科普文：软件架构Linux系列之【AMD砍杀Intel的利器：Zen微架构CPU锐龙和霄 ...

概叙

科普文：软件架构Linux系列之【从硬件角度了解内存DRAM和DDR5】_dram density和容量-CSDN博客
科普文：软件架构Linux系列之【并发题目的根源：CPU缓存模型详解】-CSDN博客

前面提到并发题目的根源就是cpu太快，盘算机其他模块远远跟不上cpu的速度。以是就有了cpu的三级缓存，这也导致了cpu和内存的数据同等性题目。

为了让cpu缓存更多的指令和数据，AMD EPYC  霄龙处置惩罚器：引入3D缓存，直接将三级缓存容量扩展到1152MB！
正好，我们来看看Zen微架构CPU锐龙和霄龙。
Zen架构

‌Zen架构是AMD开辟的一种微处置惩罚器架构，初次推出于2017年，标记着AMD在高性能处置惩罚器市场的强势回归。‌
AMD“Zen”核心架构
该架构基于14nm工艺制造，引入了全新的“[Ryzen”品牌，旗下的锐龙7 1800X和锐龙5 1600X在消费市场上取得了成功，而基于Zen架构的EPYC处置惩罚器也开始在服务器市场上获得青睐。‌
Zen架构的推出带来了显著的性能提升，每个时钟周期的指令集提高了40%，当代化的设计和多线程技能使其能够与英特尔的产品竞争。在此基础上，AMD不断进行优化和改进，推出了Zen+和Zen 2架构，分别在2018年和2019年发布。Zen+采用了12nm工艺，进一步优化了功耗和频率，而Zen 2则采用了7nm工艺，带来了更高的性能和更低的功耗。
Zen架构的应用范畴广泛，不光在消费市场上体现出色，还在服务器市场上获得了认可。其高吞吐量的同步多线程技能和对DDR4的兼容性，使得Zen架构的处置惩罚器能够提供优秀的性能和能效。
此外，Zen架构的处置惩罚器支持PCIe Gen 3、USB 3.1 Gen2 10Gbps、NVMe和SATA Express等技能，进一步提升了平台的扩展性和兼容性。
Zen架构长处

性能

“Zen”架构是一种可持续改进的可扩展架构：核心引擎支持多线程并行处置惩罚以高效运行面向未来的工作负载；出色的高速缓存体系和神经网络推测能够有效实现更低的耽误；注重能效打造出色的性能功耗比。 
可扩展性

AMD 在 x86 处置惩罚器中大胆采用全新的小芯片设计。AMD 没有选择使用大型单片式芯片，而是采用了称为小芯片的处置惩罚器构建块。每个小芯片都包罗许多基于“Zen”的核心，而且封装的小芯片越多，处置惩罚器性能就越强。  
效率 

AMD 致力于不断优化核心设计。将核心和 I/O 开辟流程区分开来有助于缩小 CPU 芯片，并针对多种情况优化性能或能效。从处置惩罚器到平台，每个晶体管的放置以及每微瓦功率的分配无不彰显了 AMD 对提升能效的承诺。
Zen架构CPU

Ryzen锐龙

EPYC霄龙

AMD Zen架构进化：从Zen 1到Zen 5的光辉历程

AMD是来自美国加州的超微半导体品牌。AMD专门为盘算机、通信和消费电子行业设计和制造各种创新的微处置惩罚器（CPU、GPU、APU、主板芯片组、电视卡芯片等)，以及提供闪存和低功率处置惩罚器解决方案。
Zen架构在过去十几年间已经履历了多次迭代和进化。起初，Zen架构的诞生是为了扭转AMD其时在高性能处置惩罚器市场上的劣势。在履历了前几代架构的挫折之后，Zen的推出无疑是AMD的一次重大技能突破。自Zen 1发布以来，AMD的市场占有率和技能成熟度不断提升，逐步成为Intel在处置惩罚器市场上的强大竞争对手。
Zen 1：重塑AMD形象的开端

Zen 1于2017年正式发布，以其全新的Microarchitecture赢得了市场的广泛关注。
AMD 的下一代高性能 x86 核心代号为“Zen”，面向服务器、桌面和移动客户端应用步伐。采用 Global Foundries 的节能 14nm LPP FinFET 工艺，44mm² Zen 核心复合单位 (CCX) 具有 1.4B 晶体管，并包罗共享的 8MB L3 缓存和四个核心。7mm² Zen 内核包罗专用的 0.5MB L2 缓存、32KB L1 数据缓存和 64KB L1 指令缓存。每个内核都有一个数字低压差 (LDO) 稳压器和数字频率合成器 (DFS)，可在不同电源状态下独立改变频率和电压。

