213 (SoC) | 213 (SoC) | 74 (CCD) + 125 (IOD) | 81 (CCD) + 125 (IOD) |
| Число транзисторов, млрд | 4,8 (SoC) | 4,8 (SoC) | 3,9 (CCD) + 2,09 (IOD) | 4,15 (CCD) + 2,09 (IOD) |
| Ядра/потоки | 8/16 | 8/16 | 8/16 | 8/16 |
| Тактовая частота, ГГц | 3,6-4,1 | 3,7-4,35 | 3,9-4,7 | 3,8-4,7 |
| L3-кеш, Мбайт | 8+8 | 8+8 | 16+16 | 32 |
| Память | DDR4-2666 | DDR4-2933 | DDR4-3200 | DDR4-3200 |
| PCI Express | 24 × Gen3 | 24 × Gen3 | 24 × Gen4 | 24 × Gen4 |
| TDP, Вт | 95 | 105 | 105 | 105 |
| PPT, Вт | 142 | 142 | 142 | 142 |
| Цена | $499 | $329 | $399 | $449 |
⇡#Описание тестовой системы и методики тестирования
Основные герои настоящего тестирования – восьмиядерники AMD четырёх последовательных поколений: Ryzen 7 1800X, Ryzen 7 2700X, Ryzen 7 3800XT и Ryzen 7 5800X. Их практическое сравнение должно нам позволить сделать выводы о том, как AMD добилась успеха в столь сжатые сроки и какой по величине прирост производительности обеспечивает каждое из поколений процессоров Ryzen.
Однако мы не ограничились тестированием одних лишь процессоров AMD. Компанию им составил также и Core i7-10700K – современный восьмиядерный процессор Intel, построенный на микроархитектуре Skylake (она используется компанией в настольных процессорах с 2015 года). Его участие в сравнении позволит выяснить, в какой конкретно момент AMD смогла превзойти по быстродействию своего конкурента и какой разрыв между процессорами разных производителей существует сейчас.
Таким образом, в состав тестовой системы вошли следующие комплектующие:
Наличие в списке комплектующих материнской платы, основанной на наборе логики AMD X470, обусловлено отсутствием сквозной совместимости между платами и процессорами внутри экосистемы Socket AM4. Процессоры Ryzen первого поколения не могут работать в современных платах, поэтому для тестов Ryzen 7 1800X пришлось использовать старую материнскую плату ASRock X470 Taichi Ultimate.
Все сравниваемые процессоры тестировались с настройками, принятыми производителями плат по умолчанию. Это значит, что для платформ Intel обозначенные в спецификациях ограничения по энергопотреблению игнорируются, вместо чего используются предельно возможные частоты в целях получения максимальной производительности. В таком режиме эксплуатирует процессоры подавляющее большинство пользователей, поскольку включение лимитов по тепловыделению и энергопотреблению в большинстве случаев требует специальной настройки параметров BIOS.
Все сравниваемые процессоры были протестированы с памятью, работающей в режиме DDR4-3600 с настройками таймингов по XMP, за исключением AMD Ryzen 7 1800X. Поскольку данный процессор не обеспечивал стабильной работоспособности со скоростной памятью, для него частота памяти понижалась до состояния DDR4-3200 со схемой задержек 16-18-18-38.
Тестирование выполнялось в операционной системе Microsoft Windows 10 Pro (20H2) Build 19042.572 с использованием следующего комплекта драйверов:
Описание использовавшихся для измерения вычислительной производительности инструментов:
Комплексные бенчмарки:
Приложения:
Игры:
Во всех игровых тестах в качестве результатов приводится среднее количество кадров в секунду, а также 0,01-квантиль (первая перцентиль) для значений FPS. Использование 0,01-квантиля вместо показателей минимального FPS обусловлено стремлением очистить результаты от случайных всплесков производительности, которые были спровоцированы не связанными напрямую с работой основных компонентов платформы причинами.
