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
3 s: j* J+ j" L) Y: i% }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。
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"Zen 5"核心概述
( h" \: P4 F5 Z7 Y$ ]"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。
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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。

. @9 p3 s4 w6 T* Z( r* B$ p"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
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微架構(gòu)深入分析
; g! m( Y0 R: v' i- I9 R, V. H"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。

( F" `9 x! O0 C, u" P% G
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。
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前端改進(jìn):
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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

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):
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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
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  F- ?/ A0 t$ A2 y"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
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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。

9 B7 o, A2 Q" o9 V/ U3 B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。

8 X  j5 ?' O6 d$ ?4 p- v  {% B2 N新指令集架構(gòu)(ISA)特性
: P) o/ f# g+ O5 y! Y% f8 h"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)
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性能提升
) v5 O) h, v! {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。
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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(gè)領(lǐng)域的改進(jìn)。
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1 W# @! X4 D3 R) `/ L  MIPC提升
"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):
0 [5 [' ]9 v  q5 ~

: f" \5 J, C" D( D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。

! x- t* m) W, N( L9 A2 D# F/ gAI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:
# b; e6 \3 \4 S- N, j7 s3 v7 a

. o$ n2 {! T: H9 c5 d( f0 Z9 w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。

- S$ Z' q, n* V4 H( v在SoC中的實(shí)現(xiàn)
"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。
! b' J- S$ M# `6 y- u, \: c0 m"Strix Point" SoC:

' M+ g  ^1 r5 D5 w. U) C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。
( w6 I$ f2 B! O( A, o) @/ a9 `8 b, C3 T
, Q' y3 }8 k' a5 o"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

"Granite Ridge" SoC

4 }3 C4 N- f6 m! k. C; g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)。

"Granite Ridge"的主要特性:
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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
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能效改進(jìn)
1 P7 u( y8 l  u# ]1 n7 Z$ P"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)
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3 a1 C" a$ n' I- `9 b0 L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。
. G6 ]: @0 A& ]( r: q, Y; [+ ^
RDNA 3.5圖形架構(gòu)
; b( ?+ F# ^) A, [1 p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:
+ f8 I! E, X0 C/ M* w
& i7 }* k+ |  {1 r2 I) z- y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+)
4 {! p8 i$ I3 {! ]
AMD Ryzen AI與XDNA 2架構(gòu)
+ p, p2 M8 s' }" _; k' s8 n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:
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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)。
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: s; b* c4 ?- Y0 l0 ^9 W0 d' WXDNA 2的主要特性:
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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
- _' y2 T7 M4 i3 W. P) P% U3 p
8 w9 I) @  j/ k0 f: p. m0 [結(jié)論
( E6 H3 l- G+ z3 E# _* W: d' u% wAMD "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。
" L* u, l% X) }* C8 I' A2 u8 n
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。
6 |$ G/ V: ^( I* U& _/ t8 T
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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