Hot Chips 2024 | AMD下一代"Zen 5"核心性能和效率的進(jìn)展

逍遙設(shè)計自動化

引言
: U1 g0 o0 w0 c' t: A, e本文探討AMD即將推出的"Zen 5"核心架構(gòu)。這一新一代處理器核心在性能和效率方面都有顯著提升,對于計算行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

"Zen 5"核心概述
"Zen 5"核心是AMD成功的Zen架構(gòu)系列中的最新迭代。在繼承前代優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,"Zen 5"旨在提供顯著的性能改進(jìn),同時保持出色的能效比。

$ T! k' G; b$ q5 U) h
圖1：展示了Zen架構(gòu)的演進(jìn),突出顯示了Zen 3、Zen 4和Zen 5的關(guān)鍵特性。
7 b0 N. I" W: r4 a% d* ~
2 K- W$ z  m3 p+ @  Q"Zen 5"的主要特性:

相比"Zen 4"提升16%的IPC(每時鐘周期指令數(shù))

支持AVX-512變體和FP-512

8寬度指令分發(fā)和6個ALU(算術(shù)邏輯單元)

雙管線取指/解碼

采用4nm/3nm制程工藝
* x2 v" }0 C! ^" A' Y' [2 b[/ol]
* I! |: i0 G1 \8 K) y" O+ v/ k5 ]微架構(gòu)深入分析
$ d5 `$ z  n/ M* z: ^"Zen 5"微架構(gòu)引入了多項增強(qiáng)功能,以提高性能和效率。
: L9 @+ D6 H& |6 H  h* [+ G
, T7 E2 k) n) L; _
圖2：提供了"Zen 5"微架構(gòu)的詳細(xì)概覽,展示了各個組件及其互連。

前端改進(jìn):

雙指令取指和解碼管線

8寬度指令分發(fā)到整數(shù)或浮點單元

增強(qiáng)的分支預(yù)測,每周期可進(jìn)行2次預(yù)測

更大的Op-Cache,可存儲6K條指令,每周期2x6寬度取指
# R$ r* e8 {7 L. R# D% F& I
- u) u# ^7 ?- s' @9 `* j8 D, q+ ~執(zhí)行單元增強(qiáng):
+ ~% p0 V7 s5 Y" l$ o/ f

6個整數(shù)ALU和4個AGU(地址生成單元)

每周期4個浮點運算,FADD(浮點加法)延遲為2周期

完整的512位AVX-512數(shù)據(jù)通路,提高吞吐量
# X7 n. p& V# N! x9 ~
$ \4 j% f2 @3 Z: X! b' I緩存和內(nèi)存子系統(tǒng):
, ~" z0 P2 z. \: Z* z+ Q

48KB 12路組相聯(lián)L1數(shù)據(jù)緩存,每周期可進(jìn)行4次讀取,2次寫入操作

1MB 16路組相聯(lián)L2緩存

改進(jìn)的L3緩存延遲

"Zen 5"家族和平臺支持
6 C3 c/ H2 j6 a" X* L/ X) W8 kAMD推出了兩種"Zen 5"核心變體,以滿足不同市場細(xì)分的需求:

"Zen 5":優(yōu)化單線程性能

"Zen 5c":注重性能功耗比和性能面積比
( _8 u  R1 c7 e+ V8 S[/ol]


5 N5 `* e9 m$ E圖3：展示了"Zen 5"家族成員,顯示了"Zen 5"和"Zen 5c"核心之間的差異。
0 S9 U* R" F( e* f" j' C  e/ E
' H/ Q' D9 Z3 H$ L6 I2 G. P這種方法使AMD能夠針對從高性能臺式機(jī)到節(jié)能移動設(shè)備的廣泛產(chǎn)品范圍。

! N' ]4 q" T6 M3 e  b" \5 g新指令集架構(gòu)(ISA)特性
"Zen 5"核心引入了幾項新指令和功能:
+ [; e2 k0 M5 c

MOVDIRI/MOVD64B：4、8或64字節(jié)的直接存儲指令

VP2INTERSECT[DQ]：AVX-512向量對交集

3VNNI/VEX：帶VEX編碼的擴(kuò)展AVX-512指令

PREFETCH[I*]：指令線的軟件預(yù)取

增強(qiáng)的安全特性，包括SEV(安全加密虛擬化)改進(jìn)
0 ?$ d( r2 l; b, {( C, V7 P0 \
性能提升
AMD聲稱"Zen 5"核心在各種應(yīng)用和使用場景中都實現(xiàn)了顯著的性能提升。

9 D  g: N" X5 n% T# A# I$ I
: \3 U6 C% G# K* W- \+ O! X6 M1 n圖4：展示了"Zen 5"相比"Zen 4"的關(guān)鍵進(jìn)步,突出顯示了各個領(lǐng)域的改進(jìn)。

IPC提升
  ], G8 o1 O3 {$ M"Zen 5"核心在一系列應(yīng)用中展現(xiàn)了令人印象深刻的IPC改進(jìn):

5 p8 \+ H* g: V. T0 a
' j$ Y6 E6 Q9 [1 Y  Z7 ~9 |# G5 W圖5：顯示了使用"Zen 5"核心的PC相比前幾代產(chǎn)品的IPC提升。

