AMD Zen 3 Architekturverbesserungen: Erklärt

Am 8. Oktober^th, 2020 AMD kündigte die brandneuen Desktop-Prozessoren der Ryzen 5000-Serie an, die auf der Zen 3-Architektur basieren. Diese Ankündigung war eine der am meisten erwarteten PC-Hardware-Ankündigungen des Jahres. Seit der Einführung der ursprünglichen Zen-Architektur im Jahr 2017 befindet sich AMD in Bezug auf die jährlichen Architekturverbesserungen auf einem steilen Aufwärtstrend. Dieses Jahr war es nicht anders. AMD behauptete, den größten Generationssprung in der Geschichte der Ryzen-Prozessoren zu bieten. Was macht diese neue Architektur so besonders? Lassen Sie uns einen tiefen Einblick in die architektonischen Verbesserungen von Zen 3 geben.

Die Grundlagen der Zen-Architektur

Die Ryzen-Prozessoren von AMD verwenden ein einzigartiges Design, das sich stark von dem unterscheidet, das ihr Hauptkonkurrent Intel in seinen Desktop-Prozessoren verwendet. Ryzen-Prozessoren basieren tatsächlich auf mehreren kleinen Chiplets und nicht auf einem großen singulären Chip. Diese verschiedenen Chiplets kommunizieren miteinander über eine Verbindung, die als "Infinity Fabric" bekannt ist. AMD beschreibt die Infinity-Struktur als eine Obermenge des Hypertransports, die eine schnelle Konnektivität zwischen verschiedenen Chiplets in AMD-Prozessoren ermöglicht. Dies bedeutet, dass sich anstelle eines einzelnen Chips mehrere kleine Chiplets auf dem Substrat befinden, die über eine schnelle Verbindung miteinander kommunizieren.

Dieses Design hat seine Vor- und Nachteile. Der größte Vorteil ist die Skalierbarkeit. Ein Chiplet-Design bedeutet, dass AMD mehr Kerne in ein kleineres Paket packen kann, wodurch selbst im Budgetsegment des CPU-Marktes Optionen mit hoher Kernanzahl möglich sind. Der Hauptnachteil dieses Entwurfs ist die Latenz. Die Kerne sind physikalisch voneinander getrennt, was aufgrund der Zeit, die benötigt wird, um Daten über das Unendlichkeitsgewebe zu übertragen, zu einer etwas höheren Latenz führt. Dies bedeutet, dass die Leistung in latenzempfindlichen Anwendungen wie Spielen normalerweise geringer ist als das Single-Chip-Design von Intel.

Zen 2-Implementierung

Die Prozessoren der Ryzen 3000-Serie waren ein großer Erfolg auf dem Mainstream-Desktop-Markt. Diese CPUs basierten auf der Zen 2-Architektur, die auf dem 7-nm-Prozess von TSMC basiert und einige sehr interessante Verbesserungen im Design der Zen-Architektur aufwies. Zen 2 kombinierte die CPU-Kerne zu Core-Komplexen mit jeweils 4 MB und teilte den Pool mit 32 MB L3-Cache in zwei kleinere Pools mit jeweils 16 MB Cache auf. Diese Kernkomplexe (CCX) bildeten die Grundlage für die Zen 2-Prozessoren. Jeder 4-Kern-Komplex hatte sofortigen Zugriff auf 16 MB L3-Cache, was wichtig war, um die Latenz zu verbessern. Dies bedeutete, dass Zen 2 in latenzempfindlichen Anwendungen wie Spielen für Intel sehr wettbewerbsfähig war und Intel in Multithread-Workloads deutlich übertraf.

Die verschiedenen CCX-Einheiten mussten noch über das Infinity Fabric miteinander verbunden werden, sodass noch eine gewisse Latenz zu erwarten war. Trotzdem bot Zen 2 eine 15% ige IPC-Verbesserung (Instructions Per Clock) gegenüber Zen + und verfügte auch über höhere Kernuhren. Diese Generation war für AMD wichtig, da sie sich jetzt wieder in die Konkurrenz mit Intel eingeschlichen haben und aufgrund ihrer schnellen Innovation und der Selbstzufriedenheit von Intel ein enormes Verbesserungspotenzial haben.

