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

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引言
9 k/ r: g# O& Y7 }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。

$ g, T- ~6 _' H, l" q  A* \"Zen 5"核心概述
/ U8 H/ w1 v" ?5 z; f"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。
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6 {+ x9 S& u, T1 k0 N  T; t# y"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(xiàn)取指/解碼

采用4nm/3nm制程工藝
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微架構(gòu)深入分析
"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。

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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。

前端改進(jìn):

雙指令取指和解碼管線(xiàn)

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
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+ P- Y) T2 A! a0 N; c1 o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
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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(xiě)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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0 x6 c) ^- \. c0 }% I$ l8 q"Zen 5"家族和平臺(tái)支持
' N" p. x1 y$ m% BAMD推出了兩種"Zen 5"核心變體,以滿(mǎn)足不同市場(chǎng)細(xì)分的需求:

"Zen 5":優(yōu)化單線(xiàn)程性能

"Zen 5c":注重性能功耗比和性能面積比
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8 y8 p( Y  ?) `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。

) L6 T8 O( {% o! y. q: `0 C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。

新指令集架構(gòu)(ISA)特性
- S) i4 D5 F2 m, J% v0 \"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(xiàn)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
6 l7 S0 W: W# }0 R# RAMD聲稱(chēng)"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。


/ |' C0 m, w. l3 g% l5 b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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IPC提升
+ ?: Q3 u+ T) k( `) k; z7 y"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):

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6 v7 u. t- X. G; |+ y0 N/ f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(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:
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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。

: f  d- ]' I4 ?/ e* b0 z5 E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(mǎn)足不同市場(chǎng)細(xì)分的需求。
"Strix Point" SoC:
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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。

" }  c* a& s$ T) ?9 u, h"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

9 F  i+ j' d  \; ]- N' {0 a"Granite Ridge" SoC
1 L! J7 H* ?% o' C* `
圖8：顯示了"Granite Ridge" SoC的框圖,該SoC專(zhuān)為高性能臺(tái)式機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)。
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$ O( ?" Q' m- v% H"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

能效改進(jìn)
"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(mén)控技術(shù)

改進(jìn)的smt(同步多線(xiàn)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(wú)用工作

高效的字符串操作和預(yù)取器改進(jìn)
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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。
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1 `! @# [8 q/ y! j0 X( {1 FRDNA 3.5圖形架構(gòu)
8 n3 m+ f% c3 ]7 h) w8 c+ n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:

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(guò)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+)
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AMD Ryzen AI與XDNA 2架構(gòu)
為了滿(mǎn)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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" O& b4 T& D% O3 L0 @' @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)。

9 A0 O" x, [- |7 A% F9 sXDNA 2的主要特性:

最高50 INT8 TOPS(每秒萬(wàn)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(xiàn)性函數(shù)

相比上一代產(chǎn)品,性能功耗比提高2倍
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7 g1 C- x9 h1 Y" {) c結(jié)論
) o" H! Q1 {( n* ?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(mǎn)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。
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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(lái)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。
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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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