В марте 2017 года AMD представила архитектуру Zen и линейку процессоров Ryzen, совершив одно из важнейших событий на рынке компьютерных компонентов в нашем столетии. После продолжительного периода, когда компания существенно уступала Intel в сегменте высокопроизводительных десктопных CPU, семейство Ryzen позволило AMD вернуться в конкурентную борьбу. Это произошло не мгновенно, однако архитектура Zen, созданная практически с нуля под руководством знаменитого Джима Келлера, заложила прочную основу для последующего успеха. В итоге, на процессорном рынке компания постепенно превратилась из аутсайдера в лидера, и теперь именно она определяет новые технологические стандарты.
С дебюта первого поколения процессоров Ryzen минуло уже девять лет. За это время архитектура Zen прошла через пять крупных ревизий, каждая из которых привносила ощутимые улучшения в скорости работы, энергопотреблении и возможностях. Не менее значимо и то, что в рамках этих обновлений AMD последовательно придерживалась принципа преемственности: исходная платформа Socket AM4 оставалась актуальной беспрецедентные семь лет, а пришедшая ей на замену Socket AM5, как прогнозируется, будет активно поддерживаться как минимум до 2027 года, а вероятно, и дольше. Подобное долголетие платформ естественным образом продлевает жизненный цикл совместимых с ними процессоров, и неудивительно, что в розничных магазинах до сих пор можно встретить чипы серии Ryzen 3000, а на рынке б/у широко представлены и более ранние поколения.
Подобное сосуществование в продаже процессоров разных поколений может смазать впечатление о прогрессе, однако в реальности разница между старыми и новыми Ryzen колоссальна. Чтобы наглядно увидеть путь, пройденный AMD с архитектурой Zen, мы сравнили все ключевые восьмиядерные процессоры компании, выпущенные с момента появления самых первых Ryzen и до сегодняшнего дня, когда роль лучшего выбора для мощных игровых систем уверенно занял новый Ryzen 7 9850X3D. В тестовую выборку вошли топовые модели всех поколений архитектуры Zen, построенные на одном кристалле CCD и имеющие 8 ядер с 16 потоками. Такой подход позволяет наиболее отчётливо проследить всю эволюцию и понять, насколько сильно изменились решения AMD за эти годы, а также где сегодня проходит граница между современными и морально устаревшими Ryzen.
В рамках сегодняшнего обзора мы рассмотрим девять моделей линейки Ryzen 7, охватывающих архитектуры от Zen до Zen 5, включая как стандартные версии, так и модели с увеличенным 3D-кешем: 1800X, 2700X, 3800X, 5800X, 5800X3D, 7700X, 7800X3D, 9700X и 9850X3D. Однако перед тем, как погрузиться в сравнение их производительности, стоит вспомнить эволюцию архитектуры Zen от AMD, которая позволила современным процессорам Ryzen добиться превосходных показателей IPC, высокой тактовой частоты и впечатляющей энергоэффективности.
Архитектура Zen разрабатывалась практически заново и радикально отличалась от предыдущей Bulldozer в самой своей основе. Компания AMD вернулась к традиционным мощным ядрам с высокой степенью внутреннего параллелизма, отказавшись от погони за предельными частотами, которые в процессорах серии FX достигали 5,0 ГГц даже на 32-нм технологическом процессе. Новые ядра Zen не могли похвастаться такими частотами, но приобрели значительно более высокую эффективность и производительность на ватт благодаря множеству глубоких изменений на микроархитектурном уровне.
По сути, это был революционный шаг. В ядре Zen появился кэш микроопераций объёмом до 2048 записей, позволяющий повторно использовать уже декодированные инструкции и снижать нагрузку на декодер. Сам декодер стал способен обрабатывать до четырёх инструкций за такт. Исполнительная часть конвейера была рассчитана на обработку до шести микроопераций за такт. Для целочисленных операций предусматривались четыре арифметико-логических устройства (ALU) и два блока расчёта адресов (AGU), а блок операций с плавающей запятой (FPU) мог выполнять две 128-битные операции одновременно. Важно отметить, что каждый физический блок FPU был выделен для отдельного ядра, в отличие от архитектуры Bulldozer, где он был общим для пары ядер.
