Процессор AMD Ryzen

1.

Процессор AMD Ryzen
Лисецкий М.А. группа ПИ.22

2.

В каждом вычислительном устройстве (ПК, смартфон, фотоаппарат) есть центр, который отвечает за
правильную работу машины ― процессор.
В широком смысле процессор ― это устройство, которое выполняет вычислительные и логические операции
с данными. Чаще всего этот термин используется для обозначения центрального процессора устройства.
Расшифровка CPU ― Central Processing Unit (центральное обрабатывающее устройство). Это самая важная часть
компьютера. Его мозг. Он выглядит как квадрат размером приблизительно 5x5 см (рис. 1).
С обратной стороны CPU находятся ножки, с помощью которых он крепится к материнской плате (рис. 2).
Рисунок 1
Рисунок 2

3.

Функции CPU
Какие функции выполняет центральный процессор CPU? Главная функция ― управление всеми
операциями компьютера: от простейших сложений чисел на калькуляторе до запуска компьютерных игр. Если
рассматривать основные функции центрального процессора подробнее, CPU:
получает данные из оперативной памяти, выполняет с ними арифметические и логические операции,
передаёт их на внешние устройства,
формирует сигналы, необходимые для работы внутренних узлов и внешних устройств,
временно хранит результаты выполненных операций, переданных сигналов и других данных,
принимает запросы от внешних устройств и обрабатывает их.

4.

5.

Из чего состоит CPU
Центральный процессор состоит из 3-х частей:
1.
Ядро процессора, которое выполняет основную работу. Оно позволяет читать, расшифровывать,
выполнять и отправлять инструкции. Ядро состоит из следующих частей:
Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет основные математические и логические
операции. Все вычисления производятся в двоичной системе.
Устройство управления (УУ). Управляет работой CPU с помощью электрических сигналов. От
него зависит согласованность работы всех частей процессора и его связь с внешними устройствами.
Каждое ядро может выполнять только одну задачу, хоть и за долю секунды. Одноядерный процессор
выполняет каждую задачу последовательно. Для современного объёма операций этого мало, поэтому ценятся
CPU с более чем одним ядром, чтобы выполнять несколько задач одновременно. Например, двухъядерный
выполняет две задачи одновременно, трехъядерный ― три и т. д.

6.

2.
Запоминающее устройство. Это небольшая внутренняя память центрального процессора. Она
состоит из регистров и кеш-памяти. В регистрах хранятся текущие команды, данные, промежуточные
результаты операции. В кеш-память загружаются часто используемые команды и данные из оперативной
памяти. Обратиться в кеш быстрее, чем в оперативную память, поэтому объём кеш-памяти влияет на
скорость выполнения запросов.
3.
Шины ― это каналы, по которым передаётся информация. Они как рельсы для перевозки данных.

7.

Главной
характеристикой
процессора
является
производительность.
Она
зависит
от
двух
параметров: тактовая частота и разрядность.
Тактовая частота ― число выполненных операций в секунду. Измеряется в мегагерцах (МГц — миллион
тактов в секунду ) и гигагерцах (ГГц — миллиард тактов в секунду). Чем больше тактовая частота, тем быстрее
работает машина.
Разрядность ― количество информации (байт), которое можно передать за такт. Разрядность процессора
бывает 8, 16, 32, 64 бита. Современные процессоры 32-х и 64-битные.

8.

Производители CPU
На рынке есть два основных производителя центральных процессоров ―
Intel и AMD.
Продукты Intel — дорогие, но имеют высокую производительность.
Потребляют меньше энергии, следовательно меньше перегреваются. Имеют
хорошую связь с оперативной памятью.
Продукты AMD значительно отстают от Intel, однако стоят дешевле. Они
требуют много энергии и хуже взаимодействуют с оперативной памятью по
сравнению с процессорами от Intel.

9.

Как всё начиналось – Zen и Zen+
Первое поколение Zen было спроектировано, что называется, с чистого листа — в этих процессорах AMD
отбросила все предыдущие наработки. И сразу же выяснилось, что это абсолютно верное решение. Ещё
задолго до выхода реальных процессоров, когда компания впервые представляла микроархитектуру Zen в
2015 году, она не стеснялась обещать огромный рывок в удельной производительности, и уже тогда
складывалось ощущение, что грядёт революция. Ещё бы, ведь переход от Excavator (последней итерации
Bulldozer), по расчётам компании, должен был увеличить показатель IPC (число исполняемых за такт
инструкций) на кажущиеся на тот момент невероятными 40 %.
И всё это оказалось не пустыми словами: в середине 2016 года AMD подтвердила невероятный рывок в
производительности практической демонстрацией

10.

Давайте вспомним, что представляли собой Ryzen первого поколения. Каждый процессор с микроархитектурой
Zen, несмотря на монолитный одночиповый дизайн, состоял из пары связанных шиной Infinity Fabric модулей CCX
(Core Complex), в каждом из которых находилось по четыре вычислительных ядра и по 8 Мбайт кеш-памяти
третьего уровня. Общими на два ССX были блоки ввода-вывода с контроллерами PCI Express 3.0, SATA, USB и так
далее, а также двухканальный контроллер памяти.

