Обзор и тестирование процессоров AMD Ryzen 9 5950X и Ryzen 9 5900X на базе новейшей архитектуры Zen 3. Дождались?!

Компания AMD последние три года не перестает радовать всех без исключения. Фанаты красного лагеря довольны производительностью, а синего — более низкими ценами и наконец-то появившемуся прогрессу. Команда Лизы Су после представления первых решений архитектуры Zen настолько отточила свое детище, что новинки в лице серии Ryzen 5000 стали даже дороже своих предшественников. И такое возможно, когда ты полностью уверен в своем продукте. Но так ли это — мы узнаем уже в конце тестирования, а пока давайте выясним, что нового принесла архитектура Zen 3.

Zen 3

Несмотря на то, что архитектура Zen уже претерпела кардинальных изменений на итерации Zen 2, компания AMD не сбавила обороты и за год ей удалось сделать очередную революцию без смены техпроцесса. Zen 3 действительно серьезный шаг вперед, который знаменуется 19% IPC и рядом других новшеств.

Глядя на иллюстрацию выше, можно заметить, что усердная работа велась по многим направлениям, дабы удовлетворить требования всех пользователей и, в частности, обрадовать геймеров. Оптимизации коснулись всех элементов конвейеров: целевой буфер ветвления (BTB) увеличился вдвое, значительно улучшена пропускная способность предсказателя ветвления, устранен эффект «пузырьков» в выборках, уменьшен штраф за неправильное предсказание переходов, быстрая последовательность получения и более мелкая гранулярность переключений Op-кэша. Блоки исполнения инструкций, загрузки и хранения данных также получили ряд усовершенствований, но об этом чуть позже.

CCD и иерархия кэшей

Наверно самый основной козырь микроархитектуры Zen 3 — это измененная структура CCD (Core Complex Dies). Теперь кристалл стал монолитный и не содержит в себе два модуля CCX (CPU Complex), которые ранее были соединены между собой с помощью Infinity Fabric.

Благодаря измененной компоновке теперь каждое ядро может обращаться напрямую к кэшу L3 без использования Infinity Fabric, что значительно снизило задержку доступа к данным. Тем не менее, задержка L3-кэша увеличилась, с 39 до 46 тактов. Основная причина этого явления оказался объём монолитной структуры, а вторая — возросшие тактовые частоты L3. К счастью вторая причина способна несколько компенсировать увеличившуюся латентность. Механизм заполнения кэша третьего уровня — виктимный, то есть на него не распространяется предварительная выборка, данные просто вытесняются в него из L2. Таким образом, L3-кеш оказывается преимущественно эксклюзивным.

Что касается остальной иерархии кэшей, изменения некоторые все же есть.

Кэш-память L1-I и L1-D по-прежнему имеет 32 Кбайт с 8-канальной ассоциативностью, а кэш-память второго уровня 512 Кбайт с 8-канальной ассоциативностью. Микрооперационный кэш не изменился и составляет 4 Кбайт.

Zen 3 поддерживает 64 существенных пропусков между L2 и L3 на ядро и 192 между L3 и оперативной памятью.

Кэш инструкций (L1-I) на цикл может обеспечивать 32-байтовую выборку, в то время как кэш данных (L1-D) допускает 3x 32-байтовых загрузки и 2х 32-байтовых сохранения за цикл. Очередь на сохранение возросла с 48 до 64.

Стоит отметить, что подобное решение характерно для большинства высокоинтенсивных рабочих нагрузок, которые в конечном итоге приводят к большему количеству загрузок, чем сохранений.

Также Zen 3 может загружать два и сохранять один 256-битный вектор за одну операцию при условии обращения к разным DC-банкам.

Буфер трансляции адресов (DTLB) не изменился и составляет 2К. AMD также указывает, что была улучшена предварительная выборка через границы страницы.

Блок выборки инструкций и предсказания переходов

По заявлению AMD, блок выборки инструкций и предсказания переходов получил рад оптимизаций, которые позволяют производить более быструю выборку, особенно для разветвленного и большого по площади кода. Это безусловная отличная новость для программистов и большинства игровых движков, поскольку дополнительными оптимизациями занят процессор, а не собственно разработчики.