В первую очередь давайте разберёмся с описанной процессорами Ryzen траекторией показателя IPC, то есть с тем, как менялась их удельная производительность. Такое исследование нужно для удовлетворения академического любопытства и оценки эффективности микроархитектур от Zen до Zen 3 в чистом виде. Дело в том, что процессоры в каждом поколении становятся быстрее не только за счёт микроархитектуры, но и в том числе и за счёт повышения рабочих частот. Например, максимальная рабочая частота Ryzen 7 5800X в конечном итоге превысила оную у Ryzen 7 1800X на 15 %, демонстрируя прирост на каждом этапе. Вместе с последовательными улучшениями в технологии авторазгона Precision Boost это заметно улучшает быстродействие и маскирует реальный прирост IPC, который получается от микроархитектурных улучшений.
Чтобы выделить из всей картины рост производительности, обусловленный исключительно интересующим нас фактором, мы сравнили восьмиядерные Ryzen разных поколений при одной и той же фиксированной тактовой частоте. Конкретно было выбрано значение 4,0 ГГц – на этой частоте способны работать Ryzen всех поколений, несмотря на разницу в используемых техпроцессах. Оперативная память во всех случаях также работала одинаково – в режиме DDR4-3200.
В следующей таблице приводятся результаты сравнения четырёх одночастотных восьмиядерников в ресурсоёмких приложениях и тот прирост производительности, который фиксируется при переходе от процессора одного поколения к следующему.
Как видно из приведённой таблицы, максимальный взлёт вычислительной производительности произошёл при переходе от Zen+ (Pinnacle Ridge) к Zen 2 (Matisse). На этом этапе рост быстродействия в некоторых случаях достигает 30-40 %, и это закономерно, ведь в Zen 2 компания AMD удвоила и скорость работы FPU-блока, и объём доступной кеш-памяти. В результате при равной тактовой частоте процессоры Ryzen 3000 опережают предшественников серии Ryzen 2000 в среднем на 22,8 %.
Что касается новейшего поколения Ryzen 5000 на базе микроархитектуры Zen 3, то оно принесло далеко не такой мощный прирост. Если сравнивать с Ryzen 3000, то в среднем в ресурсоёмких приложениях наблюдается лишь 11-процентное увеличение удельной производительности, то есть улучшения в Zen 3 оказались далеко не столь монументальными, как те усовершенствования, которые произошли на предыдущем этапе модернизации микроархитектуры. Впрочем, нельзя сказать, что мы разочарованы. Два поколения подряд AMD удаётся добиваться роста быстродействия на двузначное число процентов – это очень впечатляющий прогресс.
Если же говорить о картине в целом, то с момента выхода первых Zen показатель IPC вырос на 42,5 %, и это число выглядит действительно фантастическим, так как на достижение такого результата AMD потратила всего четыре года.
Мы не поместили на этот график результат процессора с микроархитектурой Intel Skylake, однако он был протестирован наряду с различными Ryzen. И полученные данные свидетельствуют: с точки зрения IPC массовых чипов AMD обошла конкурента на этапе выхода Ryzen 3000 с микроархитектурой Zen 2. При одинаковой тактовой частоте Matisse обходит Skylake в среднем на 7,7 %. Преимущество же Vermeer и микроархитектуры Zen 3 достигло уже 19,4 %. Именно такое отставание Intel нужно попробовать наверстать в процессорах Rocket Lake.
В играх, которые создают несколько иную по своему характеру нагрузку, ситуация, естественно, сильно отличается. В этом можно убедиться с помощью следующей таблицы с показателями средней частоты кадров в разрешении Full HD при максимальных настройках качества изображения. Условия тестирования при этом остаются теми же – мы сравниваем восьмиядерники на фиксированной частоте 4,0 ГГц.
В то время как максимальный прирост в удельной вычислительной производительности фиксировался при переходе от процессора Pinnacle Ridge к Matisse, то есть при вводе в строй микроархитектуры Zen 2, для игрового быстродействия гораздо более важным свершением стало появление дизайна Zen 3. Средняя кадровая частота Ryzen 5000 выросла сразу на 16,4 %, если сравнивать с показателями Ryzen 3000, и очевидно, что самый значительный вклад в этот прирост внесло внедрение восьмиядерных CCX-модулей вместо четырёхъядерных. Вопрос неэффективного межъядерного взаимодействия в современных Ryzen больше не стоит, и это выпукло отражается на игровых результатах.