Ещё одним ключевым новшеством стала поддержка многопоточности SMT — впервые в истории процессоров AMD. Эта технология позволила каждому ядру одновременно выполнять два независимых потока команд, увеличивая загрузку исполнительных блоков и общую эффективность использования ресурсов. Также была серьёзно переработана система предсказания переходов: в Zen внедрили современный предсказатель с элементами нейросетевых алгоритмов, что значительно сократило количество ошибочных ветвлений и повысило продуктивность работы конвейера.
Основу процессоров составил четырёхъядерный модуль CCX (Core Complex), оснащённый общим кешем третьего уровня размером 8 МБ. Для создания восьмиядерных моделей на одном кристалле объединялись два таких модуля, а их взаимодействие обеспечивалось высокоскоростной шиной Infinity Fabric. Эта же шина использовалась для связи вычислительных ядер с контроллером памяти и прочими компонентами чипа. Поскольку частота работы данной шины напрямую зависела от частоты оперативной памяти, быстродействие первых процессоров Ryzen в значительной степени определялось скоростью установленных модулей DDR4. Формально контроллер памяти поддерживал двухканальный режим работы с DDR4-2666, а модули с более высокой частотой, особенно вначале, функционировали с ним не всегда стабильно.
Все CPU Ryzen первого поколения были монолитными и изготавливались по 14-нанометровому технологическому процессу GlobalFoundries. Их максимальная тактовая частота достигала 4,0 ГГц, а тепловыделение топовых моделей составляло 95 Вт. Вместе с этими процессорами была представлена платформа Socket AM4, которая благодаря долгосрочной поддержке пережила несколько поколений чипов и в какой-то мере сохраняет актуальность до сих пор. Однако самые ранние Ryzen уже не совместимы с большинством современных материнских плат для AM4.
Хотя первые Ryzen и не смогли превзойти по производительности конкурирующие решения Intel (в то время это были Core i7-7700K и Core i7-6900X), их появление произвело настоящую революцию. Дело в том, что по сравнению с процессорами линейки Bulldozer их показатель IPC (количество операций за такт) вырос почти в полтора раза, что стало самым значительным скачком производительности на рынке десктопных CPU за долгие годы. Более того, именно первое поколение Ryzen дало импульс к увеличению количества ядер в потребительских процессорах, в итоге сделав восьмиядерные модели стандартным выбором для настольных компьютеров.
Через год после дебюта первых Ryzen компания AMD представила усовершенствованное поколение этих процессоров — серию Ryzen 2000. В их основе лежала та же архитектура Zen, но она подверглась ряду оптимизаций и получила название Zen+. Это обновление не принесло кардинальных изменений в архитектуру, однако позволило устранить многие недостатки первоначальных моделей, что заметно повысило их реальную производительность.
Ключевым усовершенствованием стал переход на более прогрессивный 12-нанометровый технологический процесс GlobalFoundries. Это изменение позволило добиться лучшей энергоэффективности и поднять рабочие частоты. Как следствие, топовые модели линейки Ryzen 2000 смогли достичь 4,3 ГГц, хотя тепловыделение флагманов при этом возросло до 105 Вт. Ещё одним значимым шагом стало внедрение алгоритма Precision Boost 2 для динамического управления частотами, который плавно регулирует их в реальном времени, учитывая количество задействованных ядер, температурные показатели и уровень энергопотребления.
Кроме того, в архитектуре Zen+ была реализована серия оптимизаций, нацеленных на уменьшение задержек в работе с памятью. Компания AMD заявила о снижении латентности на величину в несколько десятков процентов — это касается как кешей всех уровней, так и доступа к оперативной памяти. Одновременно были доработаны алгоритмы контроллера памяти и шины Infinity Fabric, что уменьшило зависимость процессоров от выбора конкретных модулей DDR4. Контроллер памяти стал значительно более гибким: официально поддерживаемая частота DDR4 повысилась до 2933 МГц, а совместимость и стабильность работы с высокоскоростными планками заметно улучшились.
