邁入7nm Zen 2時代！2019 AMD處理器技術與產品展望

AMD在2017年獲得了輝煌的成功，依靠全新的Zen架構，AMD重新獲得了高性能CPU市場的青睞。全新的Ryzen銳龍系列處理器無論是銷量還是市場反響都令人滿意，人們都在驚嘆那個勇於以小博大、依靠技術和創新引領發展的AMD又回來了。2019年，AMD將繼續在技術和創新的道路上前進，在這一年，AMD又會帶來哪些全新的技術呢？

工藝領銜

AMD邁入7nm時代

回顧AMD的發展史，可以看出AMD在發展中的波峰和波谷往往和工藝技術的使用情況高度吻合。和英特爾這種資本雄厚的廠商有所不同，AMD本身在技術支出上的資金遠不如對方雄厚，恰好晶圓廠和半導體製造又是一個重資本的行業，因此在半導體產品至關重要的工藝技術方面，AMD在很長一段時間內都落後競爭對手半代甚至更多。

好在AMD出售了旗下晶圓廠後轉型為無晶圓廠半導體企業，再加上掃清了一些商務和法律阻礙，從2019年開始，AMD終於可以自由選擇業內最先進的代工廠為自己生產處理器產品，從而擺脫工藝的桎梏，徹底「自由飛翔」。

AMD在架構研發上的進展頗為順利

這裡所提到的商務和法律的阻礙，就是指AMD在拆分自己旗下的晶圓廠，並隨後成立格羅方德的時候簽署的相關綁定協議。當時AMD和格羅方德在相關協議中加入了AMD的桌面處理器產品必須在格羅方德或相關晶圓廠製造的條款，並制定了一些違反協議的懲罰性內容。實際上格羅方德在28nm之後就無力自行研發更先進的工藝，其14nm（12nm）製程使用了三星的技術授權，隨後更是宣布放棄了7nm以及以下技術的研發，全力投入22nm FDX等特種工藝的開發。

在這種情況下，AMD要在CPU市場上進一步發展，顯然是不可能繼續和格羅方德綁定在一起了。因此AMD在2019年1月30日宣布和格羅方德經過一系列談判後，就雙方的合作協議進行了第七版修正。其主要內容包括AMD在使用7nm和以後工藝節點的時候，有充分的自由選擇權利，格羅方德將繼續以比較優惠的價格向AMD提供12nm以及之前的工藝等。在這些問題解決後，AMD在2019年的新處理器工藝上將全面切換到目前業內代工能力最強的TSMC也就是台積電。

台積電目前在代工領域能夠提供給AMD的最先進工藝是7nm，未來AMD桌面CPU、APU都會交由台積電以7nm甚至更先進的工藝製造。從一些工藝參數上來看，台積電的7nm工藝全稱是7nm HK-MG FinFET，針對不同的用途分為兩種。一種為移動設備設計，被稱為7FF，以低功耗和較高性能功耗比為特點；另一種為高性能處理器設計，名為7HPC。

TSMC 7nm SRAM照片

台積電宣稱自家的7nm工藝相比10nm FinFET工藝將帶來1.6倍的邏輯密度提升或者20%的頻率提升，或者40%的功率降低。其他的一些關鍵參數包括典型驅動電壓可降低至0.7V，CPP的尺寸為54nm、MMP的尺寸為40nm。

和英特爾的10nm工藝相比，台積電的7nm工藝和英特爾10nm工藝基本處在一個水平上，英特爾10nm工藝的CPP和MMP兩個關鍵參數分別為54nm和44nm，這和台積電7nm工藝基本相當。

在實際應用中，考慮到不同類型的部件和不同的性能，或者功率控制因素，這些參數還有可能發生變化，但並不會帶來代差。因此在多年之後，AMD終於和英特爾再度在工藝上站在了基本相同的水平線上。

Zen 2架構爆發

代號Roma、代號Matisse

Zen 2架構：全面架構提升加革命性的分離式設計

在工藝革新之後，AMD在今年將推出基於Zen 2架構的全新處理器，其中面向數據中心的產品代號為Roma，面向桌面的版本代號為Matisse。先來看看Zen 2架構的相關改進。AMD目前對Zen 2架構給出的信息不多，就現有資料來看，Zen 2架構在多個方面都做出了增強，其中最核心的兩個部分一是核心架構升級，二是計算和I/O單元的分離。

