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(dòng)化

引言
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(duì)于計(jì)算行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
0 O" X" P5 C: J! Q. l
7 e; _+ J& q) e! E7 U8 _3 u0 ]; r"Zen 5"核心概述
4 J" K& ^# m+ q: B8 g  _# ~) T  g"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(shì)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。
5 V3 p. k6 r7 N' @. ?

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。
! a) O5 @. I; I
/ k9 e  i& P& x5 I$ ~( O( C" K"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(gè)ALU(算術(shù)邏輯單元)

雙管線取指/解碼

采用4nm/3nm制程工藝
[/ol]
/ |" ^1 k1 V9 ]9 o微架構(gòu)深入分析
; x/ _; H/ m4 {$ L; }: w) b4 q"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。

$ N) a0 U$ K0 g4 l
! _& @9 ^. L' I6 u! D. d: }圖2：提供了"Zen 5"微架構(gòu)的詳細(xì)概覽,展示了各個(gè)組件及其互連。

7 H# H: X+ N2 h1 R* a% G; S1 X% u. v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(cè),每周期可進(jìn)行2次預(yù)測(cè)

更大的Op-Cache,可存儲(chǔ)6K條指令,每周期2x6寬度取指
& r! u. ]! u# f7 W8 ~3 \
7 ^" I: Q$ p* ~+ {執(zhí)行單元增強(qiáng):

6個(gè)整數(shù)ALU和4個(gè)AGU(地址生成單元)

每周期4個(gè)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

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
- E, w8 [! `8 P
; b" F* y- G. Q% ]"Zen 5"家族和平臺(tái)支持
AMD推出了兩種"Zen 5"核心變體,以滿足不同市場(chǎng)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
; o3 W' Q* A9 V[/ol]

# k' u# |% g; P% z$ v8 f5 K
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(duì)從高性能臺(tái)式機(jī)到節(jié)能移動(dòng)設(shè)備的廣泛產(chǎn)品范圍。
1 |( y6 h# l  E* |0 \
: O& k& ]4 r1 m8 {5 e) g# d4 Z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:

MOVDIRI/MOVD64B：4、8或64字節(jié)的直接存儲(chǔ)指令

VP2INTERSECT[DQ]：AVX-512向量對(duì)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)

性能提升
AMD聲稱"Zen 5"核心在各種應(yīng)用和使用場(chǎng)景中都實(shí)現(xiàn)了顯著的性能提升。

, L* @# F3 {3 J( Y4 Z6 E) V
/ i$ l! S( k3 r2 @. q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(gè)領(lǐng)域的改進(jìn)。
( X% p0 R( U% ]; o% f3 n4 n
IPC提升
* b( U5 g5 |* w; T; j"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):
: N) r) [9 G  T
9 ]  v6 a" \9 n) V( Z' H
# m. N2 f* F% }# v4 J) u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。
4 l3 B4 s4 X4 Y. @$ \% [
AI和科學(xué)計(jì)算
"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:
6 \# X/ |/ f5 V
. d- t2 F% X7 J/ Y) c
" a2 b0 ~2 C: k, ~- J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。
3 k: \# A$ x$ t$ P) y
; \( ~% T8 X# W  t在SoC中的實(shí)現(xiàn)
& v3 u- n" e$ {3 R"Zen 5"核心將被實(shí)現(xiàn)在各種系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)中,以滿足不同市場(chǎng)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。

0 T3 D: x5 T) b- O9 ^$ B"Strix Point"的主要特性:

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

集成RDNA 3.5圖形處理器,最多16個(gè)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
( O1 `% J8 a2 Q0 k
"Granite Ridge" SoC

' z0 {( G. i" K; L: a" m/ |; f圖8：顯示了"Granite Ridge" SoC的框圖,該SoC專為高性能臺(tái)式機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)。
+ v( R4 b, ?/ b9 e& J3 z; m
"Granite Ridge"的主要特性:

最多16個(gè)"Zen 5"核心(2個(gè)CCD,每個(gè)8核)

每個(gè)CCD 32MB L3緩存

支持DDR5內(nèi)存

PCIe 5.0連接

兼容AM5插槽
, H( ?7 Q4 C& q5 ]0 C3 Z
! c5 Y6 U1 \9 j8 {能效改進(jìn)
/ v5 R# E. X0 a+ S"Zen 5"核心在Zen系列的能效優(yōu)勢(shì)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(cè),減少無用工作

高效的字符串操作和預(yù)取器改進(jìn)
5 s+ ?% ^6 `5 m5 i: S[/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。

: v( b9 q/ F. m% |' R' ^7 p/ {RDNA 3.5圖形架構(gòu)
) n! K) e$ q9 I  J對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用,AMD還改進(jìn)了集成圖形架構(gòu),推出了RDNA 3.5:
! F. O" l3 G' y' O6 j# G& I
& X3 D( ?/ k4 V( w( H圖9：概述了為移動(dòng)應(yīng)用優(yōu)化的RDNA 3.5圖形架構(gòu)的改進(jìn)。

RDNA 3.5的主要改進(jìn):

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(duì)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(gè)WGP(工作組處理器)和4個(gè)RB+(渲染后端+)
2 y+ [/ c. {- D, Q
3 Z' J/ U, Q& t) WAMD Ryzen AI與XDNA 2架構(gòu)
為了滿足個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì)AI能力日益增長(zhǎng)的需求,AMD引入了XDNA 2架構(gòu)用于AI加速:
3 L8 J' i1 C3 H
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)。

- W  X% K& C, G. r9 A* X) [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(gè)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

4 R$ L. ?: z# b% A/ H! [, a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(duì)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(dòng)設(shè)備到高性能服務(wù)器等各種市場(chǎng)細(xì)分的現(xiàn)代計(jì)算需求。

, {3 q# F. L# X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(huì)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(jìng)爭(zhēng)激烈的處理器市場(chǎng)中提供領(lǐng)先性能和效率的承諾。
! t1 {4 L) F" j7 i
$ T3 j. r$ L# {+ S% c參考文獻(xiàn)
[1] B. Cohen and M. Subramony, "Next Generation 'Zen 5' Core," in Hot Chips 2024, Aug. 2024.
. p; I4 l; z: F; o8 o6 ~# Y/ C
! M5 S1 N' l8 z/ y; V; w- END -

軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
2 U, c6 @* v2 T" s7 [; R
歡迎轉(zhuǎn)載

; \& Q; f# F8 A5 b5 }7 L. t* _/ k轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

' _$ A. E7 X9 x



關(guān)注我們
- K  I0 n3 \0 ~0 x' a8 K$ L, o

# n  H8 H  i' z / o6 D3 Q4 t4 i# @' L2 @9 v: i

3 B+ J& Z) M" d+ S. }1 y4 A/ m

                     
/ E: h9 q9 v: o9 x* r2 }! Y
8 C0 v8 j" h) i% M4 l$ r. [$ h& Y
/ v: j& w" g7 e4 o* {' o
# c! K$ v' I, k3 P& ?關(guān)于我們：
5 o, T7 i: H$ [6 _+ N. I, l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(dòng)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(duì)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(dòng)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)。
. M( j5 d* z; o! P) r
$ R. B) ^) V0 Hhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）