Микроархитектура Zen 2: вот почему мы ждём Ryzen 3000

⇡#Чиплеты и Socket AM4: неожиданные сложности

Чиплетный дизайн процессоров поставил перед инженерами AMD и ещё одну непростую задачу. Как оказалось, физически собрать два или три кристалла на одной текстолитовой плате с 1331 ножками и размером 40 × 40 мм не так-то просто. Каждый из полупроводниковых кристаллов-чиплетов имеет собственный массив контактов, и правильно развести их соединения у AMD получилось, лишь увеличив количество слоев проводников в процессорной плате до двенадцати. При этом маршрутизация контактных дорожек Ryzen 3000 всё равно выглядит нетривиально и очень запутанно: ранее AMD ещё не приходилось разрабатывать столь сложных процессорных плат.

Безусловно, задача конструирования процессорной платы для чиплетной процессорной компоновки Ryzen 3000 могла бы быть существенно упрощена, если бы AMD отказалась от Socket AM4 в пользу какого-то нового разъёма с большей площадью. Но поскольку компания пообещала пользователям сохранять совместимость массовых CPU с единой экосистемой до 2020 года, было решено пойти на дополнительные разработки и всё же впихнуть два CCD-чиплета и один I/O-чиплет на PGA-плату, устанавливаемую в привычный разъём.

При этом неожиданные проблемы возникли и на ещё одном этапе. CCD-чиплет с вычислительными ядрами выпускается по 7-нм техпроцессу и имеет очень небольшую площадь, поэтому контакты для монтажа на процессорную плату на нём приходится размещать очень плотно. Расстояние между контактами на кристаллах, с которыми имела дело AMD раньше, составляло как минимум 150 микрон. В кристаллах же Zen 2 это расстояние уменьшилось до 130 микрон. И как оказалось, в мире существует лишь два производителя печатных плат, которые способны изготавливать текстолитовые подложки под кристаллы со столь плотной контактной матрицей.

Ради возможности сборки Ryzen 3000 в виде совместимых с Socket AM4-процессоров компании AMD пришлось пойти и ещё на одно ухищрение. Выпускаемые по 7-нм технологии CCD-чиплеты были переведены на другую технологию изготовления контактов для монтажа на процессорной плате. На смену применявшимся ранее шарообразным контактам пришли цилиндрические медные столбики, которые, во-первых, имеют меньший диаметр и допускают более плотное размещение, а во-вторых, позволяют выровнять высоту 7-нм и 12-нм чиплетов для установки на них единой плоской теплорассеивающей крышки.

Рассказывая о том, насколько непростым оказался процесс сборки получившихся CPU, о котором обычно никто даже и не задумывается, представители AMD подчеркнули, что теперь компании приходится серьёзно углубляться в логистику. Дело в том, что за выпуск Ryzen 3000 в конечном итоге отвечает четыре подрядчика из четырёх разных стран: I/O-чиплеты изготавливает американская GlobalFoundries, CCD-чиплеты производит тайваньская TSMC, текстолитовые платы для процессоров AMD заказывает в Японии, а финальная сборка процессоров в единое целое происходит в Китае. Поэтому не стоит удивляться тому, что на крышке будущих продуктов AMD можно будет прочитать: «Diffused in USA, Diffused in Taiwan, Made in China».

⇡#Тактовая частота и однопоточная производительность

Несмотря на то, что микроархитектура Zen стала огромным шагом вперёд по сравнению с предыдущими процессорами класса Bulldozer, однопоточная производительность оставалась достаточно слабым местом Ryzen и первого, и второго поколений. Там, где была важна именно производительность одного потока, Ryzen заметно уступали процессорам Intel. Однако в Zen 2 эта ситуация, судя по всему, наконец-то будет переломлена. AMD не только говорит о 15-процентном росте показателя IPC благодаря усовершенствованиям микроархитектуры, но и указывает на то, что в комплексе прирост производительности при однопоточной нагрузке может достигать величины в 21 %.

Столь впечатляющей прирост быстродействия складывается из нескольких составляющих, и новая микроархитектура здесь – лишь одно из слагаемых. Рост IPC вносит 60 % вклада, но также большую роль играет прогресс в тактовых частотах, ставший возможным благодаря внедрению техпроцесса с 7-нм нормами.

И это на самом деле не само собой разумеющееся улучшение. Рост частот – ещё один результат проведённой инженерной работы. Дело в том, что полупроводниковые кристаллы, для производства которых используются новые техпроцессы с более тонкими нормами, требуют использования более низкого напряжения питания. А это увеличению частотного потенциала вовсе не способствует. Однако в случае с Ryzen 3000 компании AMD удалось поймать двух зайцев сразу: с одной стороны, Zen 2 действительно питаются от более низкого напряжения, но с другой – они способны работать на более высоких, чем прошлые 14- и 12-нм процессоры, частотах. В частности, в то время как максимальная частота процессоров Ryzen второго поколения достигала 4,35 ГГц, новые Ryzen 3000 при умеренной нагрузке смогут развивать частоты на уровне 4,6-4,7 ГГц.

