Zen (мікроархітектура)

Zen — кодова назва процесорної мікроархітектури фірми AMD, яка була представлена у лінійці процесорів Ryzen у лютому 2017.^[1] Вперше система на архітектурі Zen була продемонстрована на E3 2016, а перші істотні деталі опубліковані на заході, що відбувся в сусідньому кварталі біля Intel Developer Forum 2016. Перші процесори на базі Zen з кодовою назвою «Summit Ridge» вийшли на ринок на початку березня 2017, серверні процесори Epyc випущені у червні 2017^[2], AMD APU з'явилися у листопаді 2017.^[3]

Zen (мікроархітектура)

Розробник:	Advanced Micro Devices

Спрощена ілюстрація мікроархітектури Zen: ядро має 512 КБ кешу L2.

Мікроархітектура Zen є розробкою з чистого аркуша і відрізняється від попередньої мікроахітектури Bulldozer. Процесори на Zen використовують процес 14 nm FinFET, є енерго-ефективнішими та можуть виконувати істотно більше інструкцій за цикл. Представлений режим SMT, який дозволяє кожному ядру виконувати два потоки. Перероблено кешування, L1 кеш став write-back. Процесори Zen використовують три різні сокети: десктопні і мобільні чипи Ryzen використовують сокет AM4 із двоканальною пам'яттю DDR4 і 24 лініями PCIe 3.0; чипи для робочих станцій Threadripper використовують сокет TR4 і підтримують чотириканальний доступ до пам'яті DDR4 і 64 лінії PCIe 3.0;^[4][5] і серверні процесори Epyc використовують сокет SP3 із 128 лініями PCIe 3.0 і восьмиканальною пам'яттю DDR4.

Zen мають дизайн SoC.^[6] Контролери пам'яті, PCIe, SATA і USB розташовані на одному чипі з процесорними ядрами. Це дає переваги у пропускній здатності і енергоспоживанні за рахунок складності і площі чипу.^[7] Дизайн системи на чипі дозволяє мікроархітектурі Zen масштабуватися від ноутбуків і міні-ПК до робочих станцій і серверів.

Дизайн

Згідно AMD, головний фокус Zen був на збільшенні швидкодії ядра.^[8][9][10] Нові та покращені особливості включають^[11]:

• Кеш L1 змінений із write-through на write-back, дозволяючи нижчу латентність та вищу пропускну здатність.
• SMT (simultaneous multithreading) дозволяє два потоки на ядро. Раніше ця можливість була у деяких процесорів IBM, Intel і Oracle.^[12]
• Фундаментальною «будівельним блоком» всіх базованих на Zen процесорів є Core Complex (CCX), який складається із чотирьох ядер та їхніх кешів. Процесори, що мають більше чотирьох ядер складаються із декількох CCX поєднаних шиною Infinity Fabric.^[13]
• Чотири арифметико-логічних пристрої, два блоки генерації адреси/модулі load–store і два модулі рухомої коми на ядро.^[14]
• Новий «великий» кеш мікро-операцій.^[15]
• Кожне SMT ядро може виконувати до шести мікро-операцій за цикл (комбінацію із 6 цілочислових мікро-операцій і 4 мікро-операцій із рухомою комою за цикл).^[16][17]
• Майже удвічі вища пропускна здатність кешів L1 і L2, та уп'ятеро вища пропускна здатність кешу L3.
• Clock gating.
• Збільшені черги retire, load і store.
• Покращено передбачення переходів із використанням хешованого перцептрону подібного до мікроархітектури Bobcat.^[18][19]
• Виділений stack engine для керування вказівником стеку, подібний до реалізованих у процесорах Intel Haswell і Broadwell.^[20]
• Уникання пересування, метод, що зменшує фізичне пересування даних для зменшення споживання енергії.
• Підтримка RDSEED, набору апаратних інструкцій для генераторування випадкових чисел представлених у Intel Broadwell.^[21]
• Підтримка інструкцій SMAP, SMEP, XSAVEC/XSAVES/XRSTORS, XSAVES, CLFLUSHOPT і CLZERO.^[21]
• Підтримка AVX2.
• Підтримка ADX.
• Підтримка SHA.
• Об'єднання пам'яті PTE (page table entry), яке поєднує 4 kiB таблиці сторінок у 32 kiB сторінки.
• «Pure Power» (точніші сенсори відстеження енергоспоживання).^[22]
• Smart Prefetch.
• Precision Boost.
• eXtended Frequency Range (XFR).^[23]

Процесори архітектури Zen випускаються на потужностях GlobalFoundries на 14-нанометровому^[en] процесі FinFET,^[24] ефективнішому за процеси 32 nm і 28 nm попередніх процесорів AMD FX і AMD APU.^[25] Сімейство процесорів Zen «Summit Ridge» на сокеті AM4 мають 95 W TDP (thermal design power).^[25] Мобільні продукти з двома ядрами Zen cores мають 5 — 15 W і 15 — 35 W у мобільних продуктах і чотирма ядрами Zen.^[26]

Кожне ядро Zen може декодувати чотири інструкції за цикл і містить кеш мікро-операцій який надає мікро-операції для двох планувальників, по одному для цілочислових та операцій із рухомою комою.^[27][28] Кожне ядро має два модулі генерування адрес, чотири цілочислових модулі і чотири модулі з рухомою комою. Два модулі з рухомою комою є суматорами і два виконують множення та додавання. Однак використання операцій множення-додавання може завадити одночасному виконанню додавання у одному з модулів додавання.^[29] Є поліпшення у модулі передбачення переходів. Розмір кешу L1 — 64 KiB на ядро для інструкцій і 32 KiB на ядро для даних. Кеш L2 має 512 KiB на ядро, і L3 має 1–2 MB на ядро. Кеші L3 уп'ятеро ширші за попередні архітектури від AMD.

Історія і розробка

AMD почало планувати мікроархітектуру Zen невдовзі після найму Джима Келлера у серпні 2012 року.^[30] AMD вперше представило Zen у 2015 році.

Командою відповідальною за Zen керував Келлер (який звільнився у вересні 2015 року після трьох років роботи)^[31] і Майкл Кларк.^[32][33][34]

Спочатку Zen планувався на 2017 рік після випуску сестринського базованого на ARM64 ядра K12, але на AMD Financial Analyst Day у 2015 році оголошено, що K12 відкладений на користь розробки Zen, аби встигнути випустити перші засновані на Zen процесори у жовтні 2016.^[35]

У листопаді 2015 джерело у AMD повідомило, що процесори Zen протестовані і «відповідають всім очікуванням» і «не мають суттєвих вузьких місць».^[36]