AMD走出自己的路 小芯片設計如何打造業(yè)界最強64核EPYC？

2019年5月，AMD迎來了自己的50歲生日。在X86這個行業(yè)，她只比老大哥Intel小一歲，后者去年迎來了自己的50周歲紀念日。50年來，這兩家企業(yè)幾乎主宰了全球半導體市場的風云變化，基本上Intel占主導地位，而AMD扮演挑戰(zhàn)逆襲者的角色。

AMD的最近一次逆襲，還得從5年前更換CEO說起。2014年10月份，即將發(fā)布Q2季度財報的AMD公司宣布CEO羅瑞德退位，這個職務將由時任COO的蘇姿豐博士（Lisa Su）接任。那時候的她，剛剛加入AMD公司2年而已。

彼時的AMD仍然處于蟄伏階段。在CPU及GPU領域，AMD的兩大對手Intel、NVIDIA已是如日中天，而當時的AMD并沒有能足夠與之博弈的處理器和顯卡產(chǎn)品—;—;如今給AMD帶來巨大轉機的Zen處理器當時還在開發(fā)當中。不過，CEO蘇姿豐是標準的女強人，AMD不服輸?shù)难允强淘诠亲永锏摹?/p>

剛剛接任CEO沒多久，蘇姿豐就在接受媒體采訪時表態(tài)—;—;“我們不會活在Intel陰影下”，這句話不是蘇姿豐擔任CEO之后AMD才做的，多年來AMD實際上一直在這樣做。AMD希望尋求一條不同于Intel的發(fā)展之路。

太遠的不說，從X86處理器進入64位時代開始，AMD首次在64位指令集上做到了胳膊擰過大腿—;—;大家津津樂道的K8大錘處理器最關鍵的成功不是架構，而是搶先了64位指令集，如今我們在用的X86_64指令集的名字是AMD64，Intel后來也遵從了這一指令集。

在這之后，AMD在X86處理器發(fā)展上一直在走自己的路。2011年，AMD推出了推土機Bulldozer架構，這款處理器的設計思路非常先進，2個整數(shù)單元+1個彈性浮點單元的設計迎合了AMD收購ATI之后意圖打造的CPU+GPU協(xié)同發(fā)展的理念，這種模塊化設計是X86發(fā)展的一個里程碑。

推土機首發(fā)桌面8核處理器

再后來，AMD推出了我們今天討論的主角Zen核心，這一代的處理器架構設計可謂具有突破性的改進，也同時延續(xù)了AMD自己的特色。它的問世不但讓AMD實現(xiàn)了逆襲，也給AMD打下了未來十年的基礎，目前發(fā)展到了Zen2，從路線圖上看，Zen4架構已經(jīng)在研發(fā)了。

Zen架構實現(xiàn)52% IPC性能提升 模塊化設計重出江湖

十年磨一劍，終成大器！2017年3月2日，AMD終于拿出了Zen核心的銳龍?zhí)幚砥?，重返高性能處理器市場。Zen架構的到來，給了AMD扭轉局勢的機會。在K10、推土機兩代架構之后，這是AMD再一次沖擊X86市場，AMD也多次表態(tài)要再現(xiàn)輝煌，奪回失地。

關于第一代Zen架構的改進細節(jié)，這里就不一一贅述了。兩年前發(fā)布的產(chǎn)品在網(wǎng)上已經(jīng)有大量評測和解析了，我們只提AMD在重新設計了內(nèi)核、SMT多線程、緩存、Infinity Fabric總線等單元之后，Zen架構實現(xiàn)的目標吧。

AMD之前宣稱Zen架構實現(xiàn)了40%以上的IPC提升，不過最終發(fā)布時，AMD表示其實際IPC性能提升了52%，遠超預期。相比以往的K10、推土機架構有了質(zhì)的改變，比對手擠牙膏式的架構升級也是天翻地覆的變化。

在上述架構改變中，AMD重新設計的CCX（CPU Complex）架構是最重要的。每個CCX單元有4個CPU核心，每個核心各自有64KB L1 I-Cache（指令緩存）、32KB L1 D-Cache（數(shù)據(jù)緩存）、512KB L2緩存，L3緩存高達8MB，但是4個核心共享的。