Буферы целей ветвления были несколько переработаны. Таблица первого уровня в Zen 3 включает 1024 записей вместо 512, а второго уровня — 6,5K записей вместо 7К. Массив косвенных адресов увеличился с 1К записей до 1,5К. В совокупности, все эти изменения должны позволить процессору более быстро восстанавливать исполнительный конвейер после неправильно предсказанного перехода.

Очереди микроопераций формируются из четырех декодированных инструкций за такт или восьми инструкций из микрооперационного кэша. Также очередь микроопераций и диспетчеризация могут вводить в планировщики шесть микроопераций за такт.

Еще одним интересным новшеством является борьба с «пузырьками» в предсказаниях. Во всех процессорах Ryzen используется регистр программного счетчика (ПС) для определения текущей инструкции, выбираемой в конвейере, чтобы предотвратить выборку новых инструкций. Когда инструкция на этапе декодирования остановлена, значение в регистре ПС и инструкции на этапе выборки сохраняются, чтобы предотвратить изменения. Значения сохраняются до тех пор, пока инструкция, вызывающая конфликт, не пройдет стадию выполнения. Такое событие часто называют пузырем по аналогии с пузырем воздуха в отоплении или вашем контуре СВО. В некоторых микроархитектурах взятая ветвь предсказаний приводит к появлению пузыря в конвейере выборки, даже если она правильно предсказана. С многоуровневыми предикторами второй уровень может скорректировать прогноз первого уровня, поэтому прогноз, можно сказать, что он правильный, но для перенаправления выборки будет введен небольшой пузырек. При буферизации такой эффект обычно не дает существенного эффекта. Ветвь также будет использовать ресурсы предсказателя ветвления, возможно, уменьшая предсказуемость других ветвей (например, принимая запись BTB, которая в противном случае не была бы удалена до повторного использования или «растраты» битов в глобальной истории).

Zen 3 принес перемены и в организацию работы планировщиков. Четыре целочисленных планировщика теперь унифицированные и могут обладать очередью в 24 записи для AGU или 24 записи для ALU (вместо 4х16 ALU и 28 AGU).

Планировщики целочисленных значений могут принимать до шести микроопераций за такт, которые подаются в более жирный буфер переупорядочения с 256 записями (вместо 224 в Zen 2).

Модуль Integer имеет восемь исполнительных портов, через которые подключены четыре ALU (арифметико-логических блока), три AGU (блоков генерации адресов) и один BRU (блок позволяет программе принимать решения, а также выполнять переходы и вызовы процедур).

Блок AGU все так же может подавать три микрооперации за такт в файл регистра. Регистровый файл общего назначения чуть подрос с 180 до 192 записей.

Не обошли стороной и модуль вещественных значений (FP). По заявлению AMD структура для загрузки исполнительного модуля получила больший параллелизм, при этом снизились внутренние задержки (это также касается и целочисленного модуля).

В частотности операция умножения-накопления (FMAC) выполняется на один цикл быстрее. Появились также два новых блока F2I и STORE F2I, суть работы которых преобразование вещественных значений в целочисленные, а также последующее хранение. То есть в итоге диспетчеризация стала несколько сложнее, а планировщик стал несколько больше. Конкретных значений, к сожалению, компания AMD не приводит, но, тем не менее, это должно увеличить производительность в приложениях, которые используют AVX2.

IOD и разгон оперативной памяти

Пожалуй, IOD единственный кристалл, который не содержит никаких архитектурных изменений.

В случае с одночиплетной конфигурацией скорость записи составляет половину от скорости чтения (точно так же, как и c микроархитектурой Zen 2). Напомним, что это не является недостатком, ведь большинство приложений используют больше операций чтения, чем записи (за исключением специализированных тестовых приложений). Также самые внимательные из вас могли заметить, что это напоминает ситуацию с иерархией кэшей, там присутствуют три чтения и две записи за такт. То есть архитектура сбалансирована везде.

Двучиплетные конфигурации (Ryzen 9 5900X и Ryzen 9 5950X) получают полноценную скорость записи. Тут также без изменений.

