Платформа AM4 стала наверно самой удачной за всю историю компании AMD. Пять лет пользователи могли не менять материнскую плату и все время оставаться в строю, наслаждаясь ежегодным обновлением архитектуры Zen. Нет, это не просто три буквы, это поколения процессорных архитектур, которые в буквальном смысле заставили «шевелиться» весь кремниевый рынок. Архитектура Zen первая покоряла новые технологические нормы производства, и первая поразила мир количеством ядер для настольного сегмента.
Мы увидели наконец-то достойную конкуренцию продуктам синего гиганта и серьезный рост IPC. Теперь мы свидетели новой эпохи, которая скрывается под кодовым словом AM5. Именно она призвана продолжить путь архитектуры Zen и в ближайшем будущем опять удивить пользователей не только количеством ядер, а и преодолением психологического рубежа в 5 ГГц для многопоточных задач. Согласитесь, интригует.
Платформа AM5
Нередко с выходом новых платформ у пользователей возникает вопрос «а для чего менять сокет или чипсет?», если, казалось бы, мы и так имеем уже довольно мощные подсистемы питания, качественную трассировку сигнальных линий и достаточный объём памяти для UEFI. Давайте разбираться по порядку на примере AM5.
В 2022 гонка технологий энергоэффективности достигла своего апогея, целью которой является достижение максимальной производительности и адаптивность относительно типа нагрузки. За ширмой этих красивых слов находятся более простое понятие как умное изменение частоты относительно напряжения и нагрузки. Помимо процессора львиную долю ответственности за это несет и материнская плата, которая должна обеспечивать запрашиваемое питание с должным откликом. Кроме отклика важным элементом является точность данных, получаемых с различных датчиков, которые контролируют состояние «здоровья» процессора и предоставляют ему более точную информацию относительно текущих возможностей различных регуляторов VRM.
AM5 получила новый высокоскоростной стандарт AMD Serial Voltage 3 (SVI3), ранее представленный в серии мобильных процессоров Ryzen 6000. SVI3 обеспечивает более точное управление питанием, улучшенный контроль телеметрии и значительно более быструю реакцию на изменение напряжения. В частности, для настольных решений SVI3 также поддерживает большее количество фаз питания, что будет особенно полезно для high-end материнских плат X670E.
Следующим важным новшеством является стандарт PCI Express 5.0. Одним из основных различий между каждым поколением PCIe является скорость и пропускная способность. Говоря на языке цифр, PCIe Gen 5.0 в конфигурации x16 имеет скорость передачи до 32 ГТ/с и пропускную способность до 128 ГБ/с, что ровно в два раза больше, чем у стандарта PCIe 4.0.
Ещё одна проблема, которую призван решить PCIe 5.0 — нехватка питания видеокарте. Правильно, PCIe 5.0 сможет обеспечить достаточную мощность для видеокарт класса high-end. PCI-SIG же утверждает, что каждый контакт в основном блоке может поддерживать до 9,2 А. В сумме это составляет 55,2 А для всего разъема с максимальной поддерживаемой мощностью 662,4 Вт. С учетом допусков вы получите 600 Вт (300Вт для PCIe 4.0), чего вполне достаточно даже для самой прожорливой видеокарты, но с одним условием — видеокарта тоже должна поддерживать стандарт PCIe 5.0.
Прибавку производительности получат и M.2 NVMe. Уже сейчас довольно много анонсированных продуктов, которые способны будут преодолеть психологическую отметку скорости чтения в 10 ГБ/с.
Количество процессорных линий PCIe возросло с 24 до 28, для нужд видеокарт выделяется все так же 16, а для NVMe — 8. Дополнительные 4 линии предназначены для периферии и новых высокоскоростных 20 и 10 Гбит/с USB-портов.
Ключевые отличия между чипсетами с суффиксом E и без заключаются в наличии обязательной поддержки процессорных линий PCI Express 5.0 для «экстремального» чипсета. Любопытно, но судя по вышеприведённой иллюстрации компания AMD решила не говорить об этом. Тем не менее наличие поддержки будут определять вендоры материнских плат. Чипсет B650(E) придётся по душе пользователям, которым не требуется столь большое количество портов и интерфейсов, что в свою очередь позволит существенно сэкономить деньги.
