Spokojnie – nie ujawniono zbyt wiele szczegółów technicznych. Ogólny wgląd w architekturę Zen otrzymaliśmy parę miesięcy temu na konferencji Hot Chips – możecie o tym przeczytać w artykule „AMD Zen – rzut oka na architekturę”. W przesłanej nam informacji zamieszczono tylko jeden szczegół, którego dotąd nie słyszeliśmy oficjalnie od AMD: potwierdzenie, że pierwsze procesory Zen będą produkowane w procesie technologicznym 14 nm FinFET (z tranzystorami z trójstronną bramką).
Skoro nie ma dużo nowego, to po co to zamieszczamy? Po pierwsze, więcej informacji zawsze jest lepsze, niż mniej; szczególnie, jeśli pochodzą z samego źródła. Po drugie, żeby było jasne, o czym mówi AMD, a co jest wymysłem lub nadziejami czytelników albo nierzetelnych dziennikarzy.
Mark Papermaster ma w AMD stanowisko CTO – Chief Technology Officer, szefa rozwoju nowych technik. Jako jeden z szefów odpowiada bezpośrednio przed zarządem i nadzoruje bezpośrednio m. in. dział zajmujący się projektowaniem nowych procesorów. Pracuje w AMD od 2011 roku; wcześniej pracował przez trzy lata na podobnym stanowisku w Apple. Jeszcze wcześniej spędził ponad 25 lat w IBM, gdzie zajmował się między innymi projektowaniem procesorów o architekturze PowerPC.
Na kolejnej stronie zamieszczamy niezmienioną treść wypowiedzi Marka Papermastera. Tłumaczenie na j. polski dostarczyło AMD.
Znaczenie wydajności procesorów x86 w erze komputeryzacji zmysłowej
Mark Papermaster Chief Technology Officer, AMD
Wyszukiwanie, uczenie maszynowe, analiza danych, tworzenie i dostarczanie treści, rozszerzona i wirtualna rzeczywistość, gry – lista wymagających obliczeniowo zadań wydłuża się z każdym dniem. Są tylko dwie stałe w dziedzinie technologii. Pierwsza to nieustannie rosnąca potrzeba osiągania coraz to wyższej wydajności. Wydajność każdego rozwiązania jakie dostarczy branża półprzewodników jest szybko zagospodarowywana przez użytkowników, którzy zaraz zaczynają szukać czegoś szybszego.
Drugą stałą jest oczywiście ciągła zmiana. Pracuję w branży od ponad 30 lat i przez ten czas zaszła ogromna ilość zmian. Weźmy choć jeden przykład – wraz z uruchomieniem internetu i wprowadzeniem graficznego interfejsu komputery przestały być wyłącznie narzędziem do przetwarzania słów, lecz stały się prawdziwym portalem do nowego świata. To zmieniło nasze życie nie do poznania, dało ludziom możliwość dostępu i dzielenia się informacją, jak nigdy przedtem. Potem wszystko stało się przenośne i połączone, najpierw za sprawą notebooków, a następnie za sprawą smartfonów i tabletów. Niedługo potem nadeszła eksplozja aplikacji i masy danych, które trzeba przechowywać, przetwarzać i analizować, co pobudziło jeszcze bardziej wzrost zapotrzebowania na moc obliczeniową.
Cztery lata temu AMD rozpoczęło przygodę z odmładzaniem swojej wydajnej architektury procesorów x86, aby sprostać tym właśnie wymaganiom. Udziałem poprzedniej rodziny procesorów był szereg usprawnień na polu efektywności energetycznej, jednak to wciąż nie pozwoliło sprostać wymaganiom wszystkich aplikacji. Z naszej chęci wypełnienia tej luki zrodził się zupełnie nowy, od podstaw zaprojektowany rdzeń Zen.
Wraz z architekturą Zen chcemy wprowadzić nowy, nowoczesny rdzeń dla możliwie szerokiego spektrum zastosowań. Trzema filarami jego projektu jest wydajność, przepustowość i energooszczędność. W rezultacie Zen jest znacząco wydajniejszym silnikiem, który zwiastuje powrót AMD do segmentu sprzętu wysokiej wydajności, zwłaszcza że zapewnia o 40% wyższy współczynnik liczby wykonywanych instrukcji na takt zegara bez zwiększenia poboru energii. Ta śmiała zapowiedź to efekt wdrożenia ważnych zmian w obrębie zarządzania instrukcjami, efektywności wykonywania rozkazów oraz podsystemu pamięci podręcznej, które mają za zadanie usprawnić przepływ zadań oraz równoległość przetwarzania. Tak jak ujawniliśmy na ostatnim sympozjum Hot Chips 2016, Zen cechuje lepsze przewidywanie rozgałęzień dla lepszego doboru instrukcji, nowa pamięć mikrooperacji dla sprawniejszego ich przetwarzania i o 75% większe okno schedulera, aby móc pracować nad większą liczbą rozkazów na raz. Ponadto instrukcje te mogą mieć teraz o 50% większą szerokość w porównaniu z rdzeniem poprzedniej generacji, dzięki czemu zwiększy się równoległość w ich przetwarzaniu. Ta kombinacja zmian oznacza olbrzymi wzrost wydajności obliczeniowej w każdym takcie zegara.
