AMD 7nm Zen2架构详解：从优秀到卓越
不知不觉中amd的锐龙处理器上市2年半了，2017年横空出世的zen架构也发展了两代了，如今上市的是第三代锐龙——锐龙ryzen 3000系列了，回头再看的时候发现当前的主力锐龙ryzen 7 2700x开始陆续下架了，正如很多人不记得锐龙7 1800x处理器下架一样。
管理学中有个著名的说法——从优秀到卓越，这句话用来形容现在的amd再合适不过了。
基于7nm工艺打造的第三代锐龙，相信很多人都很感兴趣它频率、核心、性能都大幅提升的背后，是有哪些架构的革新与调整，今天就拿着amd官方的ppt，给大家深入浅出地讲一讲吧——
本文内容较长、而且涉及的专业名词、术语比较多，阅读也有一定的门槛，但我已经尽可能从简地解释了，对于喜欢diy、感兴趣半导体技术的粉丝们，不妨找个安静的地方，好好地看一看，应该多少都能有点收获的。
在过去的几年中，amd一直在研发更高性能更高能效的zen架构，所以才有2017年锐龙处理器问世时amd震惊世人的52% ipc性能提升，这种架构级别的提升比起大家调侃的intel式挤牙膏升级实在太猛了，从性能到能效都是质的变化。
从这点上来说，两年前的第一代锐龙1000系列可以说一鸣惊人，让落后多年的amd拿到了高性能cpu市场的新门票，从此这个市场不再是intel的独角戏，diy玩家期待的双雄争霸局面回来了，cpu市场格局变了，intel在这两年中接连从4核升级到6核再到8核，不再挤牙膏升级了，这点上确实是amd的功劳。
不过现在的两代锐龙处理器还是有一点严重不足的——单核性能不足，导致amd一些游戏及专业应用的性能不如intel。
从一代锐龙到二代锐龙，amd将cpu架构从14nm zen改进到了12nm zen+，但这依然是小修小补，缩短了与intel的单核差距，但没有质变，在那样的工艺及架构下已经挖掘不出更高频率的潜力了。
管理学中有个著名的说法——从优秀到卓越，这句话用来形容现在的amd再合适不过了，14/12nm公司的锐龙处理器是优秀的处理器，但还有一些槽点没能解决，而现在的7nmm zen 2架构目标是卓越，amd从追赶者变成领导者的任务就要靠它了。
此前amd在cpu路线图中对zen 2架构的概述就是多维度增强zen架构，从官方定性来看我们可以把zen 2当作深度改进版的zen——基本的cpu结构变化不大，但工艺、封装、单核及多核上全面改进。
amd官方对zen 2架构的优势主要集中在三方面——性能、工艺及并行，我们的介绍也主要围绕这三部分进行。
第三代锐龙用上7nm工艺：amd cpu史上首次全面领先intel
对cpu这种极其先进的逻辑芯片来说，任何重要的进步都离不开制程工艺的升级，14/12nm锐龙上的一些缺点，比如cpu单核频率还不够高等，amd也不是不清楚，但他们也没办法了，gf的14/12nm工艺决定了上限了，不是想提频就提频的。
好在现在amd上了7nm，而且代工厂从gf换到了台积电，说起来这件事也有很多波折，去年8月初gf黯然宣布无限期停止7nm及以下工艺的研发、生产，原本是准备gf、台积电两条腿走路的amd无奈之下决定将cpu及gpu的7nm订单全部交给台积电。
对amd来说，从原来的两家代工厂变成一家代工厂，实际上风险更大了，而且台积电之前没有过制造高性能x86处理器的经验，不过最终来看台积电财大气粗，在工艺成熟度上比gf要好得多，amd的7nm cpu及gpu最终还是顺利量产了。
此外，amd的锐龙3000系列处理器使用的7nm工艺跟台积电为华为、苹果代工移动处理器的工艺也不同，是7nm hpc工艺，专为高性能ip核心优化的，只不过amd及tsmc对7nm hpc工艺的公开介绍并不多。
从amd公开的数据来看，7nm工艺带来了明显的计算效率，包括2倍的晶体管密度、功耗降低50%（同性能下），性能提升了25%（同功耗下）。
考虑到amd这是跟14nm工艺对比的，密度、功耗的变化还不错，但25%的性能提升并不让人满意，这也可以看出摩尔定律到了10nm节点之后芯片性能的提升不那么容易了
只要提起处理器工艺，intel也是无论如何绕不过去的。公平地说，intel的10nm工艺技术上并不落伍，晶体管密度等方面相比台积电的7nm工艺甚至还有些优势。在这个问题上，即便是amd自己都是很清醒的，他们也只是表态7nm工艺追上了与友商的差距。