Zen 1架构凸显了AMD在多核处置惩罚本领上的良好性，在全面提高指令执行效率的同时，显著降低了功耗。这使得一些高负载场景如科学盘算、3D渲染和游戏等应用场景下，AMD处置惩罚器有了更加出色的体现。
与此前的Bulldozer架构相比，Zen 1在分支推测器、指令解码器、整数和浮点单位等核心技能上都进行了重大提升，使得单核心性能显著加强。
在市场反响上，Zen 1助力AMD实现了重新崛起，成功地吸引了一大批发烧友和专业用户的关注。
Zen 2：跨时代的性能飞跃

Zen 2于2019年发布，是基于Zen 1架构的重大改进版本。
AMD 下一代高效核心代号为“Zen 2”，采用 x86-64 设计，采用节能的台积电 7nm FinFET 工艺制造。与 AMD 的上一代核心（代号为“Zen”[1]）类似，该版本中具有 4 个核心的核心复合单位（CCX）广泛用于客户端、半定制、嵌入式和 服务器细分市场。475M 晶体管核心片尺寸为 7.83mm2，具有 0.5MB 二级缓存和 4MB 共享三级缓存。该设计采用新的定制电路和存储器设计技能来实现指定的性能和功耗。

Zen 2采用了7nm工艺技能，使得晶体管密度和能效比大幅度提升。
这一系列改进不光使Zen 2在能效方面大幅领先，还提升了整体盘算本领。更为紧张的是，Zen 2引入了chiplet设计，使得芯片设计更加灵活和可扩展。
通过这种设计，AMD可以在一个处置惩罚器中集成更多的核心，从而提高多线程处置惩罚性能。
Zen 2还支持PCIe 4.0接口，进一步加强了数据传输速率，使得高性能盘算和存储应用的性能得到极大提升。
Zen 2 设计比 Zen1有许多设计改进，包罗平均单线程应用步伐的每周期指令 (IPC) 提高 15%，同时降低技能中立的每周期开关电容（ CAC）9%。前端采用新的分支推测方法，分支目的容量增长近一倍。整数物理寄存器文件将其条目从 168 个增长到 180 个。地址天生单位可以调度 3 个存储 AGEN，而 Zen 上只能调度 2 个。整数调度器从 84 个条目增长到 92 个条目，并且退出重新排序缓冲区从 192 个条目增长到 224 个条目。这些架构加强在各种工作负载上产生了有意义的 IPC 改进，而不会导致动态功耗成比例增长，从而带来更好的性能功耗比。

Zen 3：全面优化与新高度

Zen 3架构于2020年发布，再次为AMD带来了市场的好评。Zen 3在架构上进行了重新设计，以进一步提高性能和能效比。
“Zen 3”是 AMD Zen 系列微处置惩罚器中初次重大微架构重新设计。鉴于与上一代“Zen 2”核心[1]类似的7纳米工艺技能以及类似的平台基础设施，“Zen 3”的紧张设计目的是提供：1) 每周期指令 (IPC) 显着提升，2) 频率显着提升，3) 电源效率持续提高。核心复合体单位（CCX）由 8 个“Zen 3”核心组成，每个核心具有 0.5MB 私有 L2 缓存和 32MB 共享 L3 缓存。除了 IPC 和频率改进之外，在上一代中增长 4 核和 16MB L3 还可以提供额外的性能提升。“Zen 3”CCX 包罗 68mm2 的 4.08B 晶体管，广泛应用于客户端、服务器和嵌入式细分市场。

据AMD官方数据，Zen 3架构的每时钟周期指令数（IPC）较Zen 2显著提升了19%。相比之前的架构，Zen 3在游戏性能和高负载工作情况中体现尤为突出。
Zen 3采用共同缓存设计，不再区分单个核心的专用缓存，所有核心共享L3缓存，这大幅提高了缓存命中率和数据存取速度。
借助这一系列改进，Zen 3迅速成为了高性能处置惩罚器市场中的佼佼者。
存储管道。重排序缓冲区增长了32个条目，到达256个，而在浮点单位中，题目宽度从4个增长到6个，FMAC耽误从5个淘汰到4个周期。在负载-存储单位中，最大负载带宽和存储带宽分别增长了1到3和2，并且通过增长4个表漫步器加强了翻译暂存缓冲区(TLB)，使其总数到达6个。总体而言，在25个单线程行业基准测试和游戏应用步伐中，“Zen 3”内核比“Zen 2”提供了+19%的平均IPC提升，一些游戏的体现高出了+30%[2]。