Так же хочу отметить, что теперь платформой AM5 поддерживается вывод изображения через порты USB стандарта Type-C, количество которых равно 3(!). Присутствует и поддержка WiFI-E6 с DBS/Bluetooth Low Energy 5.2.
Завершает список уникальных нововведений поддержка высокосортной памяти DDR5. Разница между оперативной памятью DDR5 и ее предшественницей выражается в удвоенной скорости передачи данных. Новые модули памяти предполагают вдвое большее количество групп банков (8 против 4), при этом число банков в группе остается прежним, равным четырем.
В итоге более быстрая шина данных будет заполнена быстрее, попутно увеличивая эффективность транзакций, так как рост числа групп банков позволяет оставлять одновременно открытым большее количество страниц и тем самым увеличить вероятность доступа к данным. Увеличение частоты интерфейса памяти обеспечивается удвоением длины пакетов. Если в DDR4 в один пакет входило восемь последовательных пересылок по шине данных, то в DDR5 их стало 16.
Ширина шины в обоих вариантах оперативной памяти одинакова, 64 бит, DDR5 может похвастаться улучшенной архитектурой каналов. Каждая планка оперативной памяти содержит два канала, а не один, как у DDR4. Выигрыш от подобного нововведения позволяет выполнять две разных операции одновременно с одного модуля. Также каждый суб-канал получил свою 8-битную шину ECC. Эта функция автоматического исправления ошибок позволяет системам, использующим память DDR5, иметь более высокую стабильность и отсутствие прерываний из-за ошибок.
Рост производительности DDR5 относительно DDR4 также обусловлен тем, что новинка научилась «регенерировать» информацию в ячейках побанково, ранее же эта операция проводилась для всех банков сразу. Сохранность данных в ячейках требует регенерации заряда через определённые промежутки времени. В DDR4 этот процесс требовал остановку любых других операций, что по факту периодически блокировало любые полезные операции. В новой памяти регенерацию для разных банков в группах возможно выполнять поочерёдно, при этом остальные банки остаются доступны для обращений. Данный подход увеличивает производительность DDR5 на дополнительные 6–9 %.
Также в DDR5 управление питанием перемещается с материнской платы на сам модуль (DIMM). Модули оснащены 12-вольтовыми ИС управления питанием (PMIC), что позволит лучше контролировать энергопотребление системы. Также PMIC обеспечивает улучшенную целостность сигнала и более низкий уровень шума.
Последнее изменение — это то, что вы уже наверняка знаете, DDR5 имеют большую емкость и модуль объемом 16 Гбайт становится рекомендуемой стартовой отметкой для любой системы.
Подведя итог данной главы хочется отметить, что новая архитектура процессора просто не могла быть реализована на старой платформе, новшеств не просто много, а очень много. Платформа AM5 в очередной раз должна стать долгожителем, поддержка планируется как минимум до 2025 года. Приятным бонусом является поддержка систем охлаждения с креплением AM4. Единственным, пожалуй, недостатком среди всего перечисленного будет цена.
Архитектура Zen 4
Структурно Zen 4 не отличается от предшественника: один или два комплекса, именуемые CCD, в зависимости от модели. Каждый CCD состоит из восьми полноценных ядер и 32 МБ кэша L3, связанных между собой кольцевой шиной. Транзисторный бюджет одного CCD содержит 6,57 миллиарда транзисторов, что на 58% больше, чем CCD на базе Zen 3. Количество ядер для флагманского решения неизменно — 16 ядер с технологией SMT.
Основной акцент был сделан на внедрение новых инструкций AVX-512 и AVX-512 VNNI (ускорение вычислений для нейросетей), увеличение буфера ветвления (BTB) и размере Op-кэша, усовершенствовании предсказателя ветвлений, увеличении размеров файловых регистров, увеличении очереди команд и ряде других изменений дабы конвейер максимально эффективно справлялся с новыми инструкциями. Разумеется, данные архитектурные улучшения существенно повлияли и на арифметические способности процессора, даже без использования AVX-512, но об этом в следующих главах.
