Подробнее об особенностях микроархитектуры AMD Zen. Процессор AMD Ryzen: чем опасен самый достойный конкурент Intel

Месяц назад компания Advanced Micro Devices (AMD) устроила предпоказ процессоров Ryzen на микроархитектуре Zen, работа над которой велась в течение нескольких лет. Американский чипмейкер раскрыл тактовые частоты, уровень энергопотребления и другую техническую информацию, но самые интересные детали придержал до выставки CES 2017, недавно прошедшей в Лас-Вегасе. Что известно о "дзен-чипах" к этому моменту и почему в AMD уверены, что смогут изменить расстановку сил на рынке компьютерных процессоров?.

Что такое AMD Zen

Zen — это главная разработка AMD с момента релиза "камней" на микроархитектуре Bulldozer в 2011 году, призванная пошатнуть позиции заклятого конкурента, Intel. К ее особенностям относятся 14-нанометровая технология производства, два вычислительных потока на ядро, 8 МБ общей кэш-памяти третьего уровня и самообучаемые блоки инструкций. Новые микросхемы, которые будут продаваться под торговой маркой Ryzen, предназначены для материнских плат с сокетом AM4. Их выпуск намечен на I-й квартал 2017 года.

Самая производительная, 8-ядерная версия Ryzen работает на тактовой частоте от 3,4 ГГц, имеет суммарно 20 МБ кэш-памяти (4 МБ L2 и 16 МБ L3) и способна выполнять до 16 потоков команд. При этом показатель TDP, который отражает стандартное тепловыделение при работе на полной мощности, не превышает 95 ватт.

Геймерский ПК на Ryzen от Cybertron

Что умеет и сколько стоит Ryzen от AMD

Во время онлайн-презентации New Horizon в декабре AMD сопоставила работу самого мощного представителя Ryzen-линейки с 8-ядерным Intel Core i7-6900K (3,2 ГГц), у которого TDP находится на уровне 140 Вт. Производительность обоих процессоров замерялась в игре Battlefield 1 при разрешении 4K на максимальных настройках и в связке с одинаковой графикой Nvidia. Как оказалось, разработка AMD не только выделяет меньше тепла, но и не уступает конкуренту в быстродействии.

Более того, чипы Ryzen, скорее всего, будут стоить намного дешевле. Если верить слухам, AMD будет проводить очень агрессивную ценовую политику. Самый производительный "дзен-чип" с 8 ядрами будет продаваться за $500, его более медленная версия — за $350. "Камни" из 6-ядерной линейки SR5 обойдутся в $250, а 4-ядерные SR3 — в $150. Для сравнения, Intel оценивает 4-ядерный чип Core i7-6700K в $340, а самый дешевый "шестиядерник" — в $380.

AMD Ryzen: дата выхода, где купить

В январе AMD поделилась массой интересных подробностей о Ryzen. Во-первых, компания анонсировала релиз в I-м квартале года 16 материнских плат (производства Asus, Biostar, Gigabyte, MSI и других) с унифицированным сокетом AM4, а также почти два десятка укомплектованных Ryzen компьютеров, которые можно будет купить сразу в день выхода новых чипов. ПК, сказали представители AMD, отличаются "высочайшей производительностью". Распространять процессоры на территории России будут партнеры AMD: Asbis, Elko, Marvel и Oldi.

Материнские платы MSI X370 и B350M

По словам представителя AMD Джима Прайора, компания намерена поддерживать платформу AM4 как минимум до 2020 года, по мере совершенствования архитектуры Zen. Это значит, что последующие Ryzen-чипы будут совместимы со всеми "материнками", вышедшими в 2017-м. Проапгрейдить плату придется только тогда, когда обороты наберет оперативная память типа DDR5 и другие технологии будущего.

Официально AMD показывала на публике только одну, самую навороченную версию Ryzen с 8 ядрами, и сравнивала ее с флагманами Intel. На CES 2017 чипмейкер заверил, что в январе-марте выйдет не только она, но и другие модификации процессора для любых нужд, вплоть до базовых моделей с двумя ядрами и 1 МБ кэш-памяти. При этом любая из них, сказал Прайор, поддается "разгону". Правда, с оговоркой: повысить можно будет тактовую частоту любого чипсета, оснащенного сокетом AM4, начиная с X370 и X300 топового класса и заканчивая бюджетным B350. Но у владельцев чипсетов серии А выполнить эту процедуру не получится.

