Intel и AMD уже более 50 лет являются двумя основными процессорными компаниями. Хотя оба используют архитектуру x86 для проектирования своих чипов, за последнее десятилетие или около того их процессоры пошли совершенно разными путями.
В середине 2000-х годов, с появлением бульдозерных чипов, AMD начала терять позиции по отношению к Intel. Сочетание низкого IPC и неэффективного дизайна почти загнало компанию в землю. Так продолжалось почти десять лет. Таблицы начали поворачиваться в 2017 году с появлением микроархитектуры Zen.
Новые процессоры Ryzen ознаменовали собой полное переосмысление подхода AMD к процессорам, с акцентом на IPC, однопоточную производительность и, самое главное, переход к MCM или модульному чиплетному дизайну. Intel, тем временем, продолжает делать вещи более или менее точно так же, как они делали это с момента прибытия Sandy Bridge в 2011 году.
Все началось с Zen
Ryzen первого и второго поколения сыграл спойлер на средних усилиях Intel, предложив больше ядер и больше потоков, чем такие детали, как Core i5-7600K. но сочетание аппаратных проблем, таких как задержка, и отсутствие оптимизированных для Ryzen игр означало, что Intel по-прежнему занимала значительное лидерство в производительности игровых рабочих нагрузок. Все это изменилось с появлением серии Ryzen 3000, основанной на дизайне 7nm Zen 2.
Радикальное улучшение IPC означало, что AMD могла предложить больше ядер, но также и соответствовать Intel по производительности однопоточной. Покупка Skylake refresh-refresh-refresh-refresh не обязательно приведет к улучшению частоты кадров. Счетчик Intel до сих пор предлагал (ждите его) больше ядер и потоков по каждой ценовой точке. 10-го поколения i3 теперь работает лучше, чем 7-го поколения Kaby Lake Core i7-7700K, а детали верхнего уровня i9 имеют Количество ядер, ранее замеченное только на Xeons. Рынок процессоров меняется, и многое из этого связано с различными подходами Intel и AMD к проектированию процессоров.
AMD и Intel находятся на принципиально разных путях в своей философии проектирования процессоров. Вот раздражающая аналогия с начальной школой, которая может помочь вам понять разницу. Какой фрукт больше: арбуз или килограмм яблок? Один из них действительно большой фрукт. А у другого, ну, много маленьких фруктов. Вы захотите иметь это в виду, когда мы совершим глубокое погружение здесь, в следующем разделе.
Монолитный Процессор Intel против чипов AMD Ryzen
Intel придерживается так называемого монолитного подхода к проектированию процессоров. По сути, это означает, что все ядра, кэш и ресурсы ввода-вывода для данного процессора физически находятся на одном монолитном чипе. У такого подхода есть несколько явных преимуществ. Наиболее заметным является снижение латентности. Поскольку все находится на одной и той же физической подложке, разным ядрам требуется гораздо меньше времени для связи, доступа к кэшу и системной памяти. Задержка уменьшается. Это приводит к оптимальной производительности
Если все остальное то же самое, монолитный подход всегда обеспечит вам наилучшую производительность. Но есть и большой недостаток. Это с точки зрения стоимости и масштабирования. Теперь нам нужно быстро взглянуть на экономику выхода кремния. Страпон: все будет немного сложнее.
Монолитные процессоры обеспечивают наилучшую производительность, но стоят дорого и…
Когда фабрикаторы производят процессоры (или любой кусок кремния, если на то пошло), они почти никогда не достигают 100-процентного выхода. Выходы относятся к доле изготовленных пригодных для использования частей. Если вы находитесь на зрелом технологическом узле, таком как Intel 14nm+++, ваш выход кремния будет превышать 90 процентов. Это означает, что вы получаете много полезных процессоров. Обратная ситуация, однако, заключается в том, что на каждые 10 процессоров, которые вы производите, вы должны выбросить по крайней мере один дефектный блок. Выброшенная единица, очевидно, стоила денег, чтобы сделать, так что стоимость должна учитываться в конечной цене продажи.
При низком количестве ядер монолитный подход работает нормально. Это в значительной степени объясняет, почему основная потребительская линейка процессоров Intel до недавнего времени превышала 4 ядра. Однако при увеличении количества ядер монолитный подход приводит к экспоненциально большим затратам. Почему это так?