При этом сама микроархитектура вычислительного ядра практически не претерпела изменений. В Zen+ сохранился четырёхпоточный декодер, возможность обработки шести микроопераций за такт, набор исполнительных блоков из четырёх арифметико-логических устройств и двух блоков адресации, а также сегментированная по CCX структура кеша третьего уровня — по 8 МБ на каждый четырёхъядерный комплекс.
Поэтому, представляя Ryzen 2000, AMD не стала делать особого упора на приросте производительности на такт (IPC): эффективность каждого ядра повысилась лишь на несколько процентов. Однако совокупный эффект от возросших частот, усовершенствованных алгоритмов автоматического разгона и более быстрой подсистемы памяти оказался весьма заметным. В итоге серия Ryzen 2000 стала гораздо более отточенной и сбалансированной, что позволило ей завоевать существенно более широкое признание по сравнению с предыдущим поколением.
Процессоры Ryzen третьего поколения, построенные на архитектуре Zen 2, дебютировали в 2019 году, ознаменовав собой не просто эволюцию, а качественный скачок в развитии. Ключевым достижением стал переход AMD на чиплетную архитектуру, которая позволила оптимизировать производство и совершить прорыв в увеличении числа ядер, объёма кеш-памяти и итоговой производительности, сохранив при этом конкурентоспособные уровни энергопотребления и стоимости.
Основным архитектурным изменением стал отказ от единого кристалла в пользу компактных чиплетов двух видов. Вычислительные ядра были размещены на кристаллах CCD, изготовленных по передовому 7-нм техпроцессу TSMC, а подсистема ввода-вывода, включая контроллеры памяти и PCI Express, была выделена в отдельный чиплет IOD, производимый по более освоенному 12-нм процессу. Этот подход позволил создать первые массовые 16-ядерные десктопные процессоры, объединявшие один IOD с двумя CCD, в то время как 8-ядерные модели строились на основе связки из одного CCD и одного IOD.
Серьёзные преобразования затронули и внутреннюю структуру ядер Zen 2. Хотя начальная часть конвейера с четырёхпоточным декодером в целом сохранила прежнюю организацию, AMD пересмотрела баланс кешей: объём кеша инструкций L1I был уменьшен с 64 до 32 КБ, но при этом вдвое увеличен буфер декодированных микроопераций. Также был усовершенствован блок предсказания переходов, что снизило количество ошибок и повысило эффективность конвейера при выполнении сложных разветвлённых задач. Дополнительно были расширены внутренние буферы и очереди инструкций, что позволило ядру эффективнее выявлять параллелизм в коде.
В исполнительной части ядра появился третий блок AGU, что повысило количество операций чтения и записи за такт и снизило риск простоев конвейера при обращениях к памяти. Блоки вычислений с плавающей точкой были расширены до 256 бит, что удвоило производительность при работе с инструкциями AVX2 и FMA.
В архитектуре Zen 2 инженеры сосредоточились на преодолении одного из главных ограничений предыдущих поколений, уделив особое внимание повышению скорости работы с памятью. Контроллер памяти теперь поддерживает стандарт DDR4-3200, была увеличена пропускная способность основной внутрипроцессорной шины Infinity Fabric, а также вдвое расширен объём кеша третьего уровня — до 16 МБ на каждую группу из четырёх ядер. Однако структура вычислительных комплексов CCX осталась прежней. В восьмиядерном чиплете CCD, как и раньше, размещались два независимых четырёхъядерных блока с изолированной кеш-памятью, не имеющие прямой связи между собой. Из-за этого процессоры на базе Zen 2 по-прежнему демонстрировали высокую задержку при взаимодействии ядер.
Несмотря на масштабные изменения в архитектуре, процессоры линейки Ryzen 3000 сохранили совместимость с разъёмом Socket AM4 и укладывались в тепловой пакет 105 Вт. Благодаря новому технологическому процессу их максимальная тактовая частота достигла 4,7 ГГц. Кроме того, в них впервые для массовых процессоров была реализована поддержка шины PCIe 4.0.
Все усовершенствования, внедрённые в Ryzen 3000, привели к значительному росту производительности. Производитель заявил о 15-процентном увеличении IPC (количества инструкций за такт), однако реальный прирост оказался ещё более впечатляющим благодаря совокупному эффекту от архитектурных и структурных изменений, повышения частот, увеличения кеш-памяти, оптимизации контроллера памяти и других улучшений.