Большую роль в увеличении однопоточной производительности играет технология Precision Boost 2, отвечающая за турбо-режим, то есть, за автоматический разгон процессора в те моменты, когда это позволяет его температура и энергопотребление. В целом в работе этой технологии особых изменений не произошло за исключением того, что в процессорах Ryzen 3000 больше не будет дополнительной функции XFR, роль которой на себя возьмёт всё та же Precision Boost 2. Но AMD обещает, что пользователи систем, построенных на новых процессорах, смогут усилить агрессивность автоматического разгона за счёт специальной функции Precision Boost Override.

При условии хорошего охлаждения процессора и использовании «правильной» материнской платы, эта функция сможет прибавить к рабочим частотам процессора дополнительную пару сотен мегагерц, что неминуемо выльется в дополнительный рост быстродействия как в однопоточном, так и многопоточном режиме.

⇡#Модельный ряд Ryzen 3000

Начало продаж процессоров Ryzen 3000, обозначаемых также кодовым именем Matisse, запланировано на 7 июля. В этот день на прилавках появятся пять новых Ryzen третьего поколения с числом ядер от шести до двенадцати. Также AMD запланировала и выпуск шестнадцатиядерного флагманского Ryzen 3 3950X, но этот процессор увидит свет только в сентябре. Но это всё равно можно воспринимать как грандиозную атаку на позиции Intel, которая в настоящее время может предложить в массовом сегменте лишь процессоры с восемью ядрами.

В конечном итоге семейство Ryzen 3000 усилит позиции AMD по всем направлениям. Эти процессоры будут быстрее предшественников за счёт улучшений в микроархитектуре, они будут работать на более высоких частотах и кроме того получат увеличенное число вычислительных ядер. Кажется, что всё это в сумме сможет совершить настоящий переворот на рынке массовых процессоров. И реальность такого сценария подкрепляется ещё одним немаловажным фактором – теми ценами, которые AMD назначила своим новинкам.

Стоит особо подчеркнуть, что AMD решила не предлагать пользователям десктопов процессоры с микроархитектурой Zen 2, имеющие менее шести ядер. Самый младший представитель семейства Matisse относится к классу Ryzen 5.

Но в то же время в дополнение к носителям микроархитектуры Zen 2 компания AMD намеревается также выпустить два новых гибридных процессора Picasso (Ryzen 5 3400G и Ryzen 3 3200G), которые будут обладать четырьмя вычислительными ядрами и графическим ядром Vega. Несмотря на то, что формально такие процессоры тоже относятся к серии Ryzen 3000, в их основе будет лежать предыдущая микроархитектура Zen+, и производиться они будут по старой 12-нм технологии.

⇡#AMD подружилась с Microsoft: необходимые патчи уже есть

Немало упрёков в свой адрес компании AMD приходится выслушивать из-за того, что анонсы её процессоров обычно получаются недостаточно хорошо подготовленными в смысле поддержки программной экосистемой. Наиболее серьёзные неудобства такого рода возникают из-за того, что ядро операционной системы Windows, как правило, оказывается плохо знакомым с особенностями топологии продуктов AMD. В результате, новинки на первых порах демонстрируют заниженную производительность, и по предыдущему опыту такая ситуация может продолжаться достаточно долго, пока Microsoft или сама AMD не подготовит необходимые патчи. Так было и с Bulldozer, и с первыми Zen, и с Threadripper, а потому чего-то подобного можно было бы ожидать и в случае с процессорами на микроархитектуре Zen 2.

Однако на этот раз AMD уверяет, что позаботилась о правильной работе самой распространённой операционной системы с процессорами Ryzen 3000 ещё до их появления в продаже. Последнее обновление Windows 10 May 2019 Update, которое компания Microsoft распространяет с 22 мая, уже содержит исправления в планировщике задач, направленные на оптимизацию производительности Ryzen 3000. В первую очередь речь идёт о том, что при распределении потоков по ядрам Ryzen операционная система может различать их принадлежность разным CCX и разным CCD-чиплетам. В обновлённой версии ОС планировщик в первую очередь отдаёт предпочтение загрузке работой ядер, относящихся к одному CCX-модулю. Ядра же, принадлежащие к следующему CCX, задействуются только тогда, когда все четыре ядра предшествующего CCX уже заняты работой.

Данная стратегия должна разгрузить шину Infinity Fabric и уменьшить задержки в том случае, если несколько потоков пользуется ограниченным количеством ядер, но при этом активно взаимодействует друг с другом или с кеш-памятью третьего уровня. Например, такая ситуация часто возникает в игровых приложениях. И по оценкам AMD, реализованная группировка потоков по CCX сможет дополнительно увеличить игровую производительность на величину до 15 %.

