AMD Next Horizon Gaming Tech Day：揚眉吐氣 Zen 2 微架構深度解析，同場加映 Matisse 封裝技術

透過 Zen 2 微架構改進和 TSMC 7nm 製程，AMD 第三代 Ryzen 桌上型處理器已有競爭對手 Coffee Lake 微架構的單執行緒 IPC 性能，再加上 I/O 晶粒與 CCD 運算晶粒分離的設計，提供多樣化、高彈性的實體核心數量配置，最高甚至可提供 Ryzen 9 3950X 十六核心規格。

6 核心至 16 核心任選

自從 AMD 宣布推出 Zen 微架構 Ryzen 系列處理器，就可以看出 AMD 在製造方面選擇與 Intel 分岔的道路，Intel 至今依舊選擇所有核心擺放在同一晶粒，同時製造、生產（超過實體 28 核心產品採用雙晶粒封裝）。由於 Intel 處理器產品絕大多數依舊掌握在自己的晶圓廠，因此採用此設計合情合理。

另一方面，AMD 早在 Zen 微架構產品推出之前，將晶圓廠切割出去，Zen 微架構也採用小核心晶粒透過拼湊封裝方式，推出超過實體八核心的產品線。此種作法的主要能夠降低生產成本，又能夠因應市場需求快速調整核心數量。

Zen 2 微架構實作，AMD 選擇僅提升運算晶粒 CCD 製程至 TSMC 7nm，搭配使用的 I/O 晶粒則採用 14nm（12nm？詳情後述），每個 CCD 包含 2 個 CCX 以及用來與 I/O 晶粒相互連結的 Infinity Fabric，I/O 晶粒則根據不同平台的需求，進行差異化設計。

除了代號 Rome 下一世代伺服器 EPYC 處理器，位居主流消費市場的第三代 Ryzen 桌上型處理器系列同樣採用 Zen 2 微架構，以及 CCD 運算晶粒和 I/O 晶粒分離式的設計，目前預計推出單 CCD 實體六核心 Ryzen 5 3600，直至雙 CCD 實體十六核心 Ryzen 9 3950X 共 5 款不同等級產品。

 ▲ AMD 主流市場採用 Zen 2 微架構的第三代 Ryzen 桌上型處理器系列產品將從 Ryzen 5 3600 實體六核心起跳，直到最高 Ryzen 9 3950X 實體十六核心。入門款式則考量使用者不一定會另外購買獨立顯示卡為訴求，以升級至 Zen+ 微架構的 Ryzen 5 3400G 和 Ryzen 3 3200G 填補空缺。

Zen 2 補完 Zen/Zen+

整體而言，Zen 2 微架構主要的進步之處在於填補先前 Zen/Zen+ 微架構的不足，因此要見到 Zen 微架構對比工程機械微架構那般的效能暴漲，坦白說是讀者們多慮了。不過 AMD 依舊創造出 Zen 2 IPC 成長 15％ 成績，過去讓人在意的 AVX 256bit 浮點運算效能和記憶體存取延遲，也紛紛在 Zen 2 微架構產品獲得改善。

 ▲ 「Zen」微架構名稱由資深研究員/領銜架構師 Michael Clark 親自挑選，代表著處理器微架構在多方競爭下的平衡--效能，功耗、電晶體數量、指令集……等，這次 AMD Next Horizon Gaming Tech Day 同樣由他主述 Zen 2 微架構改進。

另一方面，堆疊核心數量則是 AMD 從 Zen 微架構處理器產品以來的強項，第一代產品就逼得 Intel 不得不放棄祖傳許多代的 Core i7 實體四核心設計，推出 Core i7-8700K，接著甚至下放 Core i9 品牌等級至主流消費市場，推出實體八核心 Core i9-9900K，今年下半年甚至還有全數八核心渦輪加速頻率至 5.0GHz 的 Core i9-9900KS。

預測更準、單元更多、道路更寬

由於 Zen/Zen+ 架構採用的 GlobalFoundries 14nm/12nm 製程，其電晶體密度表現依舊不敵 Intel 14nm，因此 AMD 在此世代的微架構設計不得不採用一些折衷方案，其中最為明顯的是 256bit 浮點運算，雖然支援 AVX/AVX2 指令集，但卻需要拆成 2 個 128bit 指令，因為浮點運算單元寬度就只有 128bit。（註：AMD 選擇的 GlobalFoundries 12nm 為 14nm 最佳化版本，鰭片式電晶體長得更高、電氣特性更為優秀，但無法在同一面積之內塞入更多電晶體。）

Zen 2 微架構 CCD 改交由台灣 TSMC 7nm 製程製造，一舉追過 Intel 14nm 製程，可以放入許多需要耗費大量電晶體的功能；根據官方數據，轉進 7nm 製程可於相同面積之內塞入 2 倍數量電晶體，能夠以一半的耗電量提供相同效能，或是在相同功耗之下提供 1.25 倍以上效能。

 ▲ AMD 在去年 11 月所舉辦的 Next Horizon 活動當中，揭曉 7nm 製程比對手 14nm 製程在每瓦效能表現上更佳。

Zen 2 微架構具體而言，前端調整分支預測器至 TAGE 形式、L1 快取調整為 32KB 容量 8-way、µOp 微運算快取增至 4096 個條目，連帶 L3 快取增為 Zen/Zen+ 為架構的 2 倍。整數處理單元的重命名暫存器為 180 個、AGU 則為 3 個、每個時脈週期 2 個載入與 1 個儲存工作寬度增為 32Byte，浮點數處理器寬度增至 256bit。

