AMD走出自己的路 小芯片设计如何打造业界最强64核EPYC？
2019年5月，amd迎来了自己的50岁生日。在x86这个行业，她只比老大哥intel小一岁，后者去年迎来了自己的50周岁纪念日。50年来，这两家企业几乎主宰了全球半导体市场的风云变化，基本上intel占主导地位，而amd扮演挑战逆袭者的角色。
amd的最近一次逆袭，还得从5年前更换ceo说起。2014年10月份，即将发布q2季度财报的amd公司宣布ceo罗瑞德退位，这个职务将由时任coo的苏姿丰博士（lisa su）接任。那时候的她，刚刚加入amd公司2年而已。
彼时的amd仍然处于蛰伏阶段。在cpu及gpu领域，amd的两大对手intel、nvidia已是如日中天，而当时的amd并没有能足够与之博弈的处理器和显卡产品——如今给amd带来巨大转机的zen处理器当时还在开发当中。不过，ceo苏姿丰是标准的女强人，amd不服输的血性是刻在骨子里的。
刚刚接任ceo没多久，苏姿丰就在接受媒体采访时表态——“我们不会活在intel阴影下”，这句话不是苏姿丰担任ceo之后amd才做的，多年来amd实际上一直在这样做。amd希望寻求一条不同于intel的发展之路。
太远的不说，从x86处理器进入64位时代开始，amd首次在64位指令集上做到了胳膊拧过大腿——大家津津乐道的k8大锤处理器最关键的成功不是架构，而是抢先了64位指令集，如今我们在用的x86_64指令集的名字是amd64，intel后来也遵从了这一指令集。
在这之后，amd在x86处理器发展上一直在走自己的路。2011年，amd推出了推土机bulldozer架构，这款处理器的设计思路非常先进，2个整数单元+1个弹性浮点单元的设计迎合了amd收购ati之后意图打造的cpu+gpu协同发展的理念，这种模块化设计是x86发展的一个里程碑。
推土机首发桌面8核处理器
再后来，amd推出了我们今天讨论的主角zen核心，这一代的处理器架构设计可谓具有突破性的改进，也同时延续了amd自己的特色。它的问世不但让amd实现了逆袭，也给amd打下了未来十年的基础，目前发展到了zen2，从路线图上看，zen4架构已经在研发了。
zen架构实现52% ipc性能提升 模块化设计重出江湖
十年磨一剑，终成大器！2017年3月2日，amd终于拿出了zen核心的锐龙处理器，重返高性能处理器市场。zen架构的到来，给了amd扭转局势的机会。在k10、推土机两代架构之后，这是amd再一次冲击x86市场，amd也多次表态要再现辉煌，夺回失地。
关于第一代zen架构的改进细节，这里就不一一赘述了。两年前发布的产品在网上已经有大量评测和解析了，我们只提amd在重新设计了内核、smt多线程、缓存、infinity fabric总线等单元之后，zen架构实现的目标吧。
amd之前宣称zen架构实现了40%以上的ipc提升，不过最终发布时，amd表示其实际ipc性能提升了52%，远超预期。相比以往的k10、推土机架构有了质的改变，比对手挤牙膏式的架构升级也是天翻地覆的变化。
在上述架构改变中，amd重新设计的ccx（cpu complex）架构是最重要的。每个ccx单元有4个cpu核心，每个核心各自有64kb l1 i-cache（指令缓存）、32kb l1 d-cache（数据缓存）、512kb l2缓存，l3缓存高达8mb，但是4个核心共享的。
这样4核cpu组合的ccx算是amd zen架构的一个模块，在第一代中桌面处理器最多8核16线程，里面是2个ccx单元，二者之间使用infinity fabric总线（简称if总线）连接，而if总线又是zen架构的另一个仅次于ccx的创举。
桌面处理器锐龙7 1800x的物理核心如下图所示：
桌面版锐龙7 1800x处理器开盖后的核心
用于服务器版的naples处理器最多32核64线程，也就是8组ccx单元，分配在4组ccd（core chiplet die）单元中。不过这时候amd还没有正式用ccd这个命名，直到现在的zen2架构中才出现这个命名。
服务器版epyc 32核（naples）处理器开盖后的核心
桌面版因为最多8核，所以只有1个ccd单元，外面看起来跟原生8核没什么区别，而服务器版是32核，有4组ccd单元，可以更清晰地显示出amd在zen（改进型zen+是一样的架构）的设计思路——那就是模块化。不过，这个模块化跟推土机的模块化不一样，属于创新模块，不是将内核模块，而是将ccd模块化，需要多少核心就配置相应的ccx/ccd核心即可。