За счет более высокой частоты ядер и реорганизации CCX латентность доступа к DRAM снизилась почти на 10 нс и в большинстве случаев будет составлять 55 нс при использовании памяти с частотой 3800 МГц и CAS 16. Но тут также присутствует разочарование — пока все образцы отказались покорять частоту FCLK выше, чем 1900 МГц. Контроллер памяти не трогали и не дорабатывали.

Безопасность

Безопасность данных всегда была главным приоритетом компании AMD и как многие из вас знают, именно процессоры Ryzen не получали заплаток безопасности с даунгрейдом производительности. Тем не менее, AMD продолжает улучшать безопасность и представляет поддержку CET во всех процессорах с микроархитектурой Zen 3.

CET разработан для защиты от неправомерного использования легитимного кода с помощью атак с перехватом управления, широко используемых методов в больших классах вредоносных программ. CET предлагает разработчикам программного обеспечения две ключевые возможности для защиты от вредоносных программ, перехватывающих поток управления: косвенное отслеживание переходов и теневой стек. Непрямое отслеживание переходов обеспечивает непрямую защиту переходов для защиты от методов атаки с использованием переходов/вызовов программирования (JOP/COP). Теневой стек обеспечивает защиту адреса возврата, чтобы помочь защититься от методов атак, ориентированных на возврат (ROP).

Precision Boost 2

Как показала практика с CTR, технология Precision Boost 2 от AMD продемонстрировала нулевую эффективность еще в процессорах с микроархитектурой Zen 2, поскольку никакого интеллектуального подхода к увеличению частоты относительно напряжения не происходило. В итоге пользователь получал реальную печку. Сейчас ничего не изменилось и в материалах для прессы отсутствуют упоминания про обновленный механизм авторазгона или новый заводской способ поиска удачных ядер, которые будут максимально пригодны для малопоточного boost. К этому мы обязательно вернемся в будущих материалах, поскольку процедура оценки качества ядер занимает много времени, а также требуется выборка образцов для подведения корректных итогов.

Что касается стандартного буста, на данный момент он великолепен и в большинстве случаев полученные значения даже превышают маркетинговые цифры.

Безопасные напряжения и прочие рекомендации

Изо дня в день пользователей волнует, какое напряжение должно быть и какое значение будет безопасным. Итак, небольшая шпаргалка. Для игр и мелких приложений значение CPU VID может колебаться до 1,5 В и это является нормой. Для тяжелой нагрузки максимальное значение CPU VID не должно превышать 1,35 В. Значения в простое могут колебаться в диапазоне 0,2–1,45 В, что соответствует значениям P-state P2 и P1 (слабый boost).

Причем значение 1,45 В отнюдь не означает, что на все ядра подается именно это напряжение, большинство ядер вообще могут быть в состоянии сна C6 или другом C-состоянии. Еще одним важным моментом является скорость изменения значений эффективной частоты и VID, оно составляет около 1 мс — это означает, что запущенный HWinfo или Ryzen Master «ловит» только 1/1000 от того что происходит на самом деле в системе.

Хотелось бы отметить, что теперь после установки драйверов на чипсет (не забываем устанавливать!) не нужно активировать никакие профили Ryzen Balanced или Ryzen Performance — их теперь попросту нет, AMD их упразднила.

Теперь управление питанием процессора происходит с помощью стандартных планов питания Windows. Причем ядра у процессоров Ryzen с микроархитектурой Zen 3 стали спать больше и пропали спонтанные температурные всплески. Система Windows должна быть обязательно с майским обновлением 2004, в противном случае у вас могут быть проблемы с бустом или энергосбережением в простое.

Максимально допустимая температура теперь составляет 95 градусов для процессоров с заявленным пакетом TDP в 65 Вт и 90 градусов для процессоров с TDP 105 Вт.

Модельный ряд

На данный момент в семействе процессоров Vermeer доступно четыре модели: по одной для серий Ryzen 5 и Ryzen 7 и две для Ryzen 9. Сразу видно, что AMD изначально планирует укрепиться во всех сегментах рынка, составив даже конкуренцию HEDT-платформе Intel.