Кулер NH D15 от Noctua, совместимый с AM4

Помимо этого, AMD опровергла широко распространившееся мнение, что Ryzen и AM4 потребуют обязательного апгрейда системы охлаждения. Новый процессорный разъем AM4 (µOPGA) обладает 1331 контактом — это почти на 100 больше, чем у сокета AM3+. Несмотря на увеличение числа штырьков, к "материнке" можно будет подключить любой кулер, держащийся на клипсе. В замене, подчеркнул Прайор, нуждаются только кулеры с винтовым креплением.

AMD не в первый раз заявляет о превосходстве Ryzen над чипами Intel. В конце прошлого года компания сравнила собственную разработку с самым быстрым процессором конкурента — Broadwell-E Core i7-6900K, который продается за $1100. 8-ядерный процессор Intel, транскодируя видео в программе Handbrake, справился с задачей за 59 секунд, а "камень" AMD — за 54 сек., или на 10% быстрее. При этом Broadwell-E работал на тактовой частоте 3,7 ГГц, тогда как Ryzen, выделяющий на треть меньше тепла, — на 3,4 ГГц.

AMD Ryzen: что говорят скептики

Впрочем, критики сочли преимущество Ryzen над Intel Kaby Lake пока недоказанным. Непонятно, например, почему для измерения производительности была выбрана именно эта программа, и все ли ядра чипа Intel достигли пика под нагрузкой. Также скептики говорят, что старший чипсет AMD X370 имеет восемь линий для шины PCIe 2-поколения, что оставляет процессору Ryzen лишь 32 линии (намного меньше, чем Broadwell-E).

Кроме того, к AM4 можно будет подключить флагманские видеокарты GeForce GTX 1080 и 1070 только по 2-канальному режиму SLI, но не более быстрому 4-канальному. В любом случае, судить о превосходстве "дзен-чипов" AMD над процессорами Intel можно будет только после релиза новинок и по итогам независимых тестов, ожидающихся этой весной.

1. Увеличение количества команд за тактовый цикл для архитектуры «Zen» в сравнении с архитектурой «Piledriver» составляет +52% с оценочным результатом SPECint_base2006 скомпилированным с GCC 4.6 –O2 при фиксированной частоте 3,4 ГГц. Увеличение количества команд за тактовый цикл для архитектуры «Zen» в сравнении с архитектурой «Piledriver» составляет +64% по измерениям Cinebench R15 1T и также +64% с оценочным результатом SPECint_base2006 скомпилированным с GCC 4.6 –O2 при фиксированной частоте 3,4 ГГц. Конфигурации системы: Базовая материнская плата (или материнские платы) AMD, видеокарта AMD Radeon™ R9 290X, 8 ГБ памяти DDR4-2667 («Zen»)/8 ГБ памяти DDR3-2133 («Excavator»)/8 ГБ памяти DDR3-1866 («Piledriver»), ОС Ubuntu Linux 16.x (оценка SPECint_base2006) и Windows® 10 x64 RS1 (Cinebench R15). Оценки SPECint_base2006: «Zen» против «Piledriver» (31,5 против 20,7 | +52%), «Zen» против «Excavator» (31,5 против 19,2 | +64%). Результаты Cinebench R15 1t: «Zen» против «Piledriver» (139 против 79; оба при 3,4 ГГц | +76%), «Zen» против «Excavator» (160 против 97,5; оба при 4,0 ГГц | +64%). GD-108
2. Тестирование проводилось 2 марта 2018 г. в лабораториях AMD по испытанию производительности с использованием указанной ниже системы. Производители ПК могут вносить в конфигурации ПК изменения, из-за чего результаты могут отличаться. Результаты могут отличаться в зависимости от используемых версий драйвера. Конфигурация системы с процессором AMD Ryzen 2-го поколения: процессор AMD Ryzen 7 2700X, эталонная материнская плата Turpan, двухканальная оперативная память DDR3-3200 объемом 16 ГБ, видеокарта GeForce GTX 1080 Ti, графический драйвер 390.77, твердотельный накопитель Samsung 850 PRO объемом 512 ГБ, ОС Windows 10 RS3. Конфигурация системы с процессором AMD Ryzen: процессоры AMD Ryzen 7 1700X, AMD Ryzen 1700, AMD Ryzen 5 1600X, AMD Ryzen 5 1600, материнская плата X370 Xpower Gaming Titanium, двухканальная оперативная память DDR3-3200 объемом 16 ГБ, видеокарта GeForce GTX 1080 Ti, графический драйвер 390.77, твердотельный накопитель Samsung 850 PRO объемом 512 ГБ, ОС Windows 10 RS3. Данные о производительности многозадачности получены с помощью теста Cinebench R15 nT. Результаты процессоров в тесте производительности: AMD Ryzen 7 2700X - 1837 баллов; AMD Ryzen 7 2700 - 1577 баллов; AMD Ryzen 5 2600X - 1373 балла; AMD Ryzen 5 2600 - 1311 баллов; AMD Ryzen 7 1800X - 1628 баллов; AMD Ryzen 7 1700 - 1411 баллов; AMD Ryzen 5 1600X - 1250 баллов; AMD Ryzen 5 1600 - 1153 балла. Процессор Ryzen 7 2700X набрал 1837 баллов (1837/1628: увеличение скорости до 13 % по сравнению с процессором Ryzen 7 1800X). Процессор Ryzen 7 2700 набрал 1577 баллов (1577/1411: увеличение скорости до 12 % по сравнению с процессором Ryzen 7 1700). Процессор Ryzen 5 2600X набрал 1373 балла (1373/1250: увеличение скорости до 10 % по сравнению с процессором Ryzen 5 1600X). Процессор Ryzen 5 2600 набрал 1311 баллов (1311/1153: увеличение скорости до 14 % по сравнению с процессором Ryzen 5 1600). RZ2-3
3. Результаты получены 22 марта 2018 г. в лабораториях AMD по испытанию производительности с использованием теста Cinebench R15 nT при фиксированной частоте 3,725 ГГц. Оценка AMD Ryzen™ 7 1800X (базовый уровень): 151,98. Оценка AMD Ryzen™ 7 2700X: 156,09 (+2,7 %). Конфигурация системы: эталонная материнская плата AMD, процессор AMD Ryzen™ 7 2700X, 2 модуля оперативной памяти DDR4-3200 объемом 8 ГБ (16-16-16-36), твердотельный накопитель Samsung 850 Pro, видеокарта GeForce GTX 1080 (графический драйвер 390.77), ОС Windows® 10 Pro RS3. Результаты могут отличаться в зависимости от конфигурации системы и версии драйвера. RZ2-17
4. Не все продукты AMD Ryzen™ или Raven Ridge поддерживают функцию одновременной многопоточности (SMT).