Gdy już jednak masz odpowiednio wydajny silnik, potrzebne Ci do niego paliwo. My ten proces nazywamy „karmieniem bestii”. W tym wypadku jednak paliwem są dane i instrukcje. Przeprojektowaliśmy naszą hierarchię pamięci podręcznej, aby realizować to z 8 MB pamięci cache trzeciego poziomu (L3), zunifikowanej pamięci cache drugiego poziomu (L2) dla instrukcji i danych oraz oddzielnymi pamięciami cache o bardzo krótkich opóźnieniach dla każdego z tych rodzajów „paliwa”. Dedykowany rdzeń może teraz uzyskać do niego dostęp pięciokrotnie szybciej niż w przypadku poprzedniej generacji.
Prefetcher, czyli kluczowa część Zen pozwalająca mu uzyskać wysoką przepustowość, to w dużej mierze nasz autorski projekt i jeden z najbardziej złożonych mechanizmów w dziedzinie budowy procesora. Bazując na aktualnych trendach w kolejkowaniu instrukcji zaprojektowaliśmy go tak, aby był przyszłościowy i zdolny do przewidywania odpowiedniej kolejności rozkazów. Udało nam się na tym polu uzyskać bardzo dobre rezultaty, co jest o tyle znamienne, że przygotowywanie takich algorytmów jest co najmniej w połowie tak samo sztuką, jak nauką i wiedzą.
Kolejnym istotnym ulepszeniem podnoszącym przepustowość w architekturze Zen jest przejście na system współbieżnej wielowątkowości (SMT). Dzięki temu rdzeń może utrzymywać ścieżkę zadań w ramach programu, a kiedy nastąpi przerwa w oczekiwaniu na kolejne dane lub instrukcje, przetwarzane może być inne zadanie. Dla oprogramowania oznacza to dodatkowe zasoby do wykorzystania.
Wreszcie chodzi też o lepszą energooszczędność. Architektura Zen została zaprojektowana tak, aby mogła być wykorzystywana od pasywnie chłodzonych notebooków po superkomputery – w obu przypadkach efektywność energetyczna jest kluczowa. W świecie gdzie 10-procentowy wzrost wydajności jest określany jako znaczący, uzyskanie 40-procentowego wzrostu wydajności bez wzrostu poboru energii może wydawać się celem niemożliwym do osiągnięcia. Jednak naszym zespołom inżynierów udało się zwiększyć liczbę stanów energetycznych, dzięki czemu można było jeszcze lepiej zoptymalizować działanie nowego rdzenia pod kątem redukcji zużycia prądu i wdrożyć rozległe zarządzanie taktowaniem poszczególnych podsystemów.
Energooszczędność była głównym celem od samego początku powstawania projektu, aby inżynierowie byli skoncentrowani na wyciśnięciu każdego mikrowata. Każdy obwód został zoptymalizowany pod kątem poboru energii. Nawet gdy mały fragment procesora nie wykonuje żadnych operacji, to jest on odłączany od zasilania, aby wyeliminować straty. Z drugiej strony, gdy zapotrzebowanie na moc wzrasta, Zen jest w stanie uzyskać znakomitą efektywność energetyczną. Jest to także zasługa nowego, 14-nanometrowego procesu produkcji FinFET, który cechuje z jednej strony zmniejszenie tranzystorów, jak i obniżenie ich poboru energii przy wyższej wydajności niż w poprzedniej generacji. Możliwości tego procesu zostały przez nas wykorzystane do maksimum, a dzięki jego skalowalności można go wykorzystywać przy produktach wymagających niskiego poboru energii i niskiego upływu prądu, jak i tych wysokonapięciowych, które są zorientowane na wysokie taktowania i wydajność.
Ostateczny rezultat połączenia tych wszystkich innowacji będzie jasny w przyszłym roku, gdy pierwsze produkty z rdzeniami Zen wejdą na rynek, ale jak dotąd rezultaty laboratoryjne są imponujące. Ostatnio prezentowaliśmy zarówno 8-rdzeniowy, 16-wątkowy procesor dla komputerów stacjonarnych, czyli Summit Ridge, jak i 32-rdzeniową, 64-wątkową platformę serwerową Naples i jesteśmy bardzo optymistyczni patrząc w przyszłość. Co równie ważne – Zen to dopiero pierwszy kamień milowy na naszej drodze w kierunku technologii x86 wysokiej wydajności. W naszych planach są już bowiem kolejne generacji z dalszymi usprawnieniami, nad którymi aktualnie pracują nasze zespoły inżynieryjne, i które są odpowiedzią na zachodzące w świecie ciągłe przemiany i nieustannie rosnący apetyt na wydajność napędzający rozwój naszej branży.