Как и положено старшим CPU в линейке настольных Ryzen, они обладают увеличенным количеством ядер с поддержкой технологии SMT, что позволяет исполнять до 32 и 24 потоков одновременно для Ryzen 9 5950X и Ryzen 9 5900X соответственно. Учитывая стоимость новинок, а она далеко не такая низкая, как была у предшественников, им в самый раз перейти в лигу HEDT, но AMD позиционирует их как лучшие процессоры для игр, а самая старшая модель вообще является бескомпромиссным решением для этих целей. На фоне значительно возросших частот при авторазгоне в это охотно верится, но мы все равно проверим при тестировании так ли это.

Увеличив частоты для boost-режима на 200 МГц, разработчики провели корректировку номинальных характеристик на 100 МГц в сторону уменьшения, причем, это касается всего модельного ряда Ryzen 5000. К счастью, пользователи вряд ли столкнутся с таким режимом работы процессоров в повседневных задачах, а тем более в играх. Как отмечалось выше, новинки на старте продаж прибавили в цене около 50 долларов, и это при отсутствующей в комплекте поставки системы охлаждения! Все в точь как с серией Ryzen 3000XT. В такой ситуации пользователям придется подойти со всей ответственностью к выбору СО. AMD в легкой форме намекает на необходимость использования суперкулеров по типу Noctua NH-U12A или NH-D15S, или же необслуживаемых «водянок» с радиаторами 280/360 мм.

Более доступные представители Vermeer несут все те же новшества, что и старшие решения: сниженная базовая и увеличенные частоты boost-режима. Не забываем о прибавленной стоимости и восьмиядерник Ryzen 7 5800X уверенно приближается по этому показателю к процессорам прошлого поколения, но уже классом выше. Да и у Intel в этом ценовом диапазоне есть неплохие продукты с 10 ядрами. А ведь нам еще надо подумать о хорошей системе охлаждения! Кто испытывает теплые чувства к стоковым кулерам и желает немного сэкономить — для тех предусмотрена модель Ryzen 5 5600X с 12 исполняемыми потоками. Правда, и тут цена говорит не в пользу AMD. Будем надеяться, что она оправдана действительно высокой производительностью.

AMD Ryzen 9 5950X

К сожалению, узнать насколько хорош младший представитель новой линейки мы пока не сможем, зато можем прикоснуться к ультимативному геймингу, вернее, к CPU для него в лице Ryzen 9 5950X. Естественно, при таком количестве исполняемых потоков этот процессор годится не только для игр.

Итак, лишний раз упоминать о возможности работы старшего Vermeer на 5 ГГц, думаем, не стоит. Процессор действительно при однопоточной нагрузке способен ускоряться до 5050 МГц, в чем ему помогла необслуживаемая система водяного охлаждения с 360-мм радиатором и материнская плата ASUS ROG Crosshair VIII Formula, 21 градус по Цельсию в помещении и открытый стенд. При других условиях, возможно, наш экземпляр был бы уже не таким прытким. Слабая многопоточная нагрузка, например, архивирование, снижает частоту до 4200–4225 МГц на все 16 ядер, при этом температура Ryzen 9 5950X не превышает 65 °C.

Если же в качестве кулера использовать кастомную систему водяного охлаждения, то вполне можно довольствоваться показателями на уровне 4625–4650 МГц, что весьма неплохо.

А вот переход к весьма серьезным нагрузкам приводит к еще большим снижениям частот, вплоть до 3850 МГц, собранная СВО лишь отодвигает эту планку на 50 МГц вверх.

Активация PBO в настройках материнской платы, убирающая все лимиты, позволит держать частоту процессора при многопоточной нагрузке на уровне 4475 МГц с необслуживаемой «водянкой», а с кастомной СВО — 4500 МГц с всплесками до 4525 МГц. Но это уже сродни разгону и более детально работу CPU в таком режиме мы обязательно изучим в наших будущих материалах.

Животрепещущий вопрос относительно работы памяти на эффективной частоте 4000 МГц в режиме 1:1, увы, остался без ответа. Обещания AMD не подтвердились, новинка смогла без проблем работать с шиной Infinity Fabric лишь на 1900 МГц, не выше. Возможно, нам попался такой экземпляр, ведь и обещания акцентировали внимание на удачности процессора. Но, по словам наших коллег, пока никому еще не удалось заставить работать IF на 1933 МГц. Что же, будем надеяться, что секрет повышенной частоты будет вскоре раскрыт.

