在過去很長的一段時間中,AMD一直無法在桌上型處理器的單核心效能領先Intel,只能靠著在單一處理器封裝塞入更多核心,以及設定較低的價格,與對手在市場相互拼搏,然而AMD卻透過Ryzen 5000系列處理器反轉此一情況,就讓我們一起來看看Zen 3架構的改變之處。
整組架構砍掉重練
AMD在2017年的時候就曾宣示,他們將提供世界上最好的桌上型處理器(We wanted to deliver the best desktop processors in the world and change the industry along the way.),如今他們透過Zen 3架構的Ryzen 5000系列處理器達成此一野心,我們也在前篇文章中透過效能實測,看到Ryzen 9 5900X的效能確實能超越其主要競爭對手Intel Core i9-10900K。
繼AMD先前推出的Zen與Zen 2架構後,Zen 3的是款完全重新設計(Ground-up Redesign)的處理器架構,包含強化前端、執行引擎、存取、SoC架構等部分都經過改善,並帶來了顯著的效能與功能提升。
強化前端的目標為增加大量分枝的大型程式預取(Fetching)效能,尤其在大量分枝的大型程式,將L1分枝預測的緩衝區加倍至1024個快取項目(Entry),並增加分枝預測器的通道寬度,增加預測錯誤的回復速度,提升循序預取效能,並讓切換快取管線的粒度更細。
在執行引擎部分,新架構的設計目標為縮短延遲並加大架構以提高指令等級平行化(ILP,Instruction-Level Parallelism)的能力,在整數資料取用器、整數窗口、浮點數通道寬度、浮點數乘積累加運算等部分也都進行最佳化與效能提升。
存取方面的改良目標為擴大架構並強化預取能力,以滿足執行引擎所需的更大量資料吞吐量,資料讀取與寫入的頻寬較Zen 2皆有所提升。
打破CCX藩籬
Zen 3的另一項重大改進,就是改進了SoC架構,目標同樣以降低延遲為主,同時縮短處理器核心對核心、核心對快取、主記憶體等資料存取的延遲,並將L3快取叢集增大1倍。
在Zen 2架構的設計中,單一處理器封裝最多可以容納2組CCD(Compute Die,運算裸晶)與1組IOD(Input/Output Die,輸出入裸晶),每組CCD最多可以容納2組CCX(Core Complexes,核心複合體),而每組CCX最多可以容納4個處理器核心。舉例來說,可以透過2組具有4個處理器核心的CCX,組成1組CCD,達成8核心處理器配置。
而Zen 3則將CCX可以容納的核心數提升至8個,每組CCD則只能容納1組CCX。因此8核心處理器會有1組具有8個處理器核心的CCX,組成1組CCD。
這樣最大的好處是可以把原本每組叢集只能容納4個核心的架構,改變為可以容納8個核心,且把原本的2組16MB L3快取記憶體,合併為1組32MB的組態。
如此一來可以縮短處理器核心之間通訊的延遲,例如在Zen 2架構中如果位於不同CCX的處理器核心的需要溝通,則某核心需透過Infinity Fabric將資料傳至IOD,再由IOD交至另一核心,將會因為傳輸延遲而影響效能,若處理器核心位於同一CCX則無此問題。
另一方面,統一的32MB L3快取記憶體也比拆分為2組16MB更具效率,且能容納更大筆的資料,有助於提升遊戲效能表現。
在製程方面,Zen 3的CCD採用與Zen 2一樣的台積電7nm節點製程,並繼承在Ryzen 3000XT系列處理器所納入的設計改良,因此能再次推升最高時脈。IOD則完全延用先前12nm製程與設計,並讓處理器相容於先前推出的500、400系列晶片組。
Ryzen 5000系列處理器規格一覽 | |||||||||
型號 | 基礎時脈 | 最大Boost時脈 | 核心/執行緒 | 快取記憶體 | TDP | 組態 | PCIe通道數 | 建議售價 | 市場對手 |
Ryzen 9 5950X | 3.4GHz | 4.9GHz | 16/32 | 8MB L2+64MB L3 | 105W | 2x CCD + 1x IOD | 24x PCIe Gen 4 | $799 | n/a |
Ryzen 9 5900X | 3.7GHz | 4.8GHz | 12/24 | 6MB L2+64MB L3 | 105W | 2x CCD + 1x IOD | 24x PCIe Gen 4 | $549 | Core i9-10900K |
Ryzen 7 5800X | 3.8GHz | 4.7GHz | 8/16 | 4MB L2+32MB L3 | 105W | 1x CCD + 1x IOD | 24x PCIe Gen 4 | $449 | Core i7-10700K |
Ryzen 5 5600X | 3.7GHz | 4.6GHz | 6/12 | 3MB L2+32MB L3 | 65W | 1x CCD+1x IOD | 24x PCIe Gen 4 | $299 | Core i5-10600K |
整體而言,Ryzen 5000系列處理器的「歷史定位」在於單核心效能超級Intel旗艦產品,且依然維持核心較多的優勢,因此無論在單核心或多核心程式表現都能追上或超越Intel(也需考量軟體、編譯器、指令集等最佳化因素造成的效能影響),在遊戲、電競、美術設計、影片編輯、電腦輔助製造(CAM)、電腦輔助設計(CAD)等應用上都能帶來效能優勢。
比較可惜的是,Ryzen 5000系列處理器較同級的Ryzen 3000XT貴了美金50元(如Ryzen 5 5600X與Ryzen 5 3600XT相比),這樣的定價策略當然可以解釋為新款處理器帶來更大的效能提升,但仍與消費者的期望相左。
有趣的是,在AMD發表Ryzen 5000系列處理器的消息後,Intel也不干示弱以Rocket Lake-S處理器反擊,並不小心把牙膏擠太大力,對於消費者而言,這樣一來一往的競爭往往能讓產品的效能、價格更加甜蜜,或許雙方未來都會陸續更貼近市場需求以得到消費者的青睞。
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AMD Ryzen 5000系列處理器架構分析,為了效能砍掉重練(本文)