当然，综合来看，amd在7nm节点上还是领先的，即便技术上与intel的10nm不相上下，但是时间进度上amd赢了，intel的10nm处理器首发于移动版十代酷睿处理器ice lake上，高性能的桌面版、服务器版要等到明年，而amd现在就开始出货7nm工艺的高性能桌面版处理器了，64核的eypc罗马处理器也会下半年出货。
正是因为这一点，此前有华尔街分析师称赞amd在7nm 锐龙3000处理器上打了一个翻身仗，这是十多年来amd首次在工艺及性能上首次全面超越intel，绝对是历史性时刻。
第三代锐龙的chiplets设计：cpu/io核心分离 解决延迟成关键
尽管amd成功地在锐龙3000处理器上使用了7nm工艺，但是说它是7nm芯片也有点不准确，实际上锐龙3000是7nm混合12nm工艺，这跟它的模块化设计有关。
在7nm节点，设计一款芯片的费用高达3亿美元，对amd来说成本也是非常高的，这就需要厂商采用更好的方式来确保芯片的良率，芯片越大良率就越低，芯片越小良率就有可能越高。
在zen 2架构处理器上，amd就使用了chiplets小芯片的设计思路，通过模块化来组合不同核心的处理器。chiplets设计不同于以往的胶水封装，本质上是把不同工艺、不同架构的芯片电路按需搭配，比单纯的胶水封装要高明，也要复杂。
在去年推出的第一款zen 2架构的处理器——epyc罗马上，amd就率先应用了这种设计方式，8组cpu核心、1组io核心堆出了64核处理器。在锐龙3000上，桌面版不需要这么多核心，使用的2组cpu核心层、1组io核心，最多16核32线程。
具体来说，就是图中上面2组cpu核心是7nm工艺制造，因为cpu核心对性能要求高，对功耗也敏感，提升工艺对cpu核心来说大有裨益，好钢要用在刀刃上。
下面的io核心整合了内存控制器、pcie控制器等io单元，这部分电路对性能、功耗要求没那么高，而且io单元并不容易随着工艺微缩，所以使用的是相对低端的工艺——之前说是14nm，不过锐龙3000上的io核心是改良版的12nm工艺。
amd在zen2上采用这样的设计无疑是很聪明的做法，配置也非常灵活，提升cpu核心数量就堆cpu模块即可，所以锐龙处理器可以从之前的8核16线程轻松变成16核32线程。此外，amd这样做也需要生产小核心，提高了良率，降低了成本，而且io核心使用的还是更成熟的12nm工艺，进一步削减了成本。
当然，有得必有失，chiplets设计的好处多多，但缺点也明显，那就是如何处理好核间的连接，特别是内存主控分离出来之后，内存的延迟理论上要增加，肯定是不如原生多核的，amd怎么解决这个问题的呢？
首先是改进infinity fabric总线（简称if），if总线是zen架构上的基础技术之一，它连接了zen架构中的ccx模块，现在也用于链接不同的cpu、io核心模块。
在锐龙3000处理器上，if总线进化到了第二代，在并行、延迟及能效上全面改进，总线位宽从256b升级到了512b以便支持pcie 4.0，同时将fclk与uclk频率去耦合解锁以提高内存超频性能，并采取多种方式降低内存延迟、提高缓存速度以减少延迟带来的影响。
除了if总线的改进之外，amd还发了一个大招——l3缓存翻倍，每个ccx单元的l3缓存容量从之前的8mb提升到了16mb（7nm工艺的密度优势就是任性），这样一来对延迟敏感的应用就可以更多地以来l3缓存而内存，amd称此举使得等效内存延迟减少了33ns，游戏性能提升了21%。
此外，amd凭借io核心分离还提高了内存的频率，之前的锐龙支持的内存频率不过2933mhz，现在可以轻松达到4000+，号称一键超频到4200mhz，高者可达ddr4-5133mhz。
对于内存频率，如果追求极限低延迟，频率高了也不一定好，这也跟if总线的工作模式有关，虽然它跟内存频率分离了，但1：1情况下延迟还是最低的，分界点就是ddr4-3733，这时候内存延迟是最低的，而amd官方推荐的是ddr4-3600 cl16模式，对当前的内存来说这个频率、时序也很轻松能达到。
第三代锐龙的zen2架构详解：一切为了更高的吞吐量
如果大家还记得锐龙7 1800x首发时的情景，那么对zen架构的smt多线程、ccx单元、if总线等创新应该还有印象，而锐龙3000的zen2架构也继承了这些优点，只不过zen2中io相关的分离了，cpu核心变得更纯粹，总体方向就是提升核心数以加倍多线程性能，同时最大可能提升单核性能。
在锐龙3000中，cpu与io核心分离之后可以有多种搭配，比如1组cpu搭配1组io核心，这样最多是8核16线程，还有就是2组cpu核心搭配1组io核心，这样最多16核32线程，这也是目前锐龙9 12核及16核处理器实现的根基。