Zen 4：继续进化中的新里程

在Zen 3的基础上，2022年发布的Zen 4架构进一步提升了AMD在CPU市场的竞争力。
“Zen 4”是 AMD 的下一代 x86-64 微处置惩罚器核心，采用 5nm FinFET 工艺制造。设计团队和台积电之间的密切合作实现了相对于“Zen 3”使用的 7nm 工艺的优化工艺和出色的工艺扩展[1]。
55mm2 核心复合体 (CCX) 在 8 个核心上包罗 6.5B 晶体管，与上一代的 8 核心 CCX 类似。每个核心包罗 1MB 私有二级缓存，是上一代的两倍，八个核心共享 32MB 三级缓存。与“Zen 3”相比，该设计还提供了过程中立的性能提升：每周期指令数 (IPC) 增长，物理设计提高了与进程无关的频率，并进行了一些更改以提高电源效率，从而最大限度地提高多线程工作负载中的单线程性能和每瓦性能。对核心微架构的增量改进使得平均单线程桌面应用步伐的 IPC 比上一代提高了 13%。“Zen 4”核心的运行频率高达 5.7GHz，单线程性能比一代提升了 29% 以上。

Zen 4采用5nm工艺，使晶体管密度和功耗性能比进一步提升。新一代的架构在支持最新接口和指令集（如DDR5和PCIe 5.0）上进行了重大更新。
Zen 4不光在性能上有显著提升，还在多核处置惩罚和高算力使命中显示出了强大的优势。根据测试数据，
Zen 4在游戏和专业工作站场景中的体现远超前代产品，使其成为市场上备受青睐的选择。

​最多可以分派六个整数操作，最多支持三个负载和两个存储，并且分支推测精度比“Zen 3”有所提高。该设计还增长了整个核心的缓冲区大小。结构大小的增长包罗更大的指令操作缓存、退役队列和整数寄存器文件。浮点寄存器文件大小也增长了，并且使用256b数据路径增长了对512b高级矢量扩展(AVX 512)浮点指令的节能支持。通过添加部门写入一级数据缓存项的本领，可以淘汰一级数据缓存银行冲突。对dcache存储阵列中使用的尺度单位进行结构优化，将与添加部门写入功能相关的面积本钱降低了20%以上。

Zen 5及未来发展

在2024年的Hot Chips大会上，AMD正式展示了其最新一代处置惩罚器架构——Zen 5。

Zen 5在既有架构的基础上进行了进一步优化，通过引入更高效的指令解码、更先辈的分支推测和更高效的整式和浮点运算单位，极大提高了整体性能。新的架构还引入了更大的L1数据缓存和全面支持AVX-512指令集，使性能和能效比到达新的高度。
值得注意的是，与移动处置惩罚器有所不同的是，AMD锐龙9000桌面处置惩罚器并没有加入NPU，预计未来桌面CPU的紧张功能还是与GPU打共同，从而满足复杂的AI应用。具体到各人关心的性能数据上，AMD Zen5的IPC相比较Zen 4提升了16%左右，这个成绩还是相当令人满意的，毕竟除了IPC之外，基于Zen 5打造的锐龙9000系处置惩罚器在频率上同样有所提升。

针对低功耗应用场景，AMD还推出了Zen 5c核心，为移动盘算装备和嵌入式体系提供了更多选择。

AM4和AM5接口的承接

除了架构本身的进化，AMD在处置惩罚器接口上的策略也为其赢得了许多赞誉。
自2016年末发布AM4接口以来，AMD在八年间推出了五代CPU架构和四代制造工艺，AM4接口实现了一次次硬件的跨代兼容。比年来，只管AM5接口已经推出，但AM4接口的处置惩罚器依然在市场上贩卖，并且具有非常高的性价比。AMD还公布AM5接口将至少持续到2027年，为用户提供了更长久、更稳定的硬件支持。这种策略不光显示了AMD的技能优势，也凸显了其用户导向的市场策略。
回首AMD Zen架构的发展史，我们可以清晰地看到AMD在技能创新和市场战略上所取得的巨大成功。
从Zen 1的初步崛起，到Zen 2和Zen 3的飞跃，再到Zen 4和Zen 5的不断优化和进化，AMD一次次在高性能处置惩罚器市场上取得重大突破。依附其先辈的工艺技能、灵活的产品设计和用户友好的市场策略，AMD已经成为全球处置惩罚器市场的紧张玩家。
未来，随着Zen架构的继续演进和新的技能突破，AMD有望在更广泛的应用范畴内继续提高其市场份额和影响力。

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