Новая процессорная архитектура Zen компании AMD имеет множество отличий от предыдущей архитектуры. О некоторых особенностях процессоров Zen мы уже писали, но изменения коснулись большинства составляющих процессоров, и в этом материале мы достаточно подробно разберём некоторые "тонкости" новой архитектуры, основываясь на материале, подготовленном нашими коллегами из AnandTech .

Значительным отличием от предыдущих архитектур стало появление кэш микроопераций (micro-op cache). Архитектура Bulldozer не предусматривала данный кэш, вместо чего детали для реализации часто используемых микроопераций извлекались из других кэшей. Intel использует подобную кэш-память уже на протяжении нескольких поколений процессоров, и появление этого кэша в процессорах AMD сулит им лишь увеличение скорости работы. К сожалению, объём кэша микроопераций пока что не уточняется, но говорится что он "большой".

Нажмите для увеличения

AMD не стала распространяться о механизмах работы декодера, уточнив лишь, что процессоры Zen получат "усовершенствование прогнозирования ветвлений" (branch prediction), а также что сами процессоры смогут декодировать четыре инструкции за такт, загружая их из очереди операций. Эта очередь с помощью кэша микроопераций, сможет загружать в планировщик 6 операций за цикл. Возможна будет загрузка и большего числа операций за цикл, если декодер сможет подать команду, которая потом разделится на две микрокоманды. Очередь микроопераций сможет подавать отдельно операции с целыми числами (INT) и с числами с плавающей запятой (FP). То есть AMD будет использовать отдельные планировщики, тогда как Intel использует общий INT/FP планировщик.

Целочисленная часть (INT) отвечает за работу с операциями в арифметико-логических устройствах (ALU), а также с инструкциями загрузки и сохранения в блоках генерации адреса (AGU). AGU сможет выполнять две загрузки по 16 Байт и одно сохранение на 16 Байт за цикл, используя 32 Кбайт 8-канального множественно-ассоциативного кэша перового уровня (L1) с обратной записью. Процессоры предыдущего поколения использовали кэш со сквозной записью, который являлся причиной значительных задержек при обработке частей кода. Также AMD утверждает, что операции загрузки/сохранения будут иметь значительно меньшее время ожидания в пределах кэшей, по сравнению с предшественниками.

FP-часть включает по два умножителя (MUL) и сумматора (ADD), которые обеспечат одновременную обработку двух команд умножения-сложения с однократным округлением (FMAC), и одной 256-битной AVX-команды за цикл. Сочетание частей INT и FP указывает, что AMD создала в Zen "большие" ядра и будет использовать много параллельных вычислений на уровне команд. Насколько хорошо это всё покажет себя на практике, зависит от кэша и буферов восстановления последовательности, ибо по буферам пока что нет точных данных.