在14nm zen架构中，1个ccx单元的总面积是60mm2，其中cpu核心44mm2，8mb l3缓存是16mm2，算上其他io、内存主控、if等单元，8核处理器的核心面积是213mm2。
在zen 2架构中，一个chiplets芯片的总面积才74mm2，其中ccx+16mb l3缓存的核心面积才31.3mm2，同比减少了47%，一方面是因为7nm工艺的密度优势，一方面也跟zen2的ccx只有cpu核心有关，减少了io单元。
这里也可以解释为了降低延迟amd为什么敢于大幅加倍l3缓存的原因了，每个ccx翻倍到16mb l3缓存后ccx核心面积依然减少一半左右，何乐而不为呢。
整个zen2架构来说，它继承了smt多线程技术，同时在分支预测、缓存系统、整数、浮点等单元上做了改进，并加入了新的指令，目的就是进一步降低延迟带来的影响。
在缓存系统上，zen 2的l3缓存翻倍，l2缓存维持512kb 8-way不变，l1缓存有所调整，指令缓存容量64kb减少到了32kb，但关联性从4-way变成了8-way，而且micro-op缓存翻倍，amd这样做显然是想取得一种性能与节能、面积之间的平衡。
预取单元中，amd提高了分支预测的精度，加大了btb（分支目标缓冲器）容量，优化了32kb l1缓存，最主要的则是加入了tage分支预测器，最终使得分支预测的误命中率减少了30%，提升了命中精度以减少能耗、提高性能。
解码单元中，主要是改进了micro-op微操作缓存，容量从2k翻倍到4k，可以支持更多的解码操作。
浮点单元是zen 2架构中变化比较大的部分，在去年的epyc罗马处理器中amd就表示浮点性能吞吐量翻倍，原因就在于完全支持了avx2指令，位宽从128bit提升到了256bit，这样不用再将以往的256bit指令拆分为两个指令用两个周期执行了，实现了浮点性能翻倍。
整数执行单元中，调度器从84个增加到了92个，物理寄存器从168个增加到了180个，从每周期6发射提升到了7发射，总体来说这方面的改进更多地是量变，进一步优化执行单元的效率及执行速度。
载入/存储单元中，同样是提升队列的深度，提升tlb缓存容量，提升带宽，降低延迟，最主要的是带宽从每周期的16b翻倍到了32b字节。
缓存一致性上，前面已经介绍过了l1、l2、l3缓存的变化了，其中l2缓存不变，l3缓存翻倍，l1指令缓存减半，但关联性翻倍。
zen2架构中还增加了一些新的指令，比如clwb、wbnoinvd、qos等，不详细解释了，这些指令主要跟内存、缓存有关，主要目标还是提高缓存性能、降低延迟，它们主要是给epyc处理器准备的，锐龙3000消费级处理器支持这些指令主要还是沾光。
最后值得一提的是处理器的安全性，由于后发优势，zen2架构在安全性、漏洞防护等问题上更具优势，zen架构上就已经免疫了多个spectre幽灵、meltown熔断等变种漏洞，zen2架构上进一步硬件免疫了幽灵漏洞变种，这点对消费级处理器来说影响不大，但对企业级用户来说很重要。
第三代锐龙的终极目标：要多核还要单核 更要能效、低温
不论是7nm工艺还是chiplets设计，亦或者是zen 2微内核架构，amd在霄龙、锐龙处理器上追求的目标不外乎性能、能效，结合之前处理器表现出来的优势及槽点，具体来说就是继续保持多核性能优势、提升单核性能、提高能效、降低功耗及发热，还有就是更低的成本，不过售价这方面还跟市场有关，要看具体产品，这里先不谈了。
在性能这点上，amd在7nm zen2上追求的是性能提升，首先是ipc性能，在从推土机架构到zen架构上，amd实现了52%的ipc性能提升，不过那个有特殊加成，但从zen到zen2上，amd表示他们也实现了15%的ipc性能提升，这点就难能可贵了，毕竟现在的高性能cpu架构提升越来越难，以往intel产品提升5%的ipc性能就算不错了。
其次，amd还要实现更高的频率，锐龙一代、二代处理器在这方面就吃过亏，加速频率也就4.3ghz而已，相比intel已经实现的5ghz加速频率差了很远，导致amd在单核性能上吃亏不少，游戏性能也因此落败。
在7nm zen2上，amd总算有了突破，锐龙9 3900x 12核处理器的加速频率也达到了4.6ghz，16核的锐龙9 3950x更是达到了4.7ghz频率，而且amd表示他们的加速频率不单单是追求单核最高频率，可能的情况下更愿意让多个核心达到加速频率，这样一来性能会更强。