這樣4核CPU組合的CCX算是AMD Zen架構的一個模塊，在第一代中桌面處理器最多8核16線程，里面是2個CCX單元，二者之間使用Infinity Fabric總線（簡稱IF總線）連接，而IF總線又是Zen架構的另一個僅次于CCX的創(chuàng)舉。

桌面處理器銳龍7 1800X的物理核心如下圖所示：

桌面版銳龍7 1800X處理器開蓋后的核心

用于服務器版的Naples處理器最多32核64線程，也就是8組CCX單元，分配在4組CCD（Core Chiplet Die）單元中。不過這時候AMD還沒有正式用CCD這個命名，直到現(xiàn)在的Zen2架構中才出現(xiàn)這個命名。

服務器版EPYC 32核（Naples）處理器開蓋后的核心

桌面版因為最多8核，所以只有1個CCD單元，外面看起來跟原生8核沒什么區(qū)別，而服務器版是32核，有4組CCD單元，可以更清晰地顯示出AMD在Zen（改進型Zen+是一樣的架構）的設計思路—;—;那就是模塊化。不過，這個模塊化跟推土機的模塊化不一樣，屬于創(chuàng)新模塊，不是將內(nèi)核模塊，而是將CCD模塊化，需要多少核心就配置相應的CCX/CCD核心即可。

摩爾定律放緩 AMD另辟蹊徑：Zen2走向混合小芯片設計

在14nm Zen及改進型的12nm Zen+這兩個系列的產(chǎn)品中，AMD解決了高性能處理器的有無問題，52%的IPC性能提升徹底改變了AMD處理器的處境，不過Zen第一代的產(chǎn)品依然談不上完美，AMD要在新一代的Zen2架構上解決兩個問題。

一個問題是繼續(xù)提升Zen的IPC性能，另一方面則是要繼續(xù)擴展Zen處理器的并行性，也就是更多的CPU核心。盡管AMD在Zen一代上已經(jīng)實現(xiàn)了桌面8核、服務器32核，核心數(shù)上繼續(xù)領先，但這還沒有達到AMD的目標，要大幅超出才行。

前一個問題要靠繼續(xù)挖掘Zen架構的潛力，后一個問題就不只是架構設計的問題了。工程實現(xiàn)上難度更大，因為AMD在Zen2架構上要做64核128線程，并首發(fā)7nm工藝，將打造迄今為止最強大的X86處理器。

在友商也只能做到28核的情況下，AMD做64核處理器最挑戰(zhàn)的地方是什么？答案很簡單，那就是成本，因為摩爾定律在最近幾年中已經(jīng)放緩了，AMD如果繼續(xù)按照原有的思路做下去，那64核EPYC處理器的成本是難以想象的。

對于這一點，AMD有著清醒的認識，此前AMD CEO蘇姿豐在2017年的一次會議中就對比過先進工藝對成本的影響。統(tǒng)一以250mm2的核心來算，45nm節(jié)點的成本算作1，32、28nm節(jié)點開始提升，20nm節(jié)點就變成2倍成本了，到了7nm成本躍升為4倍，未來的5nm更夸張，成本將是之前的5倍。

很顯然，在Zen2架構確定要上7nm的時候，如果按照之前的路線走，后果就只有兩種—;—;要么造不出來，要么造出來成本極高，因為按照AMD之前估算的那樣，如果是原生64核，那么核心面積接近800mm2了， 這幾乎是現(xiàn)有193nm ArF光刻機的處理極限，制造難度太大了。

當然，我們現(xiàn)在都知道了Zen2架構不會采用這樣的原始方式，因為AMD在這一代X86處理器上用了升級的Chiplets混合小芯片設計，這也是未來處理器的發(fā)展方向。它比第一代Zen的小芯片更為高明，讓Zen2有了脫胎換骨的變化，以一種更巧妙的方式實現(xiàn)了首款64核128線程X86處理器。