⇡#Zen 3 — объединение ядер и 3D-кеш
Архитектуру Zen 3, представленную в конце 2020 года, часто считают одним из самых значительных обновлений в линейке Ryzen — и на то есть веские причины. Процессоры семейства Ryzen 5000, использующие эту архитектуру, не принесли революции в области технологического процесса или чиплетной конструкции, однако обеспечили существенный скачок в производительности за счёт глубокой переработки внутренней организации CCX-комплексов, которая в предыдущих поколениях действительно вызывала обоснованную критику.
Если в более ранних CPU каждый кристалл CCD включал два отдельных четырёхъядерных CCX-комплекса с разделёнными блоками L3-кеша по 16 МБ, то в Zen 3 разработчики AMD объединили все восемь ядер CCD в единый комплекс. В результате все ядра получили равный доступ к общему кешу третьего уровня объёмом 32 МБ. Это повысило эффективность кеширования данных и значительно сократило задержки при обмене информацией между ядрами и доступе к L3-кешу, что заметно улучшило производительность Ryzen 5000 в играх и других задачах, чувствительных к задержкам.
Для создания Zen 3 по-прежнему использовался 7-нанометровый техпроцесс TSMC, как и в случае с Zen 2, а процессоры сохранили уже знакомую чиплетную компоновку с двумя разновидностями кристаллов. Вычислительные ядра располагались в чиплетах CCD, в то время как подсистема ввода-вывода была вынесена в отдельный 12-нанометровый кристалл IOD, выпускаемый GlobalFoundries. Более того, этот IOD фактически был унаследован от прошлого поколения без модификаций, поэтому поддержка памяти и интерфейсов осталась неизменной: двухканальный режим DDR4-3200 и шина PCIe 4.0.
Однако изменения не ограничились лишь перестройкой структуры CCX. Инженеры также модернизировали внутреннюю организацию самих ядер. В Zen 3 был усовершенствован предсказатель ветвлений, оптимизированы механизмы предвыборки инструкций, а также увеличены размеры внутренних буферов и очередей выполнения. Параллельно была повышена пропускная способность модуля вычислений с плавающей запятой, а подсистема памяти получила возможность обрабатывать больше операций чтения и записи за такт — до трёх 256-битных операций чтения или двух 256-битных операций записи. Все эти улучшения способствовали росту удельной производительности: согласно заявлениям AMD, прирост IPC в Zen 3 составил около 19% по сравнению с Zen 2.
Дополнительным стимулом к повышению скорости работы стали возросшие тактовые частоты. В топовых моделях Ryzen 5000 они достигли 4,9 ГГц, при этом процессоры сохранили характерный для платформы Socket AM4 тепловой пакет до 105 Вт и совместимость с существующим парком материнских плат.
Но эволюция архитектуры Zen 3 на этом не завершилась. После выпуска основной серии Ryzen 5000 компания AMD представила ещё одну любопытную модификацию — процессоры с увеличенным кэшем третьего уровня. Для этого была создана технология 3D V-Cache, позволяющая разместить дополнительный слой статической памяти поверх кристалла CCD. Дополнительный кристалл расширял 32 МБ L3-кэша на 64 МБ, увеличивая его общий объём до 96 МБ.
Такое увеличение кэша оказалось очень действенным способом повышения игровой производительности: первый процессор с этой технологией — Ryzen 7 5800X3D — быстро завоевал популярность в качестве решения для игровых систем своего времени.
Представленные в 2022 году процессоры Ryzen 7000, основанные на архитектуре Zen 4, ознаменовали собой очередной значительный прогресс. В отличие от прошлых этапов, где основное внимание уделялось внутренней реорганизации чипов, в этом поколении ключевым стало обновление самой платформы. Линейка Ryzen 7000 перешла на разъём Socket AM5, что принесло ряд существенных улучшений: совместимость с памятью DDR5 и шиной PCIe 5.0, а также интеграцию графического ядра RDNA 2 во все модели процессоров. Особенно важным оказался переход на DDR5, который увеличил пропускную способность подсистемы памяти и внёс весомый вклад в общий прирост производительности.