Ziele für Zen 3

AMD machte sich daran, Zen 3 mit einem sehr klaren Ziel zu entwickeln. Da sie bereits die Multithread-Seite der Konkurrenz dominieren, ist der einzige Bereich, in dem sie noch ein wenig hinter Intel zurückbleiben, das Spielen. So gut Zen 3 auch war, es konnte Intel aufgrund des Designs des blauen Teams, das extrem hohe Taktraten und geringe Latenz bietet, nicht die Gaming-Krone abnehmen. Für reine Gamer, die die höchstmögliche Framerate wollen, war die Antwort immer noch Intel. Daher waren die Ziele von AMD für diese Generation klar:

Verbessern Sie die Core-to-Core-Latenz
Erhöhen Sie die Kerntaktgeschwindigkeiten
Erhöhen Sie die Anweisungen pro Uhr (IPC).
Effizienz steigern (höhere Leistung pro Watt)
Erhöhen Sie die Single-Threaded-Leistung

Angesichts der Tatsache, dass Zen 2 in Multi-Core-Anwendungen bereits eine sehr solide Leistung erbrachte, war es für AMD einfach, sich fast ausschließlich auf die Single-Threaded-Leistung dieser CPU-Generation zu konzentrieren.

Zen 3 Verbesserungen

AMD sprach am 8. Oktober in seinem Live-Stream „Where Gaming Begins“ über ihre neuen CPUs und die Zen 3-Architektur^th. AMD behauptet, dass Zen 3 der größte Generationssprung in der Geschichte der Zen-Architektur ist. Die neuen Ryzen 5000-CPUs basieren immer noch auf dem 7-nm-Prozess von TSMC, bieten jedoch eine Reihe von architektonischen Verbesserungen unter der Haube.

Komplexes 8-Kern-Design

Die wohl größte Verbesserung bei der neuen Architektur war das völlig neue Layout. AMD hat das Multiple-CCX-Design von Zen 2 abgeschafft und stattdessen ein einziges 8-Core-Complex-Design gewählt, bei dem alle 8 Kerne Zugriff auf den gesamten 32-MB-L3-Cache haben. Diese Neugestaltung hat enorme Auswirkungen auf latenzempfindliche Anwendungen wie Spiele.

Wenn jeder Kern in direktem Kontakt mit dem Cache und den anderen Kernen steht, wird die Latenz erheblich verbessert, da die Daten nicht den gesamten Chip kreuzen müssen, um von einer Seite zur anderen zu gelangen. Dieses Redesign verbessert auch die effektive Speicherlatenz des Chips, was zu einer erhöhten Leistung für Single-Threaded-Aufgaben führt.

IPC-Verbesserung

Das verbesserte Layout des Kernkomplexes ist nicht die einzige Verbesserung, die Zen 3 bringt. AMD behauptet eine 19% ige IPC-Verbesserung gegenüber Zen 2, was eine enorme Zahl ist. IPC oder Anweisungen pro Takt geben an, wie viel Arbeit die CPU pro Taktzyklus leisten kann. Die Verbesserung um 19% ist der größte Sprung, den wir seit dem ersten Start von Ryzen im Jahr 2017 bei IPC gesehen haben. Die vorherige Generation von Zen 2-Prozessoren brachte auch eine ziemlich massive IPC-Verbesserung von 15% gegenüber der Zen + -Architektur.

Diese IPC-Verbesserung bedeutet, dass AMD mit den himmelhohen Core-Uhren von Intel konkurrieren kann, indem es sogar in Bezug auf Boost-Uhren unter 5 GHz bleibt. AMD hat auch die Mitwirkenden an diesem massiven IPC-Anstieg skizziert. Laut Werbematerial sind die Hauptfaktoren:

Cache-Prefetching
Ausführungs-Engine
Zweigprädiktor
Micro-Op-Cache
Frontend
Laden / Speichern

Verbesserte Effizienz

Aufgrund der unglaublichen Dichte des 7-nm-Prozesses von TSMC konnte AMD noch mehr Strom in die Ryzen-Chips stecken und dabei die gleiche durchschnittliche Leistungsaufnahme beibehalten. AMD behauptet, dass die Chips der Ryzen 5000-Serie auf demselben 7-nm-Prozess wie die 3000-Serie basieren, der Prozess jedoch verfeinert wurde und die resultierenden Chips somit effizienter sind.