Устройство кэш-памяти также претерпело изменения в архитектуре Zen. Объём и ассоциативность кэша данных первого уровня (L1-D) по сравнению с архитектурой Bulldozer были удвоены. Кэш инструкций первого уровня (L1-I) в новой архитектуре не разделён между двумя ядрами, и у него удвоена ассоциативность, что снижает количество промахов. Также AMD заявляет, что были уменьшены задержки и у кэша L1-D, и у L1-I.

На каждое ядро приходится по 512 Кбайт кэша второго уровня (L2) и он имеет 8-канальную (8-way) ассоциативность, что вдвое больше по сравнению с процессорами Intel Skylake (256 Кбайт/ядро и 4 канала). Что касается кэш-памяти третьего уровня (L3), то здесь возникла некоторая неопределённость. На слайде чётко указано, что объём кэша L3 равен 8 Мбайт, но не уточняется, на сколько ядер рассчитан этот кэш. По неофициальным данным 8-ядерные процессоры Zen получат по два набора кэша L3 по 8 Мбайт, предназначенные для каждой четвёрки ядер. То есть на одно ядро будет приходиться 2 Мбайт 16-канального L3-кэша, но в процессоре фактически не будет общего LLC-кэша, как это реализовано у Intel. Потенциально это может повысить производительность отдельного потока, но не приведёт ли это к снижению многопоточной производительности. Отметим, что AMD обещает пятикратный рост пропускной способности кэшей по сравнению с предыдущими архитектурами.

Также в новой архитектуре AMD плотно занялась вопросом энергопотребления. Сообщается, что в первую очередь достаточно низкое энергопотребление у процессоров Zen обеспечит использования 14-нм техпроцесса FinFET. Кроме того, для уменьшения энергопотребления и улучшения эффективности работы использованы некоторые методы и технологии (доработанные и улучшенные), зарекомендовавшие в процессорах Carrizo и Bristol Ridge для ноутбуков.

Нажмите для увеличения

Разработчики AMD отмечают, что снижению энергопотребления способствует агрессивный Clock gating (запрет подачи тактовых сигналов на неиспользуемые части процессора), кэш перового уровня с обратной записью, использование "большого" объёма кэша микроопераций и другие новшества архитектуры.

Каждое ядро процессора Zen, как давно известно, будет поддерживать два потока или одновременную многопоточность (Simultaneous multithreading или SMT). Главная сложность в реализации данной технологии заключается в том, что потоки не должны блокировать друг друга, загружая весь кэш и буферы. Именно здесь и пригодится собственный для каждого ядра кэш L2, разделение блоков INT и FP, и другие особенности позволят разделить нагрузку равномерно, не создавая конфликта между потоками.

Компания AMD на специальном мероприятии перед CES 2018 выпустила новые мобильные процессоры и анонсировала настольные чипы со встроенной графикой. А Radeon Technologies Group, структурное подразделение AMD, - анонсировала мобильные дискретные графические чипы Vega. Компания также раскрыла планы по переходу на новые техпроцессы и перспективные архитектуры: графическую Radeon Navi и процессорные Zen+, Zen 2 и Zen 3.

Новые процессоры, чипсет и охлаждение

Первые настольные Ryzen с графикой Vega

Сразу две модели настольных Ryzen со встроенной графикой Vega появятся в продаже 12 февраля 2018 года. Модель 2200G относится к процессорам начального сегмента Ryzen 3, а 2400G - к среднему сегменту Ryzen 5. Обе модели динамически повышают частоту на 200 и 300 МГц с базовых частот в 3,5 ГГц и 3,6 ГГц соответственно. Фактически они сменяют ультра-бюджетные модели Ryzen 3 1200 и 1400.

Блоков графики у 2200G всего 8 штук, в то время как у 2400G - на 3 больше. Частота графических ядер 2200G достигает 1 100 МГц, а 2400G - больше на 150 МГц. Каждый графический блок заключает в себе 64 шейдера.

Ядра обоих процессоров носят носят такое же кодовое имя, что и мобильные процессоры со встроенной графикой - Raven Ridge (букв. Воронья гора, горная порода в Колорадо). Но тем не менее, они подключаются в такое же LGA гнездо AMD AM4, как и все остальные процессоры Ryzen 3, 5 и 7.