На монолитной матрице каждое ядро должно быть функциональным. Если вы создаете восьмиядерный чип и 7 из 8 ядер работают, вы все равно не можете его использовать. Помните, что мы говорили о доходности, превышающей 90 процентов? Математически этот десятипроцентный коэффициент дефектности стекается для каждого дополнительного ядра на монолитной матрице до такой степени, что, скажем, с 20-ядерным Xeon Intel фактически должна выбросить один или два дефектных чипа для каждого пригодного к использованию, так как все 20 ядер должны быть функциональными. Затраты не просто линейно масштабируются с учетом количества ядер-они масштабируются экспоненциально из-за потерь.
Кроме того, при расширении мощности 14 нм вновь запущенные заводы не будут иметь такого же уровня производительности процессоров, как существующие. Это уже привело к нехватке процессоров Intel и появлению в результате процессоров серии F.
Следствием всего этого является то, что процесс Intel является конкурентоспособным по цене и производительности при низком количестве ядер, но просто не может быть устойчивым при более высоком количестве ядер, если они не продаются с низкой маржой или в убыток. Возможно, им дешевле производить двухъядерные и четырехъядерные процессоры, чем AMD поставлять SKU Ryzen 3. Теперь мы разберемся, почему это так.
Чипы, чиплеты и штампы
AMD использует чиплет-основанный или MCM (Multi-chip Module) подход к проектированию процессоров. Имеет смысл думать о каждом процессоре Ryzen как о нескольких дискретных процессорах, склеенных вместе с super glue-Infinity Fabric на языке AMD.
Один Ryzen CCX оснащен 4-ядерным 8-потоковым процессором вместе с кэшем L3. Два CCX склеиваются вместе на ПЗС-матрице для создания чиплета, фундаментального строительного блока процессоров Ryzen и Epyc на базе Zen. До 8 CCDs можно штабелировать на одном MCM (многокристальном модуле), что позволяет использовать до 64 ядер в потребительских процессорах Ryzen, таких как Threadripper 3990X.
У такого подхода есть два больших преимущества. Во-первых, затраты масштабируются более или менее линейно с учетом основных показателей. Поскольку скорость потерь AMD соотносится с ее способностью создать функциональный 4-ядерный блок максимум (один CCX), им не нужно выбрасывать огромные запасы дефектных процессоров. Второе преимущество заключается в их способности использовать эти дефектные процессоры самостоятельно. В то время как Intel просто выбрасывает их, AMD отключает функциональные ядра на основе каждого CCX для достижения различных значений количества ядер.
Например, и Ryzen 7 3700X, и 3600 оснащены одной CCD (или двумя CCX) с восемью ядрами. 3600 имеет одно ядро на каждом отключенном CCX, что дает ему 6 функциональных ядер вместо восьми. Естественно, это позволяет ей продавать шестиядерные компоненты по более конкурентоспособным ценам, чем Intel.
Существует большой недостаток чиплетного подхода: задержка. Каждый чиплет находится на отдельном физическом субстрате. Из-за законов физики это означает, что процессоры Ryzen несут штраф за задержку для связи через бесконечную ткань. Это было наиболее заметно с первым поколением Ryzen. Бесконечные скорости ткани коррелировали с часами памяти и разгоняли вашу память, поэтому приводили к заметно более высокой производительности процессора.
AMD удалось исправить это с помощью процессоров Ryzen 3000, используя то, что она называет “игровым кэшем”, что на самом деле просто маркетинг говорит о гигантском кэше L3. Кэш L3 является посредником между системной памятью и процессором. Типичные процессоры имеют небольшое количество L3-Intel i7 9700K, например, имеет всего 12 МБ L3. AMD, однако, объединила 3700X с 32 МБ L3 и 3900X с колоссальными 64 МБ L3.
Кэш L3 равномерно распределен между различными ядрами. Увеличенный объем кэша означает, что с небольшим количеством интеллектуального планирования ядра могут кэшировать больше того, что им нужно. Буфер устраняет большую часть штрафа за задержку, понесенного над Infinity Fabric. Следовательно, Ryzen 3000 обеспечивает равную или лучшую производительность, чем Coffee Lake, почти во всех рабочих нагрузках, включая игровые.
Чиплет или монолит: что лучше?
Нет ничего правильного или неправильного в подходах, принятых Intel и AMD. Тем не менее, чиплет-подход, вероятно, то, что мы увидим больше в ближайшие годы. Это происходит потому, что закон Мура, который предписывал удвоение вычислительной мощности каждые два года, полностью замедлился. Отдельные процессорные ядра не становятся в два раза быстрее каждые два года. Таким образом, единственный ответ на повышение производительности-это расширение и стекирование ядер.