Кроме того, в новой версии Windows 10 реализован и более быстрый механизм управления частотой процессора при включении турбо-режима или при выходе из энергосберегающих состояний. Новый механизм Collaborative Processor Performance Control (CPPC2) позволяет на порядок ускорить динамическое переключение частоты, подобно тому как работает технология Intel Speed Shift. Эффект от этого нововведения будет хорошо заметен в случае неравномерных нагрузок. Так, согласно оценкам AMD, включение CPPC2 увеличивает показатель в PCMark 10 примерно на 6 %.

Стоит отметить, что технология CPPC2 – это механизм, применимый исключительно к новым процессорам с микроархитектурой Zen 2. А вот результат оптимизации работы планировщика ОС смогут ощутить на себе в том числе и обладатели систем, построенных на процессорах Ryzen прошлых поколений. Требуется лишь обновить Windows и драйвер чипсета.

⇡#Zen 2 (почти) полностью без уязвимостей

Немаловажной особенностью микроархитектуры Zen 2 является её безопасность. Выявленные в прошлом году процессорные уязвимости Meltdown, Spectre и проч. нанесли серьёзный урон всей отрасли. Но к счастью для AMD, микроархитектура Zen/Zen+, в которой дополнительные проверки на уровне буферов TLB были заложены изначально, оказалась подвержена выявленным уязвимостям в минимальной степени. Тем не менее, в проекте Zen 2 на уровне микроархитектуры были внесены дополнительные исправления, которые гарантируют защиту процессоров от тех разновидностей атак класса Spectre, которые всё-таки затрагивали предыдущие процессоры AMD.

Микроархитектурные изменения позволят процессорам Ryzen 3000 более успешно противостоять уязвимостям Spectre и Speculative Store Bypass, однако это всё-таки не полностью аппаратные патчи, поскольку для их функционирования всё ещё нужна поддержка со стороны операционной системы. Тем не менее, AMD подчёркивает, что программные заплатки для Ryzen 3000, в отличие от исправлений для систем, построенных на процессорах Intel, никак не сказываются на производительности.

Здесь же будет уместным напомнить, что недавно выявленные процессорные уязвимости Foreshadow и Zombieload микроархитектуру Zen 2 (как и Zen/Zen+) вообще не затрагивают.

⇡#Выводы

В этой статье мы обсудили ключевые особенности микроархитектуры Zen 2, которые заставляют нас ждать выхода процессоров Ryzen 3000 с особым нетерпением. Мы всё ещё не располагаем результатами независимых тестов, но то, что AMD обещает «на бумаге», выглядит очень волнующе. В новом поколении микроархитектуры AMD поработала над устранением основных узких мест, присущих Zen/Zen+, а кроме того, усилила и традиционные сильные стороны. Вышло так, что, внеся относительно небольшой набор изменений, AMD смогла добиться внушительного, 15-процентного прироста в удельной производительности, что кажется настоящим чудом на фоне того, с какой скоростью внедряет микроархитектурные изменения в своих процессорах компания Intel.

Подумать только, за последние два года и два поколения дизайна – Zen+ и Zen 2 – AMD смогла усилить удельное быстродействие своих процессоров на целых 20 %. В дополнение к этому их частота выросла на 12 %, а число вычислительных ядер увеличилось вдвое. И всё это, между прочим, случилось сразу же после ещё одного внушительного полуторакратного скачка в производительности, который произошёл при переходе от Bulldozer к Zen.

Но всё же о том, что Zen 2 – это окончательная и бесповоротная победа AMD, говорить пока рано. С точки зрения многопоточной производительности процессоры AMD успешно противостояли предложениям Intel и раньше. Поэтому у нас нет никаких сомнений, что старшие процессоры серии Ryzen 3000, и в особенности модели с 12 и 16 вычислительными ядрами, заметно превзойдут по производительности в ресурсоёмких приложениях массовые решения конкурента, которые в настоящее время и в ближайшей перспективе смогут предложить не более восьми вычислительных ядер.

Однако главная интрига остаётся в том, сумеет ли Ryzen 3000 в конечном итоге победить Coffee Lake Refresh в играх, поскольку с этим аспектом производительности у прошлых процессоров AMD всё было далеко не радужно. В Zen 2 обещано много улучшений, которые должны увеличить однопоточную производительность и сделать Ryzen 3000 более привлекательными для геймеров, но и Intel не сидит сложа руки, а готовит раскочегаренную до 5 ГГц версию своего флагманского восьмиядерного процессора Core i9-9900KS. Впрочем, это не мешает представителям AMD демонстрировать безудержный оптимизм и высказываться в духе «вряд ли есть какая-то причина, по которой люди захотят покупать процессор Intel после того, как мы запустим модельный ряд Ryzen 3000». (Это – дословное высказывание Трэвиса Кирша (Travis Kirsch), директора по менеджменту клиентских продуктов AMD).

Ждать ответа на все вопросы остаётся совсем немного. Подробные тесты представителей модельного ряда Ryzen 3000 будут опубликованы на нашем сайте 7 июля – всего через две с половиной недели.