Справка: Иногда AMD называет процессоры со встроенной графикой не CPU (Central Processing Unit, англ. Центральное процессорное устройство), а APU (Accelerated Processor Unit, англ. Ускоренное процессорное устройство, иначе говоря, процессор с видеоускорителем).
Настольные процессоры AMD со встроенной графикой маркируются буквой G на конце, по первой букве слова graphics (англ. графика). Мобильные процессоры и AMD и Intel маркируют буквой U на конце, по первой букве слов ultrathin (англ. ультратонкий) или ultra-low power (англ. сверхнизкое энергопотребление) соответственно.
При этом не стоит думать, что если номера моделей новых Ryzen начинаются на цифру 2, то архитектура их ядер относятся ко второму поколению микроархитектуры Zen. Это не так - эти процессоры ещё в первом поколении.

Новые мобильные Ryzen с графикой Vega

В прошлом году AMD уже вывела на рынок первые мобильные Ryzen под кодовым именем Raven Ridge. Всё мобильное семейство Ryzen предназначено для игровых ноутбуков, ультрабуков и гибридных планшетов-ноутбуков. Но таких моделей было всего две, по штуке в среднем и старшем сегментах: Ryzen 5 2500U и Ryzen 7 2700U. Младший сегмент пустовал, но прямо на CES 2018 компания это исправила - к мобильному семейству прибавились сразу две модели: Ryzen 3 2200U и Ryzen 3 2300U.

Вице-президент AMD Джим Андерсон демонстрирует мобильное семейство Ryzen

Процессор 2200U - первый двухъядерный ЦП из всех Ryzen, в то время как 2300U - стандартно четырёхъядерный, однако, оба они работают в четырёх потоках. При этом базовая частота у ядер 2200U - 2,5 ГГц, а у 2300U пониже - 2 ГГц. Но при возрастающих нагрузках частота обеих моделей поднимется до одного показателя - 3,4 ГГц. Впрочем, потолок мощности могут понизить производители ноутбуков, ведь им надо ещё и рассчитывать затраты энергии и продумывать систему охлаждения. Также между чипами есть разница в объёме кэша: у 2200U всего два ядра, а потому в два раза меньше кэша 1 и 2 уровней.

Графических блоков у 2200U всего 3 штуки, а вот у 2300U - в два раза больше, также как и процессорных ядер. Но разница в графических частотах не столь существенна: 1 000 МГц против 1 100 МГц.

Первые мобильные Ryzen PRO

На второй квартал 2018 года AMD запланировала выпуск мобильных версий Ryzen PRO, процессоров корпоративного уровня. Характеристики мобильных PRO идентичны потребительским версиям, за исключением Ryzen 3 2200U, который вообще не получил PRO-реализации. Отличия настольных и мобильных Ryzen PRO - в дополнительных аппаратных технологиях.

Процессоры Ryzen PRO - полные копии обычных Ryzen, но с дополнительными функциями

Например, для обеспечения безопасности используется TSME, аппаратное шифрование оперативной памяти «на лету» (у Intel есть только программное ресурсоёмкое шифрование SME). А для централизованного управления парком машин доступен открытый стандарт DASH (Desktop and mobile Architecture for System Hardware, англ. мобильная и настольная архитектура для системных устройств) - поддержка его протоколов встроена в процессор.

Ноутбуки, ультрабуки и гибридные планшеты-ноутбуки с Ryzen PRO в первую очередь должны заинтересовать компании и госучреждения, которые планируют закупить их для сотрудников.

Новые чипсеты AMD 400-ой серии

Второму поколению Ryzen полагается второе поколение системной логики: 300-ую серию чипсетов сменяет 400-ая. Флагманом серии ожидаемо стал AMD X470, а позже выйдут более простые и дешёвые наборы схем, такие как B450. Новая логика улучшила всё, что касается оперативной памяти: снизила задержку доступа, подняла верхний предел частоты и добавила запас для разгона. Также в 400-ой серии выросла пропускная способность USB и улучшилось энергопотребление процессора, а вместе с тем - и его тепловыделение.

А вот процессорное гнездо не поменялось. Настольное гнездо AMD AM4 (и его мобильный несъёмный вариант AMD FP5) - особое преимущество компании. Во втором поколении такой же разъём, как и в первом. Не сменится он и в третьем и пятом поколениях. AMD пообещала в принципе не менять AM4 до 2020 года. А чтобы матплаты 300-ой серии (X370, B350, A320, X300 и A300) заработали с новыми Ryzen - достаточно лишь обновить BIOS. Причём помимо прямой совместимости, есть и обратная: старые процессоры будут работать на новых платах.