Что касается оверклокинга, то после того, как производители все уже разогнали на заводе, приходится довольствоваться хоть чем-то, а иногда он попросту лишен смысла, так как достигнуть показателей максимального boost-режима при обычном охлаждении нереально.

Воспользовавшись контуром водяного охлаждения, нам удалось разогнать Ryzen 9 5950X до 4800 МГц по двум блокам CCD с корректировкой VID на уровне 1,327–1,33 В. При таких настройках процессор работал на пределе, разогревался до 75 градусов в 7-Zip и запросто уходил за 80 °С в Cinebench и подобных бенчмарках.

К счастью, в играх этот показатель не превышал 65 °C, но для режима 24/7 стоит все же снизить уровень разгона до 4750–4775 МГц, что прибавит лишнюю стабильность системе.

AMD Ryzen 9 5900X

Следующий наш подопечный — «самый лучший игровой процессор», а именно Ryzen 9 5900X! Тут поспорить с AMD будет сложно, учитывая, что новичок при авторазгоне достигает 4950 МГц в однопоточной нагрузке.

Естественно, такие показатели были достигнуты в наших условиях. При слабой многопоточной нагрузке без проблем можно будет наблюдать частоты уровня 4600–4625 МГц, хотя и возможны просадки до 4425 МГц, что все равно весьма достойный результат!

При этом, несмотря на наличие «всего лишь» 12 ядер, процессор стал горячее по сравнению со старшей моделью и 70 °C под простой «водянкой» для него норма. Кастомная СВО снизит этот показатель еще на 5 градусов.

Переход к более сложным расчетам, например, рендерингу, корректирует частоту на уровне 4225–4250 МГц, улучшение охлаждения позволяют отодвинуть эту планку на 50 МГц.

С самой максимальной нагрузкой дела обстоят несколько хуже — процессор в таком режиме уже работает на 4175–4200 МГц, что все равно намного лучше, чем у предшественника Ryzen 9 3900X, который снижал частоту до 3925–3950 МГц.

Разгон Ryzen 9 5900X оказался аналогичным — 4800 МГц на все ядра, но VID уже не превышал 1,32 В, иначе процессор перегревался и уходил в защиту. Остальные показатели также были на уровне Ryzen 9 5950X.

Работа с Infinity Fabric на 2000 МГц для этого экземпляра пока под вопросом, тестирование идет полным ходом, но о 1966 МГц вполне можно говорить. Более подробно мы сможем рассказать несколько позже.

Тестовый стенд

В состав стенда с процессорами вошли:

• материнская плата: ASUS ROG Crosshair VIII Formula (UEFI 2311);
• система охлаждения №1: ASUS ROG Strix LC 360 RGB;
• система охлаждения №2: EK-Supremacy EVO + Swiftech MCP350 + EK-DDC X-TOP + Koolance TNK-501 + Bitspower Leviathan XF 360 + 3x EK-Vardar EVO RGB 120mm;
• термоинтерфейс: Noctua NT-H1;
• память: G.Skill Trident Z Neo F4-3600C16D-16GTZN;
• видеокарта: ASUS TUF-RTX3080-O10G-Gaming;
• накопитель №1: Kingston KC600 512GB;
• накопитель №2: Corsair Force MP600 Gen4 PCIe x4 2TB;
• корпус: Cooler Master Test Bench v1.0;
• блок питания: ASUS ROG-STRIX-1000G;
• операционная система: Windows 10 Pro x64 (2004);
• драйверы: AMD 2.10.13.408, Nvidia GeForce 456.71.