Zen2小芯片架構分析：CPU核心面積大降 IO搭配更靈活

什么是chiplets小芯片設計？業(yè)界并沒有統(tǒng)一的定義，簡單來說這是一種新興的芯片設計思路，將大芯片化為多個小芯片，每個芯片的功能則比較單一，而且可以搭配不同的工藝，以實現(xiàn)提高性能、增加良率、降低成本的目的。

在7nm Zen2處理器上，AMD實現(xiàn)混合小芯片設計的方式就是將CPU與IO單元分離，分別稱為CCD（Core Chiplet Die）、IOD（IO Die），在一代Zen架構中每個CCD單元都是一樣的，每顆CCD都包含IO部分，1-4組CCD單元實現(xiàn)了8-32核的并行；而在Zen 2架構中，IO核心被分離了出來，1個IO核心連接所有CPU核心。

而且這個IO核心不需要使用7nm工藝，而是14nm（EPYC霄龍）或者12nm（Ryzen銳龍）工藝，核心面積分別是416mm2、125mm2，里面根據(jù)需要集成了不同數(shù)量的DDR主控、PCIe主控、IF總線等IO單元。

Zen2架構的CPU剝離了IO單元，變成了純粹的CPU微內(nèi)核，再加上7nm工藝相比14nm工藝帶來了一倍左右的晶體管密度提升，所以在核心面積上7nm Zen2大幅縮小，單個小芯片面積只有74mm2，整合的L3緩存高達16MB，而Zen一代上一個芯片的面積是213mm2，其中核心部分只占120mm2，其余的都是IO單元的面積，由此可見Zen2架構采用小芯片設計帶來的優(yōu)勢極其明顯。

那么AMD采用小芯片設計到底有多大的收益呢？我們可以確定的是這種設計的良率會很高。到底有多高？AMD官方?jīng)]有公布過具體數(shù)據(jù)，不過第三方分析稱8核Zen2的良率達到了93.5%，在臺積電7nm 12英寸晶圓上可以生產(chǎn)出749個8核處理器，生產(chǎn)32核心也有187個，成本優(yōu)勢明顯。

當然，這樣的算法只是用于評估Zen2采用小芯片設計帶來的成本優(yōu)勢，真實成本要比純代工成本高很多，還得算上研發(fā)、封裝測試成本。但怎么來算，這種設計都賦予AMD在成本控制上極高的靈活性，遠非原生大核心可比的。

最后還有一個問題值得關注，那就是延遲，雖然CPU、IO核心分離解決了超多核心的并行問題，但是IO、CPU分離開來也會導致延遲增加，這跟原生多核相比是個劣勢。不過AMD在Zen2架構也針對此做了改進，包括IF2總線及緩存上的改進。

作為Zen2處理器CPU、IO及CPU核心之間的總線，IF2代采用了總線頻率、內(nèi)存頻率分離式設計，保證可以達到更高頻率和盡可能低的延遲，總線速率從前代的10.7GT/s提升到了18GT/s，數(shù)據(jù)傳輸更快。

而且每個CCD單元有各自的Infinity Fabric PHY物理層，通過它和I/O Die芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)總線(Data Fabric)進行高速互連通信—;—;注意，兩顆CPU芯片之間沒有直接通信，都要經(jīng)過I/O Die，這樣可以保證不同核心、緩存之間的延遲是一致的。

此外，緩存方面也做了改進，一方面Zen2架構的L3緩存翻倍，每個CCX單元配備的L3緩存從8MB翻倍到了16MB，8核處理器是32MB L3緩存，64核的EPYC處理器最多擁有256MB L3緩存，遠高于前代及對手產(chǎn)品。

另一方面，Zen2的內(nèi)存頻率也大幅提升，前代EPYC支持的內(nèi)存頻率不過2666MHz（桌面Ryzen為2933MHz），這一代官方數(shù)據(jù)是服務器和桌面都可以支持3200MHz，但這個數(shù)據(jù)可能比較保守，據(jù)稱桌面端可以一鍵超頻到4200MHz，高者可達DDR4-5133Mhz。