Если посмотреть на то, как прогрессировала средняя геймерская производительность процессоров AMD на протяжении четырёх поколений CPU, то получится, что с первых Zen, которые вышли в 2017 году, обеспечиваемая ими кадровая частота поднялась в среднем на 36 % – очень весомый результат, который наверняка способен заставить обладателей Ryzen 1000 или Ryzen 2000 серьёзно задуматься о модернизации процессора. И кстати, хорошо видно, что микроархитектура Zen 3 подняла удельную игровую производительность сильнее, чем это сделали два предыдущих поколения массовых процессоров. Иными словами, представители семейства Ryzen 5000 получили звание лучших вариантов для геймерских систем именно благодаря этому последнему рывку.
То, что случилось в Ryzen свежего поколения, вывело их удельную производительность выше уровня Intel Skylake не только в ресурсоёмких приложениях, но и в играх. До выхода Verneer процессоры Intel предлагали лучший игровой IPC, но теперь AMD может похвастать убедительным преимуществом и в этой сфере тоже. Причём величина превосходства Vermeer над Skylake на одинаковой тактовой частоте в среднем составляет заметные 10 %. Правда, нужно оговориться, что эта величина получена при условии использования мощной графической карты GeForce RTX 3090, а для более слабой графики разрыв будет получаться меньшим.
Но в итоге этого небольшого исследования IPC процессоров Ryzen различных поколений мы вынуждены отметить, что, несмотря на явное движение вперёд, AMD всё же излишне оптимистично оценивает результативность своей работы. Хотя компания утверждала, что удельная производительность Zen 3 выросла по сравнению с показателями Zen 2 на 19 %, по результатам наших измерений получается, что речь идёт скорее о 11 %. Или же если взять в рассмотрение не только вычислительные задачи, но и игры, то этот показатель можно оценить величиной 13 %, что всё равно заметно меньше официально объявленного показателя.
⇡#Производительность в комплексных тестах
Переходим к сравнению процессоров в номинальном режиме – без искусственного ограничения их тактовой частоты.
Тест PCMark 10, который должен показывать средневзвешенную производительность систем при обыденном домашнем или офисном использовании, не преподносит никаких сюрпризов. Каждый следующий Ryzen быстрее предыдущего, причём на достаточно отчётливую величину и в любых сценариях. Но особо обратить внимание стоит на два факта. Во-первых, по мнению PCMark 10, превзойти Intel Core компании AMD удалось только в последнем поколении своих процессоров, которое основывается на микроархитектуре Zen 3. Во-вторых, величина прироста при переходе от Ryzen двухтысячной серии к трёхтысячной серии и на следующем шаге – при переходе к пятитысячной серии – примерно одинакова. То есть эффект, которого добивается AMD на каждом шаге совершенствования микроархитектуры, в целом оказывается примерно равным. Из этого ряда выбивается разве только переход от Ryzen 1000 к Ryzen 2000, но эту ступень в развитии AMD и не считает полноценной, маркируя второе поколение микроархитектуры «промежуточным» наименованием Zen+.
Тест 3DMark даёт оценку игровой производительности, но в целом картина здесь похожа на то, что мы видели в PCMark 10. Особо выделить можно разве только то, что, по данным процессорного теста, разрыв между Ryzen 7 5800X и Ryzen 7 1800X достигает 64 %. А это значит, что если AMD продолжит двигаться теми же темпами и дальше, то можно ожидать, что следующее поколение Ryzen будет быстрее первых носителей микроархитектуры Zen (аналогичного класса) уже примерно вдвое.
⇡#Производительность в приложениях
Считается, что при создании и обработке цифрового контента процессоры Ryzen были достаточно сильны всегда. Но на самом деле изначально AMD брала верх над Intel грубой силой: за счёт превосходства в числе вычислительных ядер. При этом по удельной производительности на ядро процессоры Ryzen смогли сделать рывок в рабочих задачах лишь после внедрения микроархитектуры Zen 2, где AMD расширила блок FPU и наделила его способностью работы с 256-битными данными не в два этапа, а целиком. В результате Ryzen 7 3800XT получил 30-процентное преимущество перед Ryzen 7 2700X и обошёл по быстродействию Core i7-10700K (и аналогичный по характеристикам Core i9-9900K).