Заявленный прирост исполняемых инструкций за такт составил впечатляющие 13%.
Ради интереса давайте рассмотрим процентное соотношение для каждого архитектурного изменения:
- +1% за удвоение кэша L2.
- +1% механизм исполнения.
- +2,7% предсказатель ветвлений.
- +3% загрузка и хранение данных.
- + 5,2% улучшение интерфейсов.
Внимательные пользователи могут заметить, что текущий путь AMD имеет схожесть со стратегией тик-так, которая ранее использовалась в синем лагере. Zen 4 — в первую очередь это работа над ошибками и устранение «узких мест» архитектуры Zen.
С кремниевой точки зрения компоновка несколько изменилась, в частности для FPU. Это четвертая архитектура, которая заставляет AMD в этом блоке почти все переделывать. Если сравнивать с конкурентом, то он нашел свою «золотую середину» почти 10 лет назад и с тех пор ничего кардинально не меняет.
Технологический процесс совершил серьезный шаг вперед и теперь это долгожданные 5 нм. Все процессоры Zen 4 основаны на технологическом процессе под кодовым названием N5 PPA от компании TSMC. Он производится по второму поколению технологии EUV, которая является самым передовым решением в «литейной» промышленности с наилучшими показателями производительности, мощности и площади (PPA). Техпроцесс N5 PPA обеспечивает скорость примерно на 15% выше, чем технология N7, или снижение потребляемой мощности примерно на 30%. Плотность размещения транзисторов при этом возрастает в 1,8 раза. Именно благодаря обновленному техпроцессу процессоры Ryzen способны покорять барьер в 5 ГГц даже в мультипоточной нагрузке.
Инженеры AMD не забыли и про любителей однопоточной нагрузки. 5,7 ГГц с коробки и возможность улучшить результат до впечатляющих 5,85 ГГц после оптимизации вольт-частотной кривой. AMD заявляет о 29% приросте производительности в однопоточной нагрузке относительно предшественника. Несмотря на то, что даже ПО управления RGB использует несколько ядер, битва за эту мифическую корону продолжается.
Хороший акцент уделен метрикам энергоэффективности архитектур относительно техпроцесса. Zen 4 на 49% производительней при том же самом энергопотреблении относительно Zen 3 или на 62% требует меньше энергии при идентичной производительности.
Обратная сторона медали? Да, она есть. Первое, что бросается в глаза, это уровень TDP, который возрос со 105 до 170 Вт. Площадь ядра, включая кэш-память L2, составляет 3,84 мм², что примерно на 18 % меньше по сравнению с площадью около 4,11 мм² у Zen 3 на 7-нм техпроцессе. Это означает что тепловыделение выросло с 1,25 Вт/мм² до впечатляющих 1,92 Вт на мм². Максимально-допустимая температура не изменилась, все те же 95 °C. В противовес этому, к сожалению, не было предпринято каких-либо действий (во всяком случае в документации для рецензентов). Припой имеет место быть. Хотел бы напомнить, что в свое время компания Intel уже сталкивалась с проблемой перегрева и в качестве решения стачивала верхний слой кристалла дабы улучшить тепловые процессы между кристаллом и теплораспределительной крышкой (IHS). Резюмируя, могу сказать только одно — пользователям таки придётся раскошелиться на добротную систему охлаждения, а любителям разгона и вовсе перейти на кастомное водяное охлаждение.
Строение CCD и иерархия кэшей
Иерархия кэшей имеет небольшие изменения.
Кэш-память L1-I и L1-D по-прежнему имеет 32 Кбайт с 8-канальной ассоциативностью, а кэш-память второго уровня стала 1024 Кбайт с 8-канальной ассоциативностью, что в два раза больше, чем у предшественника. С точки зрения транзисторного бюджета несоизмеримое повышение затрат относительно полученного прироста IPC в 1%, но это оправдывает себя в высокоинтенсивных нагрузках, в частности в серверном сегменте.