Zen 2架構相關產品是首個使用7nm工藝的處理器產品

AMD在Zen架構設計時就非常注重提升處理器的單核心IPC性能，Zen架構相比前代產品單核心IPC提升了超過50%之多，堪稱一次史詩級別地飛躍。也正是這次改進，使得AMD在高性能處理器上趕上了英特爾的步伐。在Zen 2上，AMD將進一步提升處理器的單核心IPC。

早期的一些報告顯示Zen 2在理論性能方面相比Zen 提升大約13%，較初代Zen提升更多，大約在16%左右。近期的AMD官方新聞指出，通過對比DKERN RSA的測試數據（AMD內部測試，考察處理器整數和浮點性能），得出了Zen架構成績為3.5，Zen 2架構為4.53，提升29.4%，接近3成的性能提升，由於AMD給出的是IPC數據，因此這個數據和頻率是無關的。考慮到7nm工藝帶來的頻率紅利，Zen 2的最終IPC提升幅度可能會更高。

需要指出的是，這裡的IPC性能提升並不是最終綜合性能提升的幅度。考慮到目前應用的複雜性和不同程序之間的偏向性，再加上AMD沒有給出DKERN RSA中浮點和整數性能的佔比，因此Zen 2的實際表現還需要更多的測試才能明確。但無論怎麼說，Zen 2的性能提升是令人非常驚訝的。AMD也給出了一些有關架構改進方面的信息。Zen 2在架構上的改進主要有四個方面—包括7nm工藝的採用、CPU執行流水線的改進、安全性能的提升、模塊化和更靈活的設計方案。

具體來看，Zen 2主要的改進在於大幅度提高的吞吐量。其相比Zen架構翻倍，主要體現在執行流水線加強，雙倍的浮點單元和載入單元，核心密度翻倍、每操作功耗減半等。前端設計方面，AMD加強了分支預測能力、指令拾取能力，重新優化了指令緩存，採用了更大的操作緩存等設計。

浮點性能方面，Zen 2的改善主要是採用了2個256bit的浮點單元，更寬且更快，浮點讀取和存儲帶寬翻倍，增加了分發和回退單元的帶寬，大幅度提高了吞吐量等。緩存方面，由於宏觀架構大改，AMD還加入了一些新的指令集用於提升緩存性能，包括CLWB緩存行寫回、RDPID處理器ID讀取、WBNOINVD寫回功能和不可使用的無效緩存標記等。

除了在架構設計上的進步外，Zen 2在整個處理器的宏觀布局上也提出了全新的模式。相比Zen架構的每個處理器核心自帶相關輸入輸出介面和I/O模塊不同的是，Zen 2架構徹底將處理器的計算核心部分和I/O部分剝離。計算核心通過Infinity Fabric匯流排和I/O模塊部分連接，本身不再提供額外的I/O介面。

換句話來說，AMD在Zen 2上的處理器模塊是無法單獨工作的，需要搭配專用的I/O晶元才能正常使用，這和Zen架構存在很大的差異。另外，Zen 2的計算核心採用的是7nm工藝，有助於縮小面積、提高頻率、降低功耗。而I/O部分由於模擬電路更多，即使採用7nm工藝也不會帶來面積、功耗等方面的明顯改善，因此採用了14nm工藝製造，並交由格羅方德完成。這樣一來，AMD在一顆處理器上實現了兩種不同工藝，並交由兩家廠商完成，這在CPU發展史上還頗為少見。

Zen 2架構採用特殊的計算核心和I/O模塊分離式設計

採用分離式設計的優勢在於可以靈活配比不同數量的計算核心和I/O模塊，以實現不同的規格。目前Zen 2的單個計算核心單元的規格是8核心、16線程，一個I/O模塊最多可以搭配8個計算核心（擁有8個IF匯流排介面），這樣就能夠實現最多64核心、128線程的規格。目前單路CPU核心最多的記錄也只有32個，要使用更多核心的話就需要採用多路處理器，這將帶來成本、功耗的增加以及性能的損失。所以AMD Zen 2創新的計算核心和I/O分離的設計，帶來了極高的靈活度，能夠更為自由地實現不同的規格和配比，並應對不同市場的需求。