Gigabyte на CES 2018 уже даже показала прототип первой матплаты на новом чипсете - X470 Aorus Gaming 7 WiFi. Эта и другие платы на X470 и младших чипсетах появятся в апреле 2018 года, одновременно со вторым поколением Ryzen на архитектуре Zen+.

Новая система охлаждения

Компания AMD также представила новый кулер AMD Wraith Prism (англ. призма гнева). В то время как его предшественник Wraith Max подсвечивался одноцветным красным цветом, Wraith Prism оснащён управляемой с матплаты RGB-подсветкой по периметру вентилятора. Лопасти кулера кулера выполнены из прозрачного пластика и также подсвечиваются миллионами оттенков. Любители RGB-подсветки оценят, а ненавистники смогут её просто отключить, хотя в таком случае нивелируется смысл покупки этой модели.

Wraith Prism - полная копия Wraith Max, но с подсветкой из миллионов цветов

Остальные характеристики идентичны Wraith Max: теплотрубки прямого контакта, программные профили обдува в режиме разгона и практически бесшумная работа на 39 дБ при стандартных условиях.

Пока нет информации о том сколько Wraith Prism будет стоить, будет ли он поставляться в комплекте c процессорами и когда его можно будет купить.

Новые ноутбуки на Ryzen

Помимо мобильных процессоров, AMD также продвигает новые ноутбуки на их основе. В 2017 году на мобильных Ryzen вышли модели HP Envy x360, Lenovo Ideapad 720S и Acer Swift 3. В первом квартале 2018 к ним прибавятся серии Acer Nitro 5, Dell Inspiron 5000 и HP. Все они работают на прошлогодних мобильных Ryzen 7 2700U и Ryzen 5 2500U.

Семейство Acer Nitro представляет собой игровые машины. Линейка Nitro 5 оснащается IPS-дисплеями диагональю 15,6 дюймов и разрешением 1920 × 1080. А к некоторым моделям будет добавлен дискретный графический чип Radeon RX 560 c 16 графическими блоками внутри.

Линейка ноутбуков Dell Inspiron 5000 предлагает модели с диагональю дисплеев 15,6 и 17 дюймов, оснащённые или жёсткими дисками или твёрдотельными накопителями. Некоторые модели линейки также получат дискретную видеокарту Radeon 530 с 6 графическими блоками. Это достаточно странная конфигурация, ведь даже в интегрированной графике Ryzen 5 2500U больше графических блоков - 8 штук. Но преимущество дискретной карты может быть в более высоких тактовых частотах и отдельных чипах графической памяти (вместо секции памяти оперативной).

Снижение цен на все процессоры Ryzen

Планы до 2020 года: графика Navi, процессоры Zen 3

2017 год для AMD стал совершенно переломным. После многолетних проблем, AMD завершила разработку ядерной микроархитектуры Zen и выпустила первое поколение ЦП: семейство ПК-процессоров Ryzen, Ryzen PRO и Ryzen Threadripper, семейство мобильных Ryzen и Ryzen PRO, а также серверное семейство EPYC. В том же году группа Radeon разработала графическую архитектуру Vega: на её основе вышли видеокарты Vega 64 и Vega 56, а а концу года ядра Vega были интегрированы в мобильные процессоры Ryzen.

Доктор Лиза Су, генеральный директор AMD, уверяет, что компания выпустит процессоры на 7 нанометров раньше 2020 года

Новинки не только привлекли интерес фанатов, но и завладели вниманием обычных потребителей и энтузиастов. Intel и NVIDIA пришлось спешно парировать: Intel выпустила шестиядерные процессоры Coffee Lake, незапланированный второй «так» архитектуры Skylake, а NVIDIA расширила 10-ую серию видеокарт на архитектуре Pascal до 12 моделей.

Слухи о дальнейших планах AMD копились весь 2017 год. До сих пор Лиза Су, гендиректор AMD, лишь отмечала, что компания планирует превысить 7-8%-ую годовую норму прироста производительности в электронной индустрии. Наконец на выставке CES 2018 компания показала «дорожную карту» не просто до конца 2018 года, а вплоть до 2020. Основа этих планов - улучшение архитектур чипов через миниатюризацию транзисторов: поступательный переход с нынешних 14 нанометров на 12 и 7 нанометров.

12 нанометров: второе поколение Ryzen на Zen+

На техпроцессе 12 нанометров базируется микроархитектура Zen+, второе поколение бренда Ryzen. Фактически новая архитектура - это доработанный Zen. Норма технологического производства заводов GlobalFoundries переводится с 14-нанометровой 14LPP (Low Power Plus, англ. низкое энергопотребление плюс) на 12-нанометровую норму 12LP (Low Power, англ. низкое энергопотребление). Новый техпроцесс 12LP должен обеспечивать чипам 10% прирост производительности.