AMD hat auch die kühne Behauptung aufgestellt, dass der Ryzen 9 5900X und der 5950X trotz höherer Boost-Takte und des verbesserten IPC die gleiche Menge an Strom verbrauchen werden wie der 3900X und der 3950X der letzten Generation. In AMDs Werbematerial wurde eine Verbesserung der Leistung um 2,4X pro Watt gegenüber der ursprünglichen Zen-Architektur angegeben. Diese Zahl stimmt mit AMDs Behauptungen über die Leistungsaufnahme von 5900X und 5950X überein, da sie jetzt höhere Uhren haben, aber immer noch die gleichen TDP-Nummern wie ihre Vorgänger haben.

Raffiniertes Silizium, höhere Uhren

Am Ende der Lebensdauer der Ryzen 3000-Serie veröffentlichte AMD eine Aktualisierung, die der Serie 3 CPUs mit dem „XT“ -Logo hinzufügte. Die Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT und Ryzen 9 3900XT waren genau die gleichen CPUs wie die Basismodelle, jedoch mit höheren Taktraten. Am Ende der Lebensdauer eines Produkts wird der Herstellungsprozess ausgereift und die Siliziumqualität wird besser. Dies bedeutet, dass das Silizium CPUs erzeugt, die höher ansteigen und die Uhren länger halten können. Genau so wurde die XT-Reihe von CPUs möglich.

Bei Zen 3-CPUs verwendete AMD denselben ausgereiften Herstellungsprozess und das höherwertige Silizium, um die CPUs der 5000er-Serie auf demselben 7-nm-Knoten zu bauen. Dies ermöglichte es AMD, die Boost-Uhren viel höher zu stellen als selbst die XT-Serie der letzten Generation. Höhere Boost-Takte in Verbindung mit einem höheren IPC und einer Neugestaltung des Kernlayouts bedeuteten, dass AMD bereit war, sich der Herausforderung der Single-Threaded-Leistung zu stellen. Die angegebenen Taktraten der 4 Prozessoren der Ryzen 5000-Serie sind wie folgt:

AMD Ryzen 5 5600X: 3,7 GHz Basis, 4,6 GHz Boost
AMD Ryzen 7 5800X: 3,8 GHz Basis, 4,7 GHz Boost
AMD Ryzen 9 5900X: 3,7 GHz Basis, 4,8 GHz Boost
AMD Ryzen 9 5950X: 3,4-GHz-Basis, 4,9-GHz-Boost

Vorteile des Chiplet-Designs

Es gab viele Faktoren, die es AMD ermöglichten, einen so erheblichen Sprung zwischen den Generationen zu machen. Eines der größten ist das Design der Chips selbst, nämlich das „Chiplet Style“ -Layout der CPU-Chips. Dieses Design bietet viele entscheidende Vorteile, wenn es um Generationenverbesserungen geht:

Skalierbarkeit: Aufgrund der Tatsache, dass Kerne innerhalb der Chiplets auf dem Substrat angeordnet sind, ist es AMD möglich, mehr Kerne in ein ähnliches Gehäuse zu packen, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung besteht. Durch das konkurrierende Design von Intel sind alle Kerne sehr nahe beieinander, was zu drastischen thermischen Problemen führen kann, wenn sie nicht richtig konfiguriert werden. AMD hingegen hat dieses Chiplet-Design erfolgreich verwendet, um 6-Kern-, 8-Kern-, 12-Kern- und sogar 16-Kern-Prozessoren auf der Mainstream-Desktop-Plattform herzustellen. Dies bedeutet, dass AMD aufgrund dieses Designs eine Dominanz der Kernanzahl etabliert hat.
Einfache Entwicklung: Ein weiterer großer Vorteil dieses Designs ist offenbar seine einfache Entwicklung. Während des Entwicklungsprozesses der Zen 3-Architektur verwendete AMD genau das gleiche Basisdesign wie Zen 2 und modifizierte es dann. Dies bedeutete, dass das Design bereits bis zu einem gewissen Grad perfektioniert war und es für AMD leicht war, sich in den Schlüsselbereichen, auf die sie abzielten, zu verbessern.
Gleichzeitige 5-nm-Entwicklung: AMD wies auch darauf hin, dass ihre Zukunftspläne für Ryzen-CPUs, die auf der 5-nm-Architektur basieren, ebenfalls auf dem richtigen Weg waren. Dies liegt daran, dass AMD dank der Chiplet-Design-Architektur mehrere Entwicklungsströme gleichzeitig ausführen kann. AMD war zuversichtlich, dass der 5-nm-Prozess genau wie geplant eintreffen würde, genau wie die auf dem 7-nm-Prozess basierenden Zen 3- und Zen 2-Architekturen.