 ▲ Zen 2 微架構實體單核心依舊支援 2 個執行緒，並受惠於 7nm 製程增加快取容量或是執行單元、執行單元寬度。

 ▲ L1 指令快取變成 32KB、8-way，L2 快取沒有變化，L2 資料 TLB 從 Zen/Zen+ 微架構的 1532 個條目增加至 2048 個條目。

由 AMD 釋出的圖表可得知，L1 分支預測依舊使用 Hashed Perceptron 方式，但是 L2 則進化成 TAGE，至於各階層的 Branch Target Buffer 條目數量均有上升，L0 BTB 從 8 個提升至 16 個、L1 BTB 從 256 個提升至 512 個、L2 BTB 則從 4096 個變為 7168 個，此外 Indirect Target Array 也從 512 個條目翻倍成 1024 個。上述 Zen 2 微架構前端改進，可降低約 30％ 分支預測錯誤率。

L1 指令快取變成 32KB，容量少見地縮水，但快取映射組關聯性從 4-way 變成 8-way，變成與 L1 資料快取相同，AMD 表示此舉能夠提升相關連性，並增加預取以及使用效率。

 ▲ 擷取指令階段導入 TAGE 形式分支預測器，其餘分支預測縮需的快取條目容量，在 Zen 2 微架構當中同步增長。

解碼部分最大的變化為 µOp 微運算快取，從原先 2048 個條目增加至 4096 個條目，其餘解碼數量倒是沒有什麼變化，解碼器依舊可以同步解碼 4 條指令並輸出，µOp 微運算快取則可輸出 8 條 macro-OP，AMD 表示 µOp 微運算快取輸出將有更佳的指令融合效果，因此整體而言可增加有效指令輸出量，同一時脈週期最高依然可以配發 6 個整數微運算或是最高配發 4 個浮點數微運算。

 ▲ Zen 2 微架構指令解碼最大的改變在於 µOp 微運算快取條目數量從 2048 個增至 4096 個，µOp 微運算佇列應該還是維持 72 個條目不變。

整數運算執行區塊，內部仍然使用 4 個 ALU，但前方的 ALU 排程器條目數量從每個 ALU 分配到 14 個條目，變成 16 個條目。AGU 則增加 1 個來到 3 個，前方 AGU 排程器已不再使用每個 AGU 對應 14 個條目的設計，而是所有 3 個 AGU 共享單個排程器 28 個條目。

其餘整數運算共享部分，重命名暫存器條目從 168 個提升至 180 個，且由於 AGU 增加 1 個的關係，每時脈週期可 issue 的指令也從 6 個提升至 7 個，Reorder Buffer 重排序緩衝區條目則是從 192 個增至 224 個。AMD 也在此提升雙執行緒指令排程時的 ALU/AGU 使用公平性，並標記 ALU 令牌以便管理 spinlock 狀態。

 ▲ Zen 2 微架構整數運算增加 1 個 AGU 並略微修改前端 AGU 排程器架構，其餘手法為增加緩衝區或是可用硬體資源。

這次 Zen 2 微架構浮點運算處理的首要任務為加強 256bit 寬度執行效率，因此所有的變更均圍繞此項目標，不僅是 2 個乘法器和 2 個加法器已可在單一指令完成 256bit，身旁傳輸的管線也從 2 x 128bit 而拓寬變成 2 x 256bit。至於能不能夠如同 Intel 部分微架構可將 2 個 256bit 融合成能夠執行 AVX-512，AMD 沒說意即應不具備此機制。

 ▲ 浮點運算處理可說是 Zen 2 微架構大力提升的對象，從 2 個 128bit 寬度乘法器/加法器變成 2 個 256bit 寬度，週遭線路也因此拓寬。

載入與儲存區塊，同樣因為要支撐更大的吞吐量而拓寬道路，每個時脈週期依舊能夠提供 2 個載入與 1 個儲存動作，載入維持 72 個亂序佇列，儲存佇列從 44 個抬升至 48 個，每個載入或是儲存動作的頻寬也從 16Byte 提升至 32Byte。L2 資料 TLB 如同先前所述，從 1532 個條目增加至 2048 個條目。

其餘部分則沒有太大的變化，AMD 僅公布更快的存取速度，更低的延遲等文字敘述；L3 快取階層不變，依然為 Victim Cache 設計，從 L2 快取排除的指令或是資料會被填入 L3 快取，以待未來再次使用時無須從記憶體當中載入，而 L3 快取容量於 Zen 2 微架構容量加倍，單一實體核心 L3 快取從 8MB 拓展成 16MB。

 ▲ Zen 2 微架構 L1 資料快取於每個時脈週期可以執行 2 個 32Byte 載入和 1 個 32Byte 儲存，過往則為 16Byte。（依圖所示，新增的 AGU 似乎專責儲存工作）

 ▲ 各階快取之間的地位關係在 Zen 2 微架構當中沒有變化，L3 依舊是 Victim Cache 快取設計，被 L2 排除的指令或是資料將填入此處，每個實體核心的 L3 快取容量加倍至 16MB。

Zen 2 微架構同時導入 3 個新指令，分別為 CLWB、WBNOINVD、QOS，前 2 者分別可以將處理器核心內部修改過的髒資料回寫，而無須將快取內部資料全數清空，QOS 則是提供快取與記憶體控制，保留更多的快取資源與記憶體頻寬給需要的執行緒。

 ▲ Zen 2 微架構導入 3 個新指令，分別為 CLWB、WBNOINVD、QOS。

 

（下一頁：主流市場 Matisse 封裝秘辛）