Надо сказать, что неплохую результативность показывает и последняя итерация микроархитектуры AMD – Zen 3. В среднем Ryzen 7 5800X выигрывает у Ryzen 7 3800XT 18 %. Однако здесь есть один интересный нюанс. Процессоры трёхтысячной серии получили максимальный прирост в приложениях, направленных на работу с фото и видео: например, Ryzen 7 3800XT оказывается быстрее Ryzen 7 2700X в Lightroom или при перекодировании видео современными кодеками в целых полтора раза. Ryzen 7 5800X же предлагает максимальный прирост на вычислениях другой направленности – при рендеринге в пакетах трехмерного моделирования.
В сумме же если сопоставить новейший Ryzen 7 5800X и процессор Ryzen 7 1800X четырёхлетней давности, то получится, что за это время производительность предложений AMD в ресурсоёмких задачах смогла возрасти в среднем на 69 %. Причём максимальный прирост достигнут в видеокодеках – здесь ускорение доходит до впечатляющего 90-процентного уровня.
Рендеринг:
Обработка фото:
Работа с видео:
Перекодирование видео:
Компиляция:
Архивация:
Шахматы:
Шифрование:
⇡#Производительность в играх. Тесты в разрешении 1080p
Игровая производительность Ryzen долго была их слабым местом. Но в микроархитектуре Zen 3 компания AMD наконец-то избавилась от главной структурной проблемы в своих процессорах, которая не давала им возможности проявить себя в играх, – она объединила в CCX-комплексах по восемь ядер и значительно снизила задержки при межъядерных взаимодействиях. Вместе с мерами, принятыми ранее, — в первую очередь с увеличением размера кеш-памяти третьего уровня в Zen 2, — это дало очень мощный эффект, и в конечном итоге современные процессоры Ryzen в играх стали как минимум в полтора раза быстрее родоначальников семейства. Этот прирост распределяется так: Ryzen 7 3800XT превосходит Ryzen 7 2700X примерно на 13 %, а Ryzen 7 5800X быстрее, чем Ryzen 7 3800XT, в среднем на 20 %. Оставшиеся 10 % приходятся на шаг от Ryzen 7 1800X к Ryzen 7 2700X.
В результате теперь вполне правомерно говорить, что старший восьмиядерник AMD последнего поколения, Ryzen 7 5800X, обходит восьмиядерники Intel не только при расчётах, но и в играх. Преимущество в этом случае нельзя назвать подавляющим, но не заметить его тоже нельзя. А это значит, что окончательную победу над Skylake компания AMD одержала только сейчас – с вводом в строй микроархитектуры Zen 3. Впрочем, игры, где Skylake всё ещё силён, существуют, и они далеко не единичны.
⇡#Производительность в играх. Тесты в разрешении 2160p
Что характерно, рост игровой производительности по мере совершенствования микроархитектуры процессоров AMD прослеживается даже в том случае, если речь идёт о разрешении 4K. Несмотря на то, что в этом случае большая часть нагрузки падает на видеоподсистему, первые Ryzen явно не готовы для работы в системах с мощной графикой, даже если такие системы нацелены на игры в высоких разрешениях. Но микроархитектура Zen 3 оставила все подобные проблемы в прошлом. Тот же Ryzen 7 5800X отлично подойдёт для абсолютно любой игровой системы, и, больше того, в среднем такая система будет выдавать более высокую кадровую частоту, чем аналогичная конфигурация с восьмиядерным процессором Core i7-10700K (или Core i9-9900K).
За время эволюции процессоров Ryzen техпроцесс менялся дважды: с 14 на 12 нм при переходе к микроархитектуре Zen+, а затем на 7 нм на следующем этапе – при смене микроархитектуры на Zen 2. Однако открывающиеся возможности компания AMD обращает не в снижение потребления и тепловыделения, а в рост тактовых частот. Поэтому не стоит удивляться, что у всех старших восьмиядерных Ryzen спецификацией устанавливается одинаковая величина предельного потребления 142 Вт. Именно исходя из этой константы процессоры Ryzen динамически управляют своей тактовой частотой, а потому особых различий в их реальных энергетических аппетитах не наблюдается. По крайней мере в тех случаях, когда они загружены многопоточной вычислительной работой.