Справка: Сеть фабрик GlobalFoundries - это бывшие производственные мощности AMD, выделенные в 2009 в отдельную компанию и объединённые с другими подрядными производителями. По доле рынка контрактного производства GlobalFoundries делит второе место с UMC, значительно уступая TSMC. Разработчики чипов - компании AMD, Qualcomm и прочие - заказывают производство как в GlobalFoundries, так и на других фабриках.

Помимо нового техпроцесса, архитектура Zen+ и чипы на её основе получат улучшенные технологии AMD Precision Boost 2 (англ. точный разгон) и AMD XFR 2 (Extended Frequency Range 2, англ. расширенный диапазон частот). В мобильных процессорах Ryzen уже можно найти Precision Boost 2 и специальную модификацию XFR - Mobile Extended Frequency Range (mXFR).

Во втором поколении выйдет семейство ПК-процессоров Ryzen, Ryzen PRO и Ryzen Threadripper, но пока нет никаких сведений об обновлении поколений мобильного семейства Ryzen и Ryzen PRO, и серверного EPYC. Зато известно, что некоторые модели процессоров Ryzen с самого начала будут иметь две модификации: с интегрированной в чип графикой и без неё. Модели начального и среднего уровней Ryzen 3 и Ryzen 5 выйдут в обоих вариантах. А высокий уровень Ryzen 7 никакой графической модификации не получит. Скорее всего, за архитектурой ядер для именно этих процессоров закреплено кодовое имя Pinnacle Ridge (букв. острый геребень горы, одна из вершин хребта Уинд-Ривер в Вайоминге).

Второе поколение Ryzen 3, 5 и 7 начнёт продаваться в апреле 2018 года вместе с чипсетами 400 серии. А второе поколение Ryzen PRO и Ryzen Threadripper припозднится до второй половины 2018 года.

7 нанометров: третье поколение Ryzen на Zen 2, дискретная графика Vega, графическое ядро Navi

В 2018 группа Radeon выпустит дискретную графику Vega для ноутбуков, ультрабуков и планшетов-ноутбуков. В AMD не делятся особыми подробностями: известно, что дискретные чипы будут работать с компактной многослойной памятью типа HBM2 (в интегрированной графике используется оперативная память). Отдельно в Radeon подчёркивают, что высота чипов памяти составит всего 1,7 мм.

Руководитель Radeon показывает интегрированную и дискретную графику Vega

И в том же 2018 году Radeon переведёт графические чипы на архитектуре Vega с техпроцесса 14 нм LPP сразу на 7 нм LP, полностью перепрыгнув 12 нм. Но сперва новые графические блоки будут поставляться только для линейки Radeon Instinct. Это отдельное семейство серверных чипов Radeon для гетерогенных вычислений: машинного обучения и искусственного интеллекта - спрос на них обеспечен развитием беспилотных авто.

И уже в конце 2018 или начале 2019 года простые потребители дождутся продукции Radeon и AMD на 7-нанометровом техпроцессе: процессоров на архитектуре Zen 2 и графики на архитектуре Navi. Причём работы по проектированию Zen 2 уже завершены.

С чипами на Zen 2 уже знакомятся партнёры AMD, которые будут создавать под Ryzen третьего поколения материнские платы и прочие компоненты. Такие темпы AMD набирает из-за того, что у компании две «перепрыгивающие» друг друга команды по разработке перспективных микроархитектур. Начали они с параллельных работ над Zen и Zen+. Когда была завершена Zen - первая команда перешла к Zen 2, а когда была завершена Zen+ - вторая команда перешла к Zen 3.

7 нанометров «плюс»: четвёртое поколение Ryzen на Zen 3

Пока один отдел AMD решает проблемы массового производства Zen 2, другой отдел уже проектирует Zen 3 на технологической норме, обозначенной как «7 нм+». Компания не раскрывает подробностей, но по косвенных данным можно предположить, что техпроцесс будет улучшен за счёт дополнения нынешней глубокой ультрафиолетовой литографии (DUV, Deep Ultraviolet) новой жёсткой ультрафиолетовой литографией (EUV, Extreme Ultraviolet) с длинной волны 13,5 нм.

GlobalFoundries уже установила новое оборудование для перехода к 5 нм

Ещё летом 2017 года один из заводов GlobalFoundries закупил более 10 литографических систем из серии TWINSCAN NXE от нидерландской ASML. С частичным применением этого оборудования в рамках того же техпроцесса 7 нм удастся ещё больше снизить энергопотребление и повысить производительность чипов. Точных метрик пока нет - потребуется ещё какое-то время на отладку новых линий и вывод их на приемлемые мощности для массового производства.