AI和科學(xué)計算
3 [* ^: A$ N& |! [. f: a$ U4 u, j7 \"Zen 5"核心在AI和科學(xué)計算工作負(fù)載方面也表現(xiàn)出顯著的性能提升:

3 }, g( j  g: y, p( R* H6 _
圖6：展示了基于"Zen 5"核心的第5代AMD EPYC "Turin"處理器在AI吞吐量性能方面的領(lǐng)先地位。

2 w7 n6 o% T. a# n' ~1 u: b* f在SoC中的實現(xiàn)
"Zen 5"核心將被實現(xiàn)在各種系統(tǒng)級芯片(SoC)設(shè)計中,以滿足不同市場細(xì)分的需求。
"Strix Point" SoC:

圖7提供了"Strix Point" SoC的詳細(xì)框圖,展示了"Zen 5"和"Zen 5c"核心的集成。

, i2 `$ G- w% ~$ o9 ~$ G"Strix Point"的主要特性:

異構(gòu)架構(gòu),包含4個"Zen 5"核心和8個"Zen 5c"核心

集成RDNA 3.5圖形處理器,最多16個計算單元

XDNA 2推理引擎,用于AI加速

支持DDR5/LPDDR5內(nèi)存

PCIe 4.0和USB4連接

"Granite Ridge" SoC
* u8 t' a7 d3 I+ O* j  w8 E0 M
圖8：顯示了"Granite Ridge" SoC的框圖,該SoC專為高性能臺式機(jī)應(yīng)用設(shè)計。
- p+ l2 H. P& g! R! K& n
"Granite Ridge"的主要特性:

最多16個"Zen 5"核心(2個CCD,每個8核)

每個CCD 32MB L3緩存

支持DDR5內(nèi)存

PCIe 5.0連接

兼容AM5插槽

能效改進(jìn)
9 [- x: u; Q. M' \" l5 w; v) S) \"Zen 5"核心在Zen系列的能效優(yōu)勢基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn):

增強(qiáng)的電源門控技術(shù)

改進(jìn)的smt(同步多線程)支持,提高性能功耗比

縮短電源狀態(tài)進(jìn)入/退出時間

優(yōu)化分支預(yù)測,減少無用工作

高效的字符串操作和預(yù)取器改進(jìn)
4 T, |# R( l  v2 s1 I[/ol]
% {- S4 W$ F4 V( Q這些增強(qiáng)功能在保持出色能效的同時,提高了整體系統(tǒng)性能。
+ W; r5 g( z( I5 y7 I4 r& W
RDNA 3.5圖形架構(gòu)
' T; x6 d. u5 {, [: O! u對于移動應(yīng)用,AMD還改進(jìn)了集成圖形架構(gòu),推出了RDNA 3.5:
) t3 s" z' V$ N$ {* a) g! E/ ^
圖9：概述了為移動應(yīng)用優(yōu)化的RDNA 3.5圖形架構(gòu)的改進(jìn)。
3 _, r2 E5 c' }0 F
RDNA 3.5的主要改進(jìn):
( N8 r+ }4 s, l; z. a) l

2倍采樣率和點采樣加速

增強(qiáng)的著色器子系統(tǒng),插值和比較率提高2倍

改進(jìn)的光柵化子系統(tǒng),通過子批處理提高效率

針對LPDDR5的內(nèi)存子系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)的壓縮

更大的引擎配置,包括8個WGP(工作組處理器)和4個RB+(渲染后端+)
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' U9 @' r& @7 c0 }( z& V( vAMD Ryzen AI與XDNA 2架構(gòu)
" Q+ k# w0 @: G/ y為了滿足個人計算機(jī)對AI能力日益增長的需求,AMD引入了XDNA 2架構(gòu)用于AI加速:
$ F' L' v: U; m
圖10：展示了基于XDNA 2架構(gòu)的AMD Ryzen AI "Strix" NPU(神經(jīng)處理單元)。

XDNA 2的主要特性:

最高50 INT8 TOPS(每秒萬億次運算)和50 Block FP16 TFLOPS

8個并發(fā)隔離空間流,提高多任務(wù)處理能力

片上內(nèi)存容量比上一代增加1.6倍

支持塊浮點和增強(qiáng)的非線性函數(shù)

相比上一代產(chǎn)品,性能功耗比提高2倍

結(jié)論
+ B, y0 ^) u7 rAMD "Zen 5"核心代表了x86處理器設(shè)計的飛躍,在各種應(yīng)用中都提供了顯著的性能改進(jìn)。憑借對AI加速、能效和可擴(kuò)展性的關(guān)注,"Zen 5"核心有能力滿足從移動設(shè)備到高性能服務(wù)器等各種市場細(xì)分的現(xiàn)代計算需求。

隨著AMD不斷創(chuàng)新和突破處理器設(shè)計的界限,可以期待未來會有更多令人興奮的發(fā)展。"Zen 5"核心及其在各種SoC中的實現(xiàn),展示了AMD在競爭激烈的處理器市場中提供領(lǐng)先性能和效率的承諾。
  U8 S0 L8 B4 c. E0 t  q
4 a5 n9 p+ @1 M) K1 T, s) R參考文獻(xiàn)
2 G, p2 e( Y2 |7 U3 d% w" t! y[1] B. Cohen and M. Subramony, "Next Generation 'Zen 5' Core," in Hot Chips 2024, Aug. 2024.
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