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(jì)自動化

引言
; Y( T! |' w! U4 L3 b) _- P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(jì)算行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
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) k* Y# C0 M7 F! w  c; D"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(shí)保持出色的能效比。


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。
: ^2 |$ K1 w9 u2 w+ j
7 z5 v( Y, ]! ]9 {3 S6 a; D"Zen 5"的主要特性:

相比"Zen 4"提升16%的IPC(每時(shí)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
[/ol]
) Y1 y( k1 Q. w; n) Z& H# k微架構(gòu)深入分析
" l  V) ~+ y7 o2 C5 _2 ]. w"Zen 5"微架構(gòu)引入了多項(xiàng)增強(qiáng)功能,以提高性能和效率。
! @- D& \5 [* A+ b3 m
( Q! G9 p' o5 ?9 J
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。
. Q6 S  v6 S* E9 D. e9 c: B
# |! o  E, J* ~* H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(diǎn)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

( X% O* L7 l1 D  \1 b$ Q0 k執(zhí)行單元增強(qiáng):
- K: x8 G2 [( w2 h7 a

6個整數(shù)ALU和4個AGU(地址生成單元)

每周期4個浮點(diǎn)運(yùn)算,FADD(浮點(diǎn)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
# r0 B7 D# a+ \) [- h& \
( X: n" s& W* h& k5 o, {/ `+ r) B+ c緩存和內(nèi)存子系統(tǒng):

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
! K- q% P6 Q1 H9 N& k9 d0 u  q" R
"Zen 5"家族和平臺支持
8 b* _0 W- \6 F% Y( {! JAMD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 a; u+ G) k3 K- Q2 \8 P& {& k# i[/ol]
" U8 @4 B6 z3 Y. d4 O, \

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。

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。
1 K& Q# Q1 T# }  u( m
新指令集架構(gòu)(ISA)特性
"Zen 5"核心引入了幾項(xiàng)新指令和功能:
- `8 s+ v& J0 `; w  d. O+ ^

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)
% [! Q/ P; N4 a
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(shí)現(xiàn)了顯著的性能提升。
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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)。

$ Z6 U/ W" X/ R( eIPC提升
+ F; c# H2 |/ Y# K"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):


% r, @: l6 b- h$ V& {0 {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。
7 N' ^4 s; R8 Q* B- K, J$ b) `( I
AI和科學(xué)計(jì)算
1 ]6 K- p+ k! n; t"Zen 5"核心在AI和科學(xué)計(jì)算工作負(fù)載方面也表現(xiàn)出顯著的性能提升:


8 G5 \+ \# J8 a& E3 v9 N4 E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。

在SoC中的實(shí)現(xiàn)
' f* T9 C6 H) F$ R"Zen 5"核心將被實(shí)現(xiàn)在各種系統(tǒng)級芯片(SoC)設(shè)計(jì)中,以滿足不同市場細(xì)分的需求。
"Strix Point" SoC:
# c- f6 T6 o6 I( V( z2 S
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。

"Strix Point"的主要特性:
. w6 U$ C7 Y4 n; R/ t

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(jì)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
: i* V/ U* J6 R
"Granite Ridge" SoC
: h1 k" A! M3 j  v* Y% t! s1 V% L& |+ n
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(jì)。
! T7 y! ?: _( h$ ]- h) f
( L6 Y. y9 h/ s"Granite Ridge"的主要特性:
/ t( ]1 \- o5 A" w/ _5 _

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

, l7 k) \8 }( D& R能效改進(jìn)
"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(shí)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)
9 e/ j7 D1 j' Y  ~' _9 M* `; Q[/ol]
這些增強(qiáng)功能在保持出色能效的同時(shí),提高了整體系統(tǒng)性能。

4 y' ~7 C( ~, ^0 S; I, N0 ~RDNA 3.5圖形架構(gòu)
9 J; ^# v9 X' [, F9 J; _; Q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:

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)。

+ k% |/ ]* E  p8 [( K# A5 }6 tRDNA 3.5的主要改進(jìn):
( [7 h4 V' |9 h3 S" m

2倍采樣率和點(diǎn)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+)
( a3 [1 i( f4 P' ?* d6 S! b! W
6 z" I8 L0 }9 n' ?! oAMD Ryzen AI與XDNA 2架構(gòu)
為了滿足個人計(jì)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:
7 v* Z" B+ D: T
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(yùn)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(diǎn)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
3 W3 F9 ^9 n! B* P- x6 _5 H
結(jié)論
AMD "Zen 5"核心代表了x86處理器設(shè)計(jì)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(jì)算需求。

隨著AMD不斷創(chuàng)新和突破處理器設(shè)計(jì)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(shí)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。
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+ N: b1 e* `( P8 }參考文獻(xiàn)
[1] B. Cohen and M. Subramony, "Next Generation 'Zen 5' Core," in Hot Chips 2024, Aug. 2024.

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& ?4 L$ F8 O8 @+ W3 z深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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