摩尔定律放缓 amd另辟蹊径：zen2走向混合小芯片设计
在14nm zen及改进型的12nm zen+这两个系列的产品中，amd解决了高性能处理器的有无问题，52%的ipc性能提升彻底改变了amd处理器的处境，不过zen第一代的产品依然谈不上完美，amd要在新一代的zen2架构上解决两个问题。
一个问题是继续提升zen的ipc性能，另一方面则是要继续扩展zen处理器的并行性，也就是更多的cpu核心。尽管amd在zen一代上已经实现了桌面8核、服务器32核，核心数上继续领先，但这还没有达到amd的目标，要大幅超出才行。
前一个问题要靠继续挖掘zen架构的潜力，后一个问题就不只是架构设计的问题了。工程实现上难度更大，因为amd在zen2架构上要做64核128线程，并首发7nm工艺，将打造迄今为止最强大的x86处理器。
在友商也只能做到28核的情况下，amd做64核处理器最挑战的地方是什么？答案很简单，那就是成本，因为摩尔定律在最近几年中已经放缓了，amd如果继续按照原有的思路做下去，那64核epyc处理器的成本是难以想象的。
对于这一点，amd有着清醒的认识，此前amd ceo苏姿丰在2017年的一次会议中就对比过先进工艺对成本的影响。统一以250mm2的核心来算，45nm节点的成本算作1，32、28nm节点开始提升，20nm节点就变成2倍成本了，到了7nm成本跃升为4倍，未来的5nm更夸张，成本将是之前的5倍。
很显然，在zen2架构确定要上7nm的时候，如果按照之前的路线走，后果就只有两种——要么造不出来，要么造出来成本极高，因为按照amd之前估算的那样，如果是原生64核，那么核心面积接近800mm2了， 这几乎是现有193nm arf光刻机的处理极限，制造难度太大了。
当然，我们现在都知道了zen2架构不会采用这样的原始方式，因为amd在这一代x86处理器上用了升级的chiplets混合小芯片设计，这也是未来处理器的发展方向。它比第一代zen的小芯片更为高明，让zen2有了脱胎换骨的变化，以一种更巧妙的方式实现了首款64核128线程x86处理器。
zen2小芯片架构分析：cpu核心面积大降 io搭配更灵活
什么是chiplets小芯片设计？业界并没有统一的定义，简单来说这是一种新兴的芯片设计思路，将大芯片化为多个小芯片，每个芯片的功能则比较单一，而且可以搭配不同的工艺，以实现提高性能、增加良率、降低成本的目的。
在7nm zen2处理器上，amd实现混合小芯片设计的方式就是将cpu与io单元分离，分别称为ccd（core chiplet die）、iod（io die），在一代zen架构中每个ccd单元都是一样的，每颗ccd都包含io部分，1-4组ccd单元实现了8-32核的并行；而在zen 2架构中，io核心被分离了出来，1个io核心连接所有cpu核心。
而且这个io核心不需要使用7nm工艺，而是14nm（epyc霄龙）或者12nm（ryzen锐龙）工艺，核心面积分别是416mm2、125mm2，里面根据需要集成了不同数量的ddr主控、pcie主控、if总线等io单元。
zen2架构的cpu剥离了io单元，变成了纯粹的cpu微内核，再加上7nm工艺相比14nm工艺带来了一倍左右的晶体管密度提升，所以在核心面积上7nm zen2大幅缩小，单个小芯片面积只有74mm2，整合的l3缓存高达16mb，而zen一代上一个芯片的面积是213mm2，其中核心部分只占120mm2，其余的都是io单元的面积，由此可见zen2架构采用小芯片设计带来的优势极其明显。
那么amd采用小芯片设计到底有多大的收益呢？我们可以确定的是这种设计的良率会很高。到底有多高？amd官方没有公布过具体数据，不过第三方分析称8核zen2的良率达到了93.5%，在台积电7nm 12英寸晶圆上可以生产出749个8核处理器，生产32核心也有187个，成本优势明显。
当然，这样的算法只是用于评估zen2采用小芯片设计带来的成本优势，真实成本要比纯代工成本高很多，还得算上研发、封装测试成本。但怎么来算，这种设计都赋予amd在成本控制上极高的灵活性，远非原生大核心可比的。
最后还有一个问题值得关注，那就是延迟，虽然cpu、io核心分离解决了超多核心的并行问题，但是io、cpu分离开来也会导致延迟增加，这跟原生多核相比是个劣势。不过amd在zen2架构也针对此做了改进，包括if2总线及缓存上的改进。
作为zen2处理器cpu、io及cpu核心之间的总线，if2代采用了总线频率、内存频率分离式设计，保证可以达到更高频率和尽可能低的延迟，总线速率从前代的10.7gt/s提升到了18gt/s，数据传输更快。