Zen 4 поддерживает 64 существенных пропусков между L2 и L3 на ядро и 224 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 не изменилась, но очередь на загрузку выросла с 72 до 88. Буфер трансляции адресов (TLB) L2 кэша также подрос на 50% и теперь составляет 3 Кбайт.
Стоит отметить, что подобные изменения должны серьезно повлиять на производительность в высокоинтенсивных задачах, которые приводят к большему количеству загрузок, чем сохранений.
Доступ близлежащих ядер к кэшу L3 осуществляется без использования Infinity Fabric, тут изменений нет. Задержка L3-кэша увеличилась, с 46 до 50 тактов. Основная причина этого явления все так же является объём монолитной структуры и возросшие тактовые частоты L3. 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.
Компания AMD заявляет, что количество промахов кэшей L2 к L3 и L3 к оперативной памяти возросло. То есть если результат обрабатываемого запроса отсутствует в кэше, и чтобы его получить необходимо обращаться к внешней памяти. При получении ответа мы можем сохранить новое значение в кэш, вытеснив(удалив) некоторое старое, как результат — увеличение быстродействия.
Исполнительный блок и предсказатель ветвлений
Исполнительный блок почти не изменился. Все так же мы имеем четыре целочисленных унифицированных планировщика и два планировщика вещественных значений. Регистровый файл общего назначения подрос со 192 до 224, а регистровый файл для вещественных значений подрос со 160 до 192 записей.
«Ширина» конвейера осталась прежней, он позволяет выполнять за один цикл 10 целочисленных и 6 вещественных микроопераций.
Отмечается, что буферы по всему ядру стали более «глубокими», а очередь команд на выбывание возросла на 25%.
Архитектура Zen 4 позволяет предсказателю ветвлений за один цикл обрабатывать сразу две «ветки» вместо одной, как было ранее. Попутно были увеличены целевые буфера ветвления (BTB) для кэшей L1 и L2. Микрооперационный кэш был также увеличен с 4 до 6,75 Кбайт. Как итог мы можем наблюдать увеличение количества исходящих микроопераций из Op-кэша с восьми до девяти за один цикл.
Хочу отметить, что все вышеперечисленные изменения в первую очередь направлены на то, чтобы конвейер был максимально загружен и не возникало ситуаций с «простоем». Да, безусловно хотелось увидеть более «широкий» конвейер и более «жирный» декодер инструкций, но видимо это припасено для будущих архитектур.
AVX-512 и ускорение вычислений для нейросетей
Однажды «отец» семейства операционных систем Linux Линус Торвальдс критически высказался о перспективах расширения набора команд Intel AVX-512 (Advanced Vector Extensions). Основным посылом было то, что на тот момент Intel бесполезно палила транзисторный бюджет, создавая «магические» инструкции, пригодные только для тестов и сравнительного превосходства над конкурентами. Закончилось это тем, что Intel начала блокировать AVX-512 через вендоров материнских плат. Теперь с этим пришла компания AMD. Почему?
Как и все предшественники, AVX-512 предназначен ускорить работу приложений, использующих мультимедийные инструкции для работы определенных алгоритмов. Например, AVX и AVX2 используются для ускорения конвертации видео, эмуляторов игровых приставок, работы фото- и видеоредакторах, в частности для размытия фона и других операциях.
Заметного ускорения за счет новых инструкций уже сегодня можно добиться и при кодировании видео формата HEVC. Представители AMD говорят о том, что данные инструкции в первую очередь пригодятся для программного обеспечения, которое задействует глубокое обучение и искусственный интеллект, а также различные техники масштабирования изображений.
Вторая причина текущего прихода AVX-512 в настольный сегмент — это то, что серверная архитектура является родителем настольных процессоров. Именно в серверной архитектуре AVX-512 достаточно эффективно используется для научных расчетов, моделирования и других высокоинтенсивных задачах. По сути, то, что мы имеем, это приятный бонус, на который делается акцент.
Нужно отдать должное, штрафов выполнения AVX-512 нет, а частотный предел ограничен лишь допусками по току и температуре.