還有一點需要強調(diào)的是，Zen2率先支持了PCIe 4.0標準，在IO的帶寬上也有了長足的提升和保障。

64核EPYC處理器性能碾壓式勝利 打破140多項世界紀錄

得益于Zen2架構的性能改進及64核128線程的超多核心，第二代霄龍EPYC 處理器一經(jīng)問世就打破了多項性能世界紀錄，官方最新統(tǒng)計顯示有140多項記錄被64核128線程的EPYC刷新。

AMD打破性能記錄的領域設計HPC、浮點運算、整數(shù)運算、Java、DB/ERP、能耗、大數(shù)據(jù)、云計算及渲染等，幾乎囊括了每一個需要高性能計算的市場。

64核EPYC處理器的性能不只是AMD官方自吹自擂，許多第三方評測網(wǎng)站也證明了AMD所言不虛—;—;InsideHPC、Serverthehome、TheNextPlatform等專業(yè)網(wǎng)站也做了大量EPYC處理器性能測試，結果也顯示64核128線程的EPYC處理器在性能上有非常明顯的優(yōu)勢，大幅領先對手的28核56線程至強。

AMD不只是在性能上有優(yōu)勢，同時價格上也要比對手便宜—;—;64核128線程的EPYC 7742處理器只要6950美元，而對手的28核至強8280處理器售價超過1萬美元，頂配版要1.3萬美元，是AMD 64核的2倍左右。

上面價格對比不僅顯示了AMD EPYC霄龍?zhí)幚砥鞯母咝詢r比，實際上也反映了與友商的成本差距—;—;AMD采用的小芯片設計大幅降低了成本，而友商原生28核的設計使得制造難度極高，成本很難降低。

AMD對核心永遠不滿足 引爆X86核戰(zhàn)

2019年是AMD成立50周年，X86處理問世41年。在過去幾十年的歷史中，X86處理器的舞臺上主要留下了AMD及Intel兩家公司，期間雖然大部分時間都是Intel在主導X86發(fā)展，但AMD也屢次實現(xiàn)了技術創(chuàng)新上的反超，像64位，成就AMD曾經(jīng)輝煌的超傳輸總線技術等等，如今，在多核X86上，AMD再次占了上風。

為了盡可能提升多核性能，AMD在第一代Zen處理器上首次使用了chiplets技術。而在最新的Zen2處理器上，AMD又首創(chuàng)了Hybrid Multi-die架構的混合小芯片Chiplets設計，計算die和IO die采用不同的制程，賦予X86多核處理器極高的靈活性，使得AMD解決了7nm等先進工藝制造成本高、難度高、良率低的問題，可以更靈活地擴展CPU核心。這種堆積木的混合式組合使得桌面處理器達成達成了16核，服務器處理器輕松達到64核128線程。

最后的結果也證明，AMD這次賭對了。它不僅在桌面處理器上創(chuàng)造了世界首款12核、16核游戲處理器銳龍9系列，在服務器市場上更是憑借64核128線程大殺四方，性能及售價雙重優(yōu)勢明顯。

AMD引爆了X86處理器的“核戰(zhàn)”，而且是主動出擊，這也給對手Intel出了一個難題。后者目前最強的至強處理器也只有28核56線程，核心數(shù)方面與EPYC二代差距甚大，在性能上已經(jīng)無法與之競爭，而且成本上更無還手之力—;—;AMD EPYC 64核在核心數(shù)翻倍的情況下售價只有一半左右，這樣的吸引力對云計算、數(shù)據(jù)中心等客戶是無法抵抗的。

更可怕的是，似乎AMD未來也不會停止這樣的核戰(zhàn)。AMD CTO Mark Papermaster在接受采訪時表示，市場對處理器核心數(shù)沒有天花板限制，軟件正在快速針對多核CPU進行優(yōu)化，可以充分發(fā)揮多核多線程的優(yōu)勢。AMD在核心數(shù)方面不會停止進步。

根據(jù)AMD官方發(fā)布的路線圖，現(xiàn)在7nm Zen2架構之后的兩代處理器已經(jīng)確定，Zen3已經(jīng)完成研發(fā)，Zen3之后，Zen4架構也在按計劃研發(fā)設計中。雖然具體規(guī)格現(xiàn)在還沒有確切消息，不過可以確定的是—;—;AMD在X86處理器上已經(jīng)重回領導者地位了。