而且每个ccd单元有各自的infinity fabric phy物理层，通过它和i/o die芯片内的数据总线(data fabric)进行高速互连通信——注意，两颗cpu芯片之间没有直接通信，都要经过i/o die，这样可以保证不同核心、缓存之间的延迟是一致的。
此外，缓存方面也做了改进，一方面zen2架构的l3缓存翻倍，每个ccx单元配备的l3缓存从8mb翻倍到了16mb，8核处理器是32mb l3缓存，64核的epyc处理器最多拥有256mb l3缓存，远高于前代及对手产品。
另一方面，zen2的内存频率也大幅提升，前代epyc支持的内存频率不过2666mhz（桌面ryzen为2933mhz），这一代官方数据是服务器和桌面都可以支持3200mhz，但这个数据可能比较保守，据称桌面端可以一键超频到4200mhz，高者可达ddr4-5133mhz。
还有一点需要强调的是，zen2率先支持了pcie 4.0标准，在io的带宽上也有了长足的提升和保障。
64核epyc处理器性能碾压式胜利 打破140多项世界纪录
得益于zen2架构的性能改进及64核128线程的超多核心，第二代霄龙epyc 处理器一经问世就打破了多项性能世界纪录，官方最新统计显示有140多项记录被64核128线程的epyc刷新。
amd打破性能记录的领域设计hpc、浮点运算、整数运算、java、db/erp、能耗、大数据、云计算及渲染等，几乎囊括了每一个需要高性能计算的市场。
64核epyc处理器的性能不只是amd官方自吹自擂，许多第三方评测网站也证明了amd所言不虚——insidehpc、serverthehome、thenextplatform等专业网站也做了大量epyc处理器性能测试，结果也显示64核128线程的epyc处理器在性能上有非常明显的优势，大幅领先对手的28核56线程至强。
amd不只是在性能上有优势，同时价格上也要比对手便宜——64核128线程的epyc 7742处理器只要6950美元，而对手的28核至强8280处理器售价超过1万美元，顶配版要1.3万美元，是amd 64核的2倍左右。
上面价格对比不仅显示了amd epyc霄龙处理器的高性价比，实际上也反映了与友商的成本差距——amd采用的小芯片设计大幅降低了成本，而友商原生28核的设计使得制造难度极高，成本很难降低。
amd对核心永远不满足 引爆x86核战
2019年是amd成立50周年，x86处理问世41年。在过去几十年的历史中，x86处理器的舞台上主要留下了amd及intel两家公司，期间虽然大部分时间都是intel在主导x86发展，但amd也屡次实现了技术创新上的反超，像64位，成就amd曾经辉煌的超传输总线技术等等，如今，在多核x86上，amd再次占了上风。
为了尽可能提升多核性能，amd在第一代zen处理器上首次使用了chiplets技术。而在最新的zen2处理器上，amd又首创了hybrid multi-die架构的混合小芯片chiplets设计，计算die和io die采用不同的制程，赋予x86多核处理器极高的灵活性，使得amd解决了7nm等先进工艺制造成本高、难度高、良率低的问题，可以更灵活地扩展cpu核心。这种堆积木的混合式组合使得桌面处理器达成达成了16核，服务器处理器轻松达到64核128线程。
最后的结果也证明，amd这次赌对了。它不仅在桌面处理器上创造了世界首款12核、16核游戏处理器锐龙9系列，在服务器市场上更是凭借64核128线程大杀四方，性能及售价双重优势明显。
amd引爆了x86处理器的“核战”，而且是主动出击，这也给对手intel出了一个难题。后者目前最强的至强处理器也只有28核56线程，核心数方面与epyc二代差距甚大，在性能上已经无法与之竞争，而且成本上更无还手之力——amd epyc 64核在核心数翻倍的情况下售价只有一半左右，这样的吸引力对云计算、数据中心等客户是无法抵抗的。
更可怕的是，似乎amd未来也不会停止这样的核战。amd cto mark papermaster在接受采访时表示，市场对处理器核心数没有天花板限制，软件正在快速针对多核cpu进行优化，可以充分发挥多核多线程的优势。amd在核心数方面不会停止进步。
根据amd官方发布的路线图，现在7nm zen2架构之后的两代处理器已经确定，zen3已经完成研发，zen3之后，zen4架构也在按计划研发设计中。虽然具体规格现在还没有确切消息，不过可以确定的是——amd在x86处理器上已经重回领导者地位了。