IOD и iGPU
«Система на чипе», он же IOD перетерпел серьезных изменений — он выполнен по нормам 6 нм вместо 12 нм, в него было интегрировано видеоядро с архитектурой RDNA2, и он так же получил поддержку стандарта PCIe 5.0.
Благодаря усовершенствованному техпроцессу площадь кристалла не возросла, она составляет все те же 125 мм² несмотря на то, что было интегрировано графическое ядро.
Оно поддерживает AV1-декодирование, кодирование и декодирование в H.264 и HEVC. Вывод изображения может осуществляться через порты DisplayPort 2.0 (пропускная способность 40 Гбит/с) и HDMI 2.1 или через USB Type-C, работающим в режиме переходника на DisplayPort.
IOD имеет модуль видео (VCN) и дисплея (DCN), что и Ryzen 6000. Несмотря на то, что все чипы Ryzen 7000 будут иметь встроенные iGPU, компания по-прежнему будет выпускать APU Zen 4 с более мощными iGPU. Так как во встроенном графическом ядре всего 2 CU (Compute Unit), работающих на 2,2 ГГц, оно не претендует стать конкурентом для настоящих гибридных процессоров, хотя производительность решения таки позволит соперничать с продуктами, которые содержат iGPU уровня Vega 6. Это очень приятный бонус для тех, кто не нуждается в графическом адаптере, а использует систему сугубо для рабочих задач. Также это понравится тем, кто меняет часто видеокарты и иногда приходится ждать новинку уже продав свой текущий графический адаптер.
Отмечается, что IOD имеет очень высокую энергоэффективность так как построен по аналогичной методологии, что и передовые мобильные решения Ryzen 6000.
Контроллер памяти был незначительно усовершенствован и состоит из спаренных двух контроллеров, которые отвечают каждый за свой канал, ровно так, как это реализовано в мобильных или настольных гибридных процессорах последних поколений. Это позволяет достигать более высоких рабочих частот в 3000 МГц, не изобретая заново «колесо». Разумеется, компания AMD про это не делала слайды, поскольку это довольно неприятный момент, ведь фанаты ожидают большего. В качестве аргумента для защиты своей «гипотезы» я могу привести факт того, что пользователю не доступно управление tREFI, тот самый ожидаемый параметр от памяти DDR5. Напомню, что его значение определяет временной интервал между всеми процедурами регенерации памяти. Без него полноценная оптимизация невозможна, она осталась на том же техническом уровне, что и в эпоху DDR4.
Сохранился и «феномен» падения скорости записи на моделях процессоров с одним CCD, поскольку скорость обмена информацией между CCD и IOD для записи составляет половину от скорости чтения. Как я писал ранее в предыдущих материалах, это не является проблемой, поскольку во время выполнения большинства расчетов процессором в три раза доминирует потребность в чтении нежели в записи.
Интересной особенностью Zen 4 является то, что Infinity Fabric (знакомое всем FCLK) было «отвязано» от домена с контроллером памяти, диких падений производительности больше не предвидится при изменении частоты FCLK. Аналогичный подход используется и в архитектуре RDNA2. Это также означает, что увеличение FCLK положительно отразится на пропускной способности и латентности между CCD. Решения с одним CCD прибавки почти не почувствуют.
Компания AMD заявляет, что Infinity Fabric была несколько оптимизирована, но примеров не приводится. Осмелюсь предположить, что речь идет об исправлении архитектурной проблемы поколения Zen 3. Заключалась она в том, если FCLK достигала частоту свыше 1800 МГц она начинала работать в динамическом режиме, нередко частотные пики достигали 2000+ МГц, что у пользователей, собственно, и вызывало WHEA. Это предстоит проверить в будущих тестированиях. На первых UEFI, которые были доступны рецензентам, FCLK могла стабильно работать до 2133МГц включительно, что будет по итогу — задача будущих материалов.
Что касается «сладкого пятна» для контроллера памяти, на котором процессор семейства Ryzen 7000 раскроет свой потенциал, то говорится о 6000 МГц DDR5. То есть максимальная частота UCLK может быть 3000 МГц. Переход на более высокую частоту приведет к переходу контроллера памяти в режим 1:2, что негативно отразится на латентности и производительности системы. Потому единственной радостью пользователей будет только модификация таймингов оперативной памяти или FCLK.