erwartete Ergebnisse

Prozessoren der Ryzen 5000-Serie auf Zen 3-Basis versprechen, nicht nur bei Multithread-Workloads, sondern auch beim Spielen branchenführend zu sein. Zum ersten Mal seit 2006 hat AMD Intel offiziell im Rennen um die absolut beste Spieleleistung entthront (laut AMDs Behauptungen). AMD hat außerdem behauptet, mit dem Ryzen 9 5950X die höchste Single-Threaded-Leistung aller Desktop-Chips zu erzielen, dicht gefolgt vom Ryzen 9 5900X. Werfen wir einen Blick auf die erwarteten Ergebnisse der durch Zen 3 erzielten architektonischen Verbesserungen.

Führung im Gaming

Mit einer satten IPC-Verbesserung von 19%, erhöhten Kerntakten und einem neu gestalteten komplexen Kernsystem hat AMD in dieser Generation einen gigantischen Sprung in der Spieleleistung gemacht. Während Zen 2 mit den Angeboten von Intel einigermaßen konkurrenzfähig war, plant Zen 3, Intel bei allen Gaming-Workloads zu schlagen. AMD behauptet, dass der Ryzen 9 5900X in Spielen durchschnittlich 26% schneller ist als der Ryzen 9 3900X. Dies ist ein gigantischer Sprung in nur einer Generation.

Darüber hinaus hat AMD behauptet, dass der Ryzen 9 5900X beim Spielen schneller ist als der Core i9-10900K. Dies sind ziemlich große Neuigkeiten für AMD-Fans und für allgemeine PC-Enthusiasten. Dies bedeutet nun, dass die Top-AMD-CPUs die Top-Intel-CPUs sowohl in Gaming- als auch in Multi-Core-Anwendungen schlagen. Es hilft Intel nicht weiter, dass sie immer noch an der archaischen 14-nm-Architektur festhalten und ihre Rocket-Lake-Prozessoren der nächsten Generation Es wird auch gemunkelt, dass es sich um 14nm handelt. In der Zwischenzeit schießt AMD mit seinen 7-nm-Angeboten in Zen 2 und Zen 3 auf alle Zylinder und arbeitet gleichzeitig an den 5-nm-Plänen, die anscheinend ebenfalls auf dem richtigen Weg sind. Dies kann schwerwiegende Auswirkungen auf den Marktanteil von Intel für Desktop-CPUs haben.

Verbesserte Single-Threaded-Leistung

AMD bietet seit einiger Zeit eine bessere Multicore-Leistung, was sich jedoch nicht unbedingt in einer besseren Spieleleistung niederschlägt, da moderne Spiele nicht alle Kerne effektiv nutzen. Viele Spiele haben einen dominanten Thread, der oft als "Welt-Thread" bezeichnet wird und am stärksten genutzt wird. Der Welt-Thread reagiert sehr empfindlich auf Latenz und Single-Core-Leistung. Dank der architektonischen Neugestaltung von AMD wurde die Latenz massiv reduziert, wodurch die Leistung dieses dominanten Threads massiv verbessert wurde. Dies hat es AMD ermöglicht, in Spieleszenarien die Führung zu übernehmen.