Система была собрана на открытом стенде. Для режима «из коробки» использовалась СО ASUS ROG Strix LC 360 RGB с настроенными оборотами вентиляторов на уровне 28%/40°C, 50%/40°C и 100%/50°C, помпа при этом всегда функционировала на 100%. При разгоне использовалась кастомная СВО, помпа и вентиляторы которой работали всегда на скорости 100%. Подсветка и лишние контроллеры на материнской плате отключались. NVMe-накопитель с собственным радиатором подключался через переходник к слоту PCI-E x16@4, операционная система устанавливалась на Kingston KC600 512GB. Все обновления для ОС, доступные в Центре Обновления Windows, были инсталлированы. Сторонние антивирусные продукты не привлекались, тонкие настройки системы не производились, размер файла подкачки определялся системой самостоятельно. Память функционировала на частоте 3600 МГц с таймингами 16-16-16-36-1Т в режиме по дефолту и 3800 МГц с 16-16-16-34-1Т и полным ее тюнингом при разгоне процессоров, при этом напряжение на модулях было выставлено на уровне 1,435 В, а на SoC — 1,131 В для Ryzen 9 5950X и 1,125 В для Ryzen 9 5900X и Ryzen 9 3900X. Видеокарта работала со штатными частотами, лишь скорость вентиляторов в игровых приложениях увеличивалась до 90% при помощи MSI Afterburner, что позволяло нивелировать перегрев карты во время тестирования.

В качестве тестового ПО использовались такие программы:

• AIDA64 v6.30.5500;
• CPU-Z 1.94.0;
• Cinebench R20;
• Geekbench 5;
• 7-Zip 19.00;
• HWBot x265 Benchmark 2.2.0;
• 3DMark.

Результаты тестирования

Как и указывалось выше, глобально контроллер памяти каких-либо изменений не претерпел и в Ryzen 5000 он перекочевал из старой серии, но реорганизация кластеров CCX позволила снизить латентность почти на 10 нс.

Cinebench демонстрирует рост производительности однопоточных вычислений на 20 процентов, тогда как переход к большему числу задействованных потоков — лишь на 17%. Разгон, естественно, снижает мощность одного ядра, но позволяет неплохо поднять производительность при многопоточных вычислениях, особенно для Ryzen 9 5950X.

Аналогичная картина наблюдается в Geekbench 5, но в отличие от предыдущего теста, здесь разгон позволяет при многопоточных вычислениях обойти старшую модель, работающую в номинале.

При обработке видео высокой четкости все также без изменений, рост производительности почти до 20 процентов, но при разгоне старичок так и не смог сравняться со своим приемником, тогда как последний практически дышит в затылок Ryzen 9 5950X. Но разгон творит чудеса не только с 12-ядерниками.

В архивировании новая архитектура уже сбавляет обороты, но с разгоном она масштабируется намного лучше, чем Zen 2.

3DMark уже не внушает столь много оптимизма, как предыдущие приложения, хотя в подтесте CPU и наблюдается 6% превосходство Zen 3 — в реальности все опять упрется в видеокарту.

Энергопотребление

Несмотря на возросшие частоты, Vermeer потребляет даже меньше при многопоточных вычислениях, чем представитель серии Ryzen 3000, а старшая модель вообще экономичнее Ryzen 9 5900X. При разгоне все строго наоборот, но надо учитывать, что и производительность новинок выше. Для более точных цифр не забываем отнимать около 20 ватт в режиме оверклокинга, так как помпа вносит свою лепту в общее энергопотребление системы.

А вот в игровом тесте вообще без разницы, какой используется процессор и есть ли разгон в принципе.

С тестированием процессоров в игровых приложениях можно ознакомиться уже в следующем материале.

Выводы

Компания AMD провела серьезную работу над ошибками и выпустила действительно мощные решения, которые вправе взять эстафету у своих предшественников в лице Ryzen 3000. Новая серия помимо все того же большого количества ядер предлагает пользователям возросшие частоты, что может стать решающим фактором при выборе процессора — теперь 5 ГГц есть не только у Intel. Увеличилась производительность в однопоточных вычислениях, что непременно сказалось и на возможностях при максимальной нагрузке, при этом они даже экономичнее, чем продукты прошлого поколения. Кроме того, инженерам удалось снизить латентность контроллера памяти, что также может сказаться на производительности в некоторых приложениях. Вырос разгонный потенциал и при соответствующем охлаждении можно добиться от новинок неплохих результатов. Естественно за все это придется заплатить — все модели увеличились в цене на 50 долларов. Стоит ли такая переплата своих денег пока сказать сложно, ибо основываться необходимо при сравнении с конкурентами. Но, как-то только будет закончено наше тестирование — мы поставим точку в этом извечном вопросе «что лучше?».

Сравнение Ryzen 9 5950X и Ryzen 9 5900X с Intel Core i9-10900K в следующем материале.