相比之下，英特爾目前最多只提供28核心處理器，採用的是比較傳統的處理器和I/O模塊集成在一起的大核心模式。因此無論是製造成本、靈活度還是物理上的散熱、電器性能方面都遠不如AMD多個小核心和分離式設計的方案。同時大核心模式在核心數量擴展上還存在一些問題，難以進一步擴大CPU核心數量，這也成為英特爾未來的隱憂。

當然，AMD的創新分離式架構設計也不全是優點。相比傳統的大核心模式，分離式設計在處理器內部延遲、帶寬方面存在天然的劣勢，這就需要AMD通過各種優化和掩蔽手段來降低分離式設計的負面影響，這一點在初代EPYC處理器上已經有所體現了。在初代EPYC處理器採用的Zen架構上，由於內存控制器分布不平衡和處理器之間數據傳輸存在延遲等問題，有部分核心的延遲較大，在一些延遲敏感型計算中性能表現不佳，甚至出現了關閉部分高延遲核心後性能不降反升的情況。

因此，Zen 2的架構設計在核心平衡、數據延遲的統一方面做出了改進，藉助中央的I/O模塊，所有的處理器都處於對等的狀態，所有核心都可以在同一時間加入計算，這對多線程優化來說是一個好消息。此外，AMD還公布了一些遠景消息，比如採用7nm 工藝的Zen 3架構正在設計中，Zen 4也將在未來到來，不過時間上就比較遙遠了。

Roma和Matisse

全新處理器來襲

AMD在2017年發布的EPYC也就是霄龍處理器，帶來了AMD在數據中心、伺服器、超算中心等業務的爆發性增長。出現這種情況的主要原因是EPYC處理器提供了比競爭對手更強大的性能、更豐富的選擇和更合適的價格。眾所周知，面向商業和生產力的產品利潤是最為肥厚的，AMD也藉此帶來了亮眼的財報。

為了進一步擴大自己在數據中心等業務上的強勢地位，AMD在2019年將推出基於Zen 2架構的多款處理器產品，包括代號為Roma的新伺服器晶元以及代號為Matisse的消費級桌面產品，產品型號應該是Ryzen 3000系列。

Roma EPYC處理器同樣採用7nm工藝，核心數量進一步提升。AMD宣稱Roma EPYC處理器規格將提升至64核心、128線程。規格上的突破帶來了性能的進一步增強，Roma EPYC的每插槽性能直接翻倍，每插槽的浮點性能最高提升4倍。在具體的性能對比中，AMD利用1顆Roma EPYC處理器對比了英特爾的兩顆Xeon 8180。在NAMD模擬方面，一顆Roma EPYC的性能達到了9.86ns/天，而兩顆Xeon 8180隻能達到8.31ns/天，性能上略有超出，一顆比兩顆還強。

Roma EPYC處理器的核心內部布局示意圖

英特爾Xeon 8180處理器是目前英特爾所能給出的最強伺服器處理器產品，它的核心數量只有28顆，最大睿頻頻率3.8GHz，L3緩存為38.5MB，發布時間為17年第三季度。雖然英特爾在2018年又發布了一些更高頻率的處理器，但是並沒有進行大規模銷售，由於製程依舊停留在14nm時代且架構設計缺乏靈活性，因此英特爾在處理器頻率、核心數量上所能對應的辦法不多，這就為AMD在數據中心業務上留下了很大的空間。

AMD單路64核心Roma EPYC處理器正面挑戰英特爾雙路Xeon 8180

Roma EPYC處理器的工藝更為先進，並且靈活的核心和IO單元分離設計能夠針對不同的市場提供多款核心、頻率搭配的產品，這是英特爾所不能企及的。不過英特爾也正在嚴防死守，甚至宣稱不會讓AMD在數據中心的市場佔有率突破20%。俗話說人不識貨、錢識貨，市場怎麼選擇可能還需要進一步觀察。