Dies bedeutet auch, dass die Single-Threaded-Leistung von AMD der von Intel jetzt weit überlegen ist. Tatsächlich zeigte AMD für den Ryzen 9 5950X einen beeindruckenden Single-Core-Cinebench-Wert von 640, dicht gefolgt vom Wert von 631 für den Ryzen 9 5900X. Diese Verbesserungen sind auch aufgrund der komplexen Neugestaltung des Architekturkerns, der verringerten Latenz und der höheren Boost-Clocks der Zen 3-Architektur möglich. Lesen Sie mehr über die Single-Threaded-Leistung der Prozessoren der Ryzen 5000-Serie in Dieser Artikel.

Noch höhere Multithread-Leistung

AMD setzte seine Dominanz im Multithread-Leistungssegment fort und zeigte erneut beeindruckende Zahlen für seine Prozessoren der Ryzen 5000-Serie auf Zen 3-Basis. Insbesondere der 12-Kern Ryzen 9 5900X und der Ryzen 9 5950X weisen eine konkurrenzlose Leistung bei kernlastigen Workloads auf. AMD hat auch einige Verbesserungen unter der Haube vorgenommen, die es dem 5950X erstmals ermöglichten, auch der schnellste Desktop-Prozessor für CAD-Arbeiten zu sein. AMD hielt es für den besten Gaming-Prozessor UND den besten Prozessor für die Erstellung von Inhalten, und es ist schwer, mit dieser Aussage zu argumentieren. AMD behauptete beeindruckende 12 % mehr Leistung beim Rendern von Workloads gegenüber dem 3950X. Dies macht diesen Prozessor zu einem absoluten Biest für diejenigen, die das Beste suchen, was Desktop-Computing zu bieten hat.

Alarmglocken für Intel?

Es besteht kein Zweifel, dass AMD seine Ryzen-Prozessorreihe mit einer fast blendenden Geschwindigkeit verbessert hat. Sie haben von Generation zu Generation enorme Leistungsverbesserungen geboten, und Zen 3 verspricht, ihr bisher größter Sprung zu sein. Während die Prozessoren der Ryzen 3000-Serie in Bezug auf Kernanzahl und Preisgestaltung ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis boten, lagen sie in einer Hauptauslastung immer noch hinter Intel: Gaming. AMD hatte in fast allen anderen Bereichen des Desktop-Marktes einen starken Vorsprung aufgebaut, sei es beim Rendern, Codieren, Videoproduzieren oder Streamen, aber sie mussten Intel beim Spielen überholen, um wirklich der unbestrittene Best-in-Class-Prozessor zu sein.

Dank des erstaunlichen architektonischen Designs der Ryzen-Prozessoren, des 7-nm-Prozesses von TSMC und der brillanten Planung und Ausführung durch das AMD-Entwicklungsteam haben sie es endlich mit Zen 3 geschafft. Dieser Start muss in der Intel-Zentrale Alarmglocken läuten. Intel ist ein riesiges Unternehmen, und es gibt keine Möglichkeit, dass sie darauf nicht reagieren würden, aber sie sind in Bezug auf die Entwicklungsgeschwindigkeit sicherlich hinter AMD zurückgeblieben. Die Haupthürde, die Intel überwinden muss, ist der veraltete 14-nm-Prozess, den Intel seit Skylake verwendet.

Intel hatte gut dokumentierte Probleme mit seinem 10-nm-Prozess und kann daher noch keine Desktop-Chips auf Basis dieser Architektur einführen. Die Gezeiten können sich jedoch ändern, sobald Intel seine jüngsten Laptop-CPUs mit dem Codenamen „Tiger Lake“, die auf der 10-nm-Architektur basieren, erfolgreich veröffentlicht hat. Diese Laptop-Chips bieten gegenüber der letzten Generation große Verbesserungen in Bezug auf Leistung und Effizienz, und es ist plausibel, dass Intel daran arbeitet, diesen Prozess auf die Desktop-CPUs zu portieren. Sollte es Intel gelingen, den 10-nm-Prozess funktionsfähig zu machen, werden die kommenden Jahre für CPU-Leistungsbegeisterte sehr interessant sein.