Intel vs AMD: Skylake vs Zen 2
Основные микроархитектуры новейших чипов Intel и AMD также весьма различны:
- С самого начала предсказатели ветвей совершенно разные. Ядро Zen 2 AMD использует хэшированный предиктор ветви персептрона для предсказаний на основе L1, в то время как для L2 используется новый предиктор TAGE. Архитектуры Intel Sunny Cove и Skylake используют предиктор класса core. Существует стандартный 32-битный предиктор L1 и более крупный предиктор L2. К сожалению, в отличие от AMD, Intel держит в секрете более мелкие детали своих префетчеров и предсказателей, поэтому мы мало что о них знаем. Несмотря на это, обе компании имеют очень разные подходы к прогнозированию развития отрасли.
- Выборка инструкций для Zen 2 немного шире и составляет 32 байта, в то время как Skylake и Sunny Cove используют более узкую 16-битную выборку. Кэш инструкций L1 для всех трех конструкций привязан к 32 КБ, но Sunny Cove обновляет кэш данных на 50% до 48 КБ (12-полосный), в то время как Zen 2 и Skylake ограничены 32 КБ (8-полосный).
- Что касается декодеров, то дизайн Intel имеет пятипозиционный первичный декодер, в то время как ядро Zen 2 имеет четырехпозиционный декодер. Фронт-энд в первом случае отправляет шесть микроопераций в бэк-энд, где есть общий буфер переупорядочения как для целых чисел, так и для операций с плавающей запятой.
- Ядро Zen 2, с другой стороны, отправляет до шести микроопераций в кластер целочисленной логики и еще (до) четырех в кластер с плавающей запятой.
- Буферы переименования и удаления также используют различные конструкции. Архитектура Intel использует общий буфер переименования/выхода на пенсию, в то время как микроархитектура Zen AMD имеет различные очереди переименования для операций INT и FP, в то время как очередь выхода на пенсию 224 записи разделена между двумя кластерами.
- Как вы можете себе представить, бэк-энд-это также совершенно другая история для процессоров Intel и AMD. AMD довольно рано разделяет целочисленные и векторные очереди, в то время как Intel имеет общий планировщик для обоих. Одно из основных различий в исполнительных блоках заключается в том, что последнее ядро Intel Sunny Cove core поддерживает собственные инструкции AVX-512, в то время как Zen 2 и Skylake ограничены AVX-256.
- Первый может выполнять один 512-битный FMA (fused multiply and add) или два 256-битных FMA за цикл, в то время как второй поддерживает четыре 256-битные инструкции за цикл (2 MUL и 2 ADD) наряду с четырьмя параллельными исполнениями INT. Sunny Cove также поддерживает четыре целочисленных инструкции за цикл.
- Sunny Cove имеет гораздо более широкий буфер загрузки и хранения по сравнению с Skylake и Zen 2. Он имеет в общей сложности 128 записей в буфере загрузки и 72 в буфере хранения. Это позволяет ему выполнять две операции загрузки и две операции хранения за цикл.
- Skylake, с другой стороны, имеет 72 записи в буфере загрузки и 56 в буфере хранения. Как и Skylake, Zen 2, has может выполнять две нагрузки и один магазин за цикл.
- Аналогично, пропускная способность кэша данных LSU - L1 для Sunny Cove выше при 64 байтах / цикле, в то время как Zen 2 привязан к 32 байтам/циклу.
Вывод
И AMD, и Intel планируют запустить свои микроархитектуры CPU core следующего поколения позже в этом году в виде Zen 3 и Willow Cove соответственно. Intel будет использовать третью итерацию своего 10-нм узла для мобильных чипов Tiger Lake, в то время как настольные аналоги Rocket Lake (основанные на Sunny/Willow Cove) будут еще одной линейкой 14-нм. AMD, с другой стороны, будет использовать процесс TSMC 7nm+ для настольных процессоров Ryzen 4000 и Epyc Milan. Недавно выпущенная линейка настольных компьютеров Intel 10-го поколения - это еще одно обновление ядра Skylake 2016 года. Это уже четвертое подряд поколение Intel Core, использующее одну и ту же микроархитектуру. Rocket Lake, запуск которого ожидается в конце этого года, станет первой линейкой настольных продуктов за последние четыре года с новым дизайном ядра.