AMD рассчитывает начать организовать продажи чипов на норме «7 нм+» с процессоров на микроархитектуре Zen 3 уже до конца 2020 года.

5 нанометров: пятое и последующие поколения Ryzen на Zen 4?

Официального объявления AMD пока не делала, но можно смело спекулировать, что следующим рубежом для компании станет техпроцесс 5 нм. Опытные чипы на этой норме уже производились исследовательским альянсом компаний IBM, Samsung и GlobalFoundries. Кристаллы на техпроцессе 5 нм потребуют уже не частичного, а полноценного применения жёсткой ультрафиолетовой литографии с точностью выше 3 нм. Именно такое разрешение обеспечивают купленные GlobalFoundries модели литографической системы TWINSCAN NXE:3300B от компании ASML.

Слой толщиной в одну молекулу дисульфида молибдена (0,65 нанометра) демонстрирует ток утечки всего 25 фемтоампер/микрометр при напряжении 0,5 вольта.

Но сложность заключается ещё и в том, что на процессе 5 нм вероятно придётся сменить форму транзисторов. Давно зарекомендовавшие себя FinFET (транзисторы в форме плавника, от англ. fin) могут уступить место перспективным GAA FET (форма транзисторов с окружающими затворами, от англ. gate-all-around). На наладку и развёртывание массового производства таких чипов уйдёт ещё несколько лет. Сектор потребительской электроники вряд ли получит их раньше 2021 года.

Дальнейшее уменьшение технологических норм также возможно. Например, ещё в 2003 году корейские исследователи создали FinFET на 3 нанометра. В 2008 году в Университете Манчестра на основе графена (углеродных нанотрубок) был создан нанометровый транзистор. А инженерам-исследователям лаборатории Беркли в 2016 году покорился суб-нанометровый масштаб: в таких транзисторах может применяться как графен, так и дисульфид молибдена (MoS2). Правда, на начало 2018 года ещё не нашлось способа произвести целый чип или подложку из новых материалов.

В ходе мероприятия Hot Chips 28, традиционно проводимого в Стэнфордском университете, компания AMD обнародовала новую порцию сведений о готовящихся 14-нм процессорах с микроархитектурой Zen. Напомним, что чипмейкер планирует выпустить CPU Summit Ridge и APU Raven Ridge в следующем году, а пока ограничивается демонстрацией их инженерных семплов.

В состав одного ядра Zen включены четыре блока целочисленных операций (ALU) и два 128-битных FMAC (блок умножения — сложения). Объём 4-канального кеша инструкций равен 64 Кбайт, 8-канального кеша данных — 32 Кбайт. Кеш-память второго уровня с 8-канальным доступом имеет объём 512 Кбайт, а разделяемый кеш третьего уровня выполнен в виде блоков по 1 Мбайт.

AMD постоянно напоминает, что процессоры Zen могут выполнять на 40 % больше инструкций («работы») за один такт по сравнению с чипами Excavator. На нижеприведённом графике также изображена нисходящая кривая «энергопотребление/такт».

Zen поддерживает многопоточную обработку данных (Simultaneous Multi-Threading), содержит улучшенный предсказатель переходов, более «вместительные» блоки кеша операций и очередей. Кеш-память первого уровня имеет функцию обратной записи; пропускная способность различных уровней кеша выросла на величину от двух до пяти раз.

14-нм процессоры AMD получили восемь новых инструкций, включая эксклюзивные (не применяющиеся Intel) инструкции CLZERO и PTE Coalescing. Первая очищает содержимое кеш-памяти, а вторая объединяет 4-Кбайт таблицы страниц в 32-Кбайт страницы.

Одна из наиболее интересных особенностей Zen — «нарезанный» блоками по 2 Мбайт (2× 1 Мбайт) разделяемый кеш третьего уровня. Обращение любого из четырёх ядер модуля Zen к любому блоку кеша L3 занимает примерно одно и то же время. На один четырёхъядерный модуль (CPU Complex, CCX) приходится 8 Мбайт кеш-памяти третьего уровня. Вероятно, недорогие 4-8-ядерные процессоры Summit Ridge будут обладать неполным объёмом кеша L3 — 8 Мбайт и/или 12 Мбайт из максимально возможных 16 Мбайт.

Большинство операционных блоков ядер Zen эффективно используются как в однопоточном, так и в двухпоточном (SMT) режиме. Исключение составляют очереди микроопераций (micro-op), ухода (retire) и хранения (store).