Подтвердить всё это можно следующими графиками, на которых приведено полное потребление тестовых систем, измеренное после блока питания и представляющее собой сумму энергопотребления всех задействованных в системе компонентов. КПД самого блока питания в данном случае не учитывается.
Немного выделяется на общем фоне только Ryzen 7 1800X, который, кажется, потребляет меньше собратьев. Однако объясняется это отнюдь не лучшей экономичностью данного процессора, а тем, что мы измеряем потребление платформы целиком, и в случае с Ryzen 7 1800X в тесты попала другая материнская плата, основанная на чипсете X470, а не X570. Такие материнки заметно экономичнее, что и обуславливает более низкие показатели потребления у самого старого из участников теста.
В материале, подобном сегодняшнему, довольно сложно сформулировать какие-то чёткие выводы. То, что производительность с переходом к каждому последующему поколению процессоров растёт, – это вполне очевидный факт. Удивить тут может разве только то, что у AMD этот прирост опирается на усовершенствования в микроархитектуре и оказывается хорошо заметным почти на каждом шаге. Intel приучила нас к очень размеренному (а в последние годы – вообще нулевому) увеличению удельного быстродействия, когда, несмотря на ежегодную смену поколений CPU, рост производительности происходит за счёт увеличения тактовой частоты и числа вычислительных ядер. С продукцией же AMD всё обстоит совершенно по-другому. Здесь каждое новое поколение процессоров становится быстрее в первую очередь благодаря изменениям в микроархитектуре, а лишь только потом – благодаря росту частоты и увеличению числа ядер.
Тестирование выявило, что сама AMD в пределах нескольких процентов систематически завышает свои обещания по росту показателя IPC. Однако сути это не меняет. Ryzen второго поколения — с учётом IPC и роста частоты — быстрее своего предшественника примерно на 10 %. Третье поколение Ryzen прибавило в производительности ещё на 30 %. А современные процессоры пятитысячной серии принесли ещё 18 % прироста. Это значит, что продукция AMD устаревает очень и очень быстро, с одной стороны, подстёгивая развитие компьютерного рынка, но с другой – заставляя пользователей чаще обновлять системы. На протяжении всего тестирования нам то и дело приходилось указывать, что Ryzen тысячной и двухтысячной серии сегодня выглядят уже весьма неубедительно — как в творческих приложениях, так и в играх.
Более того, в двух последующих поколениях Ryzen компания AMD так разогналась, что не только отправила свои предшествующие решения в разряд устаревших, но и лихо обскакала процессоры Intel, превратив бывшего рекордсмена в безнадёжного отстающего. Если говорить о ресурсоёмких приложениях, то современных представителей серии Intel Core процессоры Ryzen с аналогичным числом ядер обогнали ещё в трёхтысячной серии, а в пятитысячной серии они утвердили своё превосходство и в играх. В результате среднее преимущество Ryzen 7 5800X перед Core i7-10700K в вычислительных задачах достигает 20 %, а превосходство в игровых приложениях находится на уровне 5 %.
В рамках этого материала мы говорили исключительно про восьмиядерные процессоры, но, помимо роста IPC и тактовых частот, у AMD есть и ещё один сильный аргумент – умение выпускать потребительские процессоры с 12 и 16 ядрами, аналогов которым среди предложений Intel попросту не существует. Это – ещё одна причина, по которой Ryzen заслуживают почёта и славы.
Но финалом этой статьи мы бы хотели сделать два очень показательных числа, ради которых всё это тестирование и затевалось. А именно: самый современный старший восьмиядерник Ryzen 7 5800X обходит по производительности флагманский Ryzen 7 первого поколения на 69 %, если говорить о приложениях, и на 52 % – если говорить об играх в разрешении Full HD с мощной графической картой (в скобках при этом заметим, что при сравнении Ryzen 7 5800X с Ryzen 7 2700X эти числа останутся тоже весьма убедительными – 53 и 36 % соответственно).