AMD EXPO
AMD EXPO — это встроенные профили разгона для памяти DDR5. Они стали ответом на экстремальные профили памяти Intel (XMP), которые являются неотъемлемой частью почти всех комплектов DDR5. AMD EXPO уже протестирован и проверен производителем на заводе, поэтому самостоятельно разбираться в тонкостях тюнинга таймингов пользователю не придется.
Профилей AMD EXPO у набора оперативной памяти может быть несколько и переключение между ними возможно не только через UEFI, а еще через Ryzen Master в операционной системе. Это довольно уникальная черта, поскольку XMP позволяют делать переключение только через UEFI.
Компания AMD обещает до 11% прибавки производительности относительного «сырых» настроек JEDEC с частотой в 5200 МГц.
Чего-то сверхъестественного в этом нет, поскольку XMP способно предоставить пользователю аналогичные результаты. Разумеется, возможен дополнительный пользовательский тюнинг, который сможет подарить еще до 10% производительности.
На момент старта продаж процессоров Ryzen 7000 будет доступно более чем 15 различных комплектов памяти от различных производителей и со временем это число будет постоянно возрастать.
Что выбрать? Я хочу предложить такую схему подбора памяти — разделить рабочее напряжение на CL тайминг, чем ниже значение — тем интереснее образец для последующего тюнинга. Второй критерий — система охлаждения памяти, обращайте внимание на это и кто б что не говорил, память с тюнингом — это горячая штучка, ведь температура негативно воздействует на более «зажатые» тайминги.
Безопасность
Компания AMD не забыла и про клиентскую безопасность, представив новые расширения и заплатки для виртуализации и устранения спекулятивного выполнения различных сценариев.
Предварительное тестирование — Sandra 20/21
Сырая математическая производительность одна из важных метрик, с которой сегодня я хочу вас познакомить.
Результаты Zen 4 стартуют с невероятных цифр: 42% быстрее в целочисленных вычислениях и 30% быстрее в вычислениях с плавающей запятой, но самое главное, что это без использования AVX-512! Значительно возросшие частоты и улучшения ALU/FPU сыграли решающую роль. Конкурент в лице Intel Core-12900K просто остается далеко позади, тут и комментировать нечего.
Даже в векторизованных алгоритмах SIMD с тяжелыми вычислениями можно заметить те же результаты: Zen 4 с AVX-512 на 60% быстрее, чем Zen 3, а в одном из тестов разница составляет 2,1 раза.
Обработка графических изображений — это отличный тест для оценки возможностей AVX-512. Во всех тестах Zen 4 обходит предшественника минимум в 2 раза, а в одном из тестов и вовсе разница почти трехкратная.
Нужно отдать должное, что оптимизация оперативной памяти в большинстве сценариев способна принести еще дополнительную производительность.
Заключение
Процессоры Ryzen 7000 серии, основанные на архитектуре Zen 4 и 5-нм техпроцессе способны оправдать смелые ожидания самых придирчивых пользователей.
Zen 4 — это беспрецедентный уровень производительности как в играх, так и рабочих задачах, при этом цена относительно предшественника не возросла. В качестве бонуса каждый пользователь получает еще и полноценное интегрированное видео ядро, которое способно работать с самими новыми стандартами кодирования и вывода изображения на экран. Отдельной похвалы заслуживает платформа AM5, которая сохраняет совместимость с системами охлаждения AM4, приносит поддержку DDR5 и стандарта PCI Express 5.0 с обилием портов для подключения различной периферии. План компании AMD относительно жизненного цикла AM5 до 2025+ года обрадует пользователей, которые не привыкли менять материнскую плату. Недостатки? Цена на материнские платы и DDR5, в связи с чем советую пользователям относиться к выбору, как к «собственной свадьбе». На сегодня все, а в скором будущем вас ожидает подробное тестирование и материалы, которые позволят вам получить с этих процессоров еще больше производительности.