由於Zen 2架構的優勢非常顯著，在Roma EPYC處理器尚未正式發布時，就已經有多家超算中心計劃選購。已經公布的信息顯示，德國斯圖加特高性能計算中心宣布新一代超算HAWK將採用一萬顆AMD Roma EPYC處理器，實現64萬核心128萬線程的規格，處理器基準頻率2.35GHz，峰值性能為24.06PFlops。

除了面向數據中心的EYPC外，面向普通玩家、代號為Matisse的第三代Ryzen銳龍處理器也逐漸曝光了更多消息。AMD在CES上展示的信息顯示，Matisse處理器擁有8核心16線程，頻率未知但有消息稱大約為4.5GHz。

在演示測試中，Matisse Ryzen處理器在CINEBENCH R15中得分為2023，相比之下銳龍7 2700X的測試成績為1750左右，英特爾8核心16線程的Core i9-9900K測試成績大約為2040。這顯示最起碼在CINEBENCH R15中，新的Matisse Ryzen的性能已經追平了目前英特爾最強的8核心4.7GHz Core i9-9900K處理器。還需要注意的是，Matisse Ryzen銳龍平台在演示中的滿載功耗僅為130W，而Core i9-9900K平台的功耗則高達180W。

另外，AMD還曝光了Matisse Ryzen的核心圖片。從圖中可以看出，目前的8核心產品只採用了一個計算核心搭配I/O模塊，下方留下了大量的空白空間，留出的空間足以放下另一個計算核心。在隨後對AMD CEO的採訪中，當記者問起是否有16核心的新銳龍處理器時，對方則語焉不詳，只是說AMD的產品在核心數量上具有優勢，因此展示中只顯示了8核心16線程，但是PCB板上空間還挺多的。另外，AMD CEO也提及了內存通道數量，目前使用的是雙通道內存，但未來可能開啟更多的內存通道以實現更大的帶寬。

AMD展示新的代號為Matisse的第三代Ryzen銳龍處理器，注意右下角的空缺。

總的來看，採用Zen 2架構、代號Matisse的新Ryzen銳龍處理器是值得期待的，不光是它目前的性能和功耗表現令人驚訝，還有其核心和I/O的分離式設計帶來了豐富的想像空間。很有可能在未來不僅僅只有16核心的新Ryzen銳龍處理器，空出來的部分也可以放下一個GPU核心，考慮到AMD已經發布的7nm GPU和更多的研發計劃，這一點也是非常有可能的。

除了處理器外，另一個消息是來自AMD的新一代主板晶元組。AMD計劃為新銳龍處理器推出新的晶元組，目前型號暫定X570，此外還有定位於主流市場的系列。一些消息顯示，由於PCIe 4.0等問題，AMD決定自行設計X570晶元組，而不是像之前那樣交給祥碩也就是ASMedia進行設計製造。除了X570外，面向主流市場的版本則依舊由祥碩負責，但是可能南橋無法提供PCIe 4.0的相關支持。

有關PCIe 4.0，AMD計劃在新的Ryzen處理器和晶元組上全面普及帶寬更大的PCIe 4.0匯流排，相比現有的PCIe 3.0，新的PCIe 4.0帶寬翻倍到16GT/s，PCIe 4.0 x16的雙向帶寬可達64GB/s，完全可以滿足未來高端顯卡和設備的數據傳輸需求。另外，AMD也宣稱新的Ryzen銳龍處理器將繼續使用目前的AM4介面，完全可以在現有平台上使用，但是否支持新的PCIe 4.0尚不得而知。

小結

通過AMD在近期披露的大量信息來看，2019年將是AMD非常關鍵的一個時間節點。在Zen架構和Ryzen銳龍處理器獲得成功後，AMD是否能更進一步，是否能順利地推出7nm新品和Zen 2架構，在性能上持平甚至超出英特爾就在此一舉了。

考慮到英特爾目前深陷工藝泥潭，10nm的桌面處理器時間推遲到了2019年底，因此計劃在2019年中發布新Ryzen銳龍處理器的AMD獲得了長達半年的窗口期。如果AMD能夠在這段時間內通過強勢的產品進一步展現其技術實力，那麼AMD將在未來的發展中贏得更多的籌碼，獲得更多的市場份額。

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