综合ipc性能及频率的提升，amd在锐龙3000上终于实现了单核性能的大进步，官方数据显示单线程性能提升了21%，考虑到锐龙一代、二代上单核性能与intel酷睿处理器最大的差距也不过20%左右，这次的提升足以让amd在单核性能上追平甚至超越intel酷睿。
与此同时，amd一直有优势的多核性能上还会继续保持，锐龙3000上最大核心数翻倍到了16核32线程，随着核心增加多核性能也基本保持了线性增长，6核12线程的处理器cinbebcn r20多核跑分是3678，12核24线程的锐龙3000就是7248分，基本上就是同步增长的。
更重要的是，在性能增长的同时amd反而降低了处理器的功耗，每瓦性能比要比目前的锐龙7 2700x以及intel的酷睿i7-9700k处理器有了50%到70%的增长，锐龙7 3700x的绝对功耗反而从前两者的195w、157w降至135w，能效表现让人刮目相看。
考虑到锐龙7 2700x以及intel的酷睿i7-9700k处理器都是14nm工艺水平的，7nm的锐龙3000处理器在能效上有两代工艺的差距，官方称同性能下功耗降低了50%，能效上可以说是降维打击。
伴随着能效的提升，amd的锐龙3000处理器在发热上也很有优势，intel的6核、8核酷睿处理器发热之高让很多玩家不爽，但锐龙7 3700x要冷静的多，这个优势在锐龙一代、二代上就已经如此了。
除了硬件上的改进，amd在优化方面也跟上来，锐龙3000处理器就得到了微软的支持，在最新的windows 10 5月更新（1903版）上，它也支持了amd处理器的快速cpu状态切换功能，涉及到一些突发工作负载时，锐龙3000处理器的频率提升时间从30毫秒减少到了1-2毫秒，简单来说就是在需要的时候可以更快速度提升频率，这样就可以提升应用程序的响应速度，amd表示pcmark 10的启动时间就缩短了6%，rocket league游戏的启动时间更是减少了15%。
第三代锐龙的完美搭配：x570芯片组+pcie 4.0带宽
在处理器之外，不得不说的还有全新一代x570芯片组，相比以往的芯片组由祥硕操刀设计，这次的x570是amd亲自上阵，为的就是实现pcie 4.0技术支持，而且不惜成本地上了14nm制程工艺。
与pcie 3.0相比，pcie 4.0的速率从8gt/s提升到了16gt/s，带宽翻倍提升。主要优点如下：
①速度更快，x16双向带宽达到了32gb/s，是pcie 3.0的两倍。
②向下兼容，pcie 4.0也能兼容pcie 3.0设备。
③更多连接，pcie 4.0带宽高，1条顶2条，可以连接更多设备而不需要担心性能下降。
pcie 4.0在消费级平台上目前还是amd x570/锐龙3000的独家功能，所以群联、慧荣等公司推出的pcie 4.0主控以及厂商的pcie 4.0硬盘要想发挥威力，amd平台是首选，可以将ssd的读写性能提升到5gb/s级别，未来还可以进一步提升到6.5gb/s。
此外，x570平台除了pcie 4.0之外，其他sata、usb 3.1 gen2、nvme等标准也要比intel的z390平台更好，扩展接口数量更多，搭配更灵活，所以在x570平台上，amd及主板厂商有了打造*平台的底气，这一点也是跟以往300、400系芯片组最大的不同，有先进技术就能任性。
当然，考虑到pcie 4.0目前比较少支持，不追求极限性能的话大家完全可以选择x470、b450等平台，amd之前也确认过了，除了pcie 4.0支持之外，其他平台上锐龙3000处理器的性能也是一样的，不会受影响的。
总结：从优秀到卓越，第三代锐龙各种优点“我全都要”
从amd的7nm zen2架构设计来看，amd在这一代处理器上可以说志向远大，不论单核还是多核性能，或者是能效、温度、成本，amd的目标简直就是下面这张图所展示的那样：
没错，锐龙3000处理器上amd表现出来的就是各种优势都要占尽，不给友商留活路的感觉，通过先进的7nm工艺、独特的chiplets小芯片、全面改进的zen2架构实现了性能、能效的同步增长，而且以往最弱的单核性能这次也追上来了。
对于锐龙3000处理器的性能，amd的官方测试展示了很多了，不过我们这里不打算详细列举了，上面这张图就是综合代表了，单核、多核性能都要比intel的酷睿i9处理器要强。
amd官方的ppt并不能代表实际的性能如此，最终的表现如何还要看测试， amd“全都要”的目标到底能实现多少。完全评测也会在7月7日的晚上9点解禁，来太平洋电脑网打开看详细的对比数据吧。