В Zen 4 сохранилась чиплетная архитектура, унаследованная от Zen 3, с использованием двух типов кристаллов: вычислительных CCD и отвечающего за ввод-вывод IOD. Каждый кристалл CCD по-прежнему включает восемь ядер, объединённых в CCX-кластер с общим кэшем третьего уровня размером 32 МБ. Однако производство этих кристаллов было переведено на более совершенные техпроцессы: 5 нм для CCD и 6 нм для IOD. Это позволило AMD полностью сосредоточить изготовление на мощностях TSMC, окончательно прекратив сотрудничество с GlobalFoundries.
Более тонкие технологические нормы способствовали существенному повышению рабочих частот. В топовых моделях Ryzen 7000 они достигли 5,7 ГГц, установив новый рекорд для потребительских процессоров AMD. Однако рост частот сопровождался увеличением энергопотребления: максимальный теплопакет настольных процессоров компании вырос до 170 Вт, что ранее в серии Ryzen не наблюдалось.
Существенные изменения затронули и микроархитектуру, хотя AMD сообщила лишь о 13% приросте IPC по сравнению с Zen 3. Это объяснимо, поскольку одним из основных новшеств стала поддержка набора инструкций AVX-512, напрямую не влияющего на IPC. Для выполнения этих векторных операций в Zen 4 задействуется пара 256-битных блоков FPU, что позволяет обрабатывать 512-битные инструкции без значительного увеличения площади ядра и энергозатрат. Тем не менее, внутренние структуры ядра были расширены — увеличен регистровый файл и оптимизированы пути передачи данных, что обеспечило корректную работу с 512-битными векторными операциями.
Кроме того, в микроархитектуре были доработаны и другие элементы. В Zen 4 значительно усовершенствовали блок предсказания переходов, что уменьшило количество ошибок предсказания и повысило эффективность загрузки исполнительных модулей. Кэш декодированных команд увеличился на две трети и теперь способен передавать на выполнение до девяти операций за такт вместо прежних восьми. Также ёмкость кэша второго уровня на ядро возросла с 512 КБ до 1 МБ, что сократило обращения к более медленному L3 и дополнительно улучшило производительность ядер при работе с данными.
В этом поколении AMD также продолжила развитие технологии 3D V-Cache. Процессоры с дополнительным 64-МБ кристаллом статической памяти, размещённым поверх CCD, вошли в линейку Ryzen 7000. Причём на сей раз сфера применения технологии стала шире. Помимо восьмиядерных моделей с 96 МБ кэша L3, в ассортименте появились и 16-ядерные варианты, где увеличенный кэш применяется на одном из двух кристаллов. В итоге общий объём кэша третьего уровня у таких 16-ядерных процессоров составляет 128 МБ, распределённых между кристаллами по асимметричной схеме 96 + 32 МБ.
⇡#Zen 5 — фундаментальное расширение ядра
В предыдущих поколениях процессоров AMD в основном фокусировалась на оптимизациях высокого уровня, не внося кардинальных изменений в микроархитектурную основу, однако с появлением Zen 5 ситуация изменилась. Этот этап развития отмечен масштабной переработкой функциональных блоков ядра, направленной на расширение возможностей архитектуры и увеличение параллелизма при обработке инструкций. Особое внимание уделено технологии SMT — инженеры AMD стремились обеспечить, чтобы параллельные потоки, выполняемые на одном ядре, не конфликтовали за ресурсы и не мешали работе друг друга.
Что касается платформы и базовой структуры CPU, здесь практически ничего не изменилось. Процессоры Ryzen 9000, построенные на ядрах Zen 5, по-прежнему предназначены для экосистемы Socket AM5, сохраняют знакомую чиплетную архитектуру с вычислительными модулями CCD и модулем ввода-вывода IOD, причём каждый CCD включает один восьмиядерный кластер CCX. Более того, кристалл IOD в этом поколении перешёл без изменений от Zen 4, поэтому интерфейсные возможности Zen 5 остались теми же — включая поддержку памяти DDR5 и шины PCIe 5.0.
Однако лишь за счёт усовершенствований в глубине архитектуры AMD удалось достичь