11.

Примерно через полтора года после появления процессоров Ryzen первого поколения AMD подготовила их
обновление – серию Ryzen 2000. Однако это был не слишком существенный шаг по пути прогресса — фактически
речь шла лишь о новом степпинге изначального дизайна. Самым важным изменением стала смена используемого
техпроцесса – вместо 14LPP (14 нм Low Power Plus) новое поколение Ryzen перешло на технологию 12LP (12 нм
Leading Performance), что позволило несколько нарастить тактовые частоты и оптимизировать задержки. Но что
касается собственно микроархитектуры, то она претерпела минимальные изменения, а поэтому ей дали
«промежуточное» название Zen+. Впрочем, старший представитель обновлённого семейства, Ryzen 7 2700X,
оказался быстрее предшественника, и процессоры AMD продолжили уверенное доминирование в части
производительности в вычислительных задачах, несмотря на появление у Intel конкурирующих шестиядерников
вроде Core i7-8700K. Однако о принципиальном улучшении ситуации с быстродействием в играх речь пока не шла.
Ryzen 7 2700X стал выглядеть немного увереннее, чем Ryzen 7 1800X, в гейминге, но процессорам конкурента он тем
не менее всё ещё принципиально проигрывал.

12.

Zen 2 и Zen 3
При создании следующей серии процессоров, Ryzen 3000, AMD пересмотрела применяемые компоновочные подходы
и решила опираться на многокристальные сборки в том числе и в процессорах для настольного сегмента. В
микроархитектуре Zen 2 произошло физическое отделение процессорных ядер от контроллера памяти и схем вводавывода, в результате чего в каждом процессоре стали одновременно применяться два вида разнородных
полупроводниковых кристаллов – чиплетов. Во-первых, это были выпускаемые по техпроцессу 12LP чиплеты вводавывода, в которых располагался контроллер DDR4 SDRAM, контроллер PCI Express 4.0, а также контроллеры SATA и
USB. Во-вторых, чиплеты с восемью процессорными ядрами, для производства которых использовался более тонкий
техпроцесс N7 (7 нм). Помимо всего прочего, такое разделение позволило AMD в дополнение к привычным Ryzen
создать новый подкласс массовых процессоров — 12- и 16-ядерные Ryzen 9, в которых применялась сразу пара
процессорных чиплетов.

13.

Впрочем, увеличение числа ядер стало не главным достоинством Zen 2 и процессоров, основанных на этой микроархитектуре. В них нашли место и
другие значительные улучшения. Так, переход на более современную производственную технологию позволил удвоить размер L3-кеша – теперь на
каждый четырёхъядерный CCX-модуль стало приходиться по 16 Мбайт кеш-памяти. Также была существенно переработана микроархитектура на
низком уровне. В результате всех оптимизаций и улучшений процессоры Ryzen 3000 заметно подтянулись по производительности, и, хотя всё ещё
отставали от конкурирующих предложений Intel при игровой нагрузке, имеющийся разрыв стал не таким вопиющим. Зато в вычислительных задачах
преимущество AMD стало неоспоримым: восьмиядерники вроде Ryzen 7 3800X оказывались быстрее появившихся чуть ранее Intel Core i9-9900K с таким
же числом ядер практически в любом приложении для создания и обработки контента, не говоря уже о том, что многоядерные модели Ryzen 9
попросту не имели конкурентов. Все изменения в Zen 3 касаются исключительно чиплетов с процессорными ядрами – чиплеты ввода-вывода в серии
основанных на микроархитектуре Zen 3 процессоров Ryzen 5000 унаследованы от Ryzen 3000. Главное улучшение касается их внутренней структуры: в
Zen 3 модули CCX попарно объединены, то есть процессорный чиплет наконец-то стал единой с логической точки зрения конструкцией, объединяющей
восемь равноправных ядер и разделяемую между ними кеш-память третьего уровня объёмом 32 Мбайт. Это сразу же снизило латентности при работе
ядер с общими данными – теперь находящиеся в одном чиплете ядра получили возможность взаимодействовать между собой через гораздо более
близкую к ним кеш-память, а не через внешнюю по отношению к CCX-модулям шину Infinity Fabric.

14.

Zen 4
Первые четыре модели серии Ryzen 7000, от Ryzen 5 до Ryzen 9, были выпущены 27 сентября 2022 г. Основные
характеристики настольных Ryzen 7000:
новый сокет AM5. Рабочая мощность разъема увеличена до 170 Вт (105 Вт у AM4), абсолютная максимальная
потребляемая мощность (Power Package Tracking, PPT) составляет 230 Вт
кристаллы с ядрами (CCD) изготавливаются по 5-нм техпроцессу TSMC N5, кэш L2 на ядро удвоен до 1 МБ;
кристалл ввода-вывода (I/O Die) изготавливается по 6-нм (ранее 14-нм) техпроцессу и имеет встроенный
графический процессор, доступный для всех моделей Ryzen 7000;
поддержка DDR5-5200 с помощью встроенного двухканального контроллера памяти;
поддержка шины PCI Express версии 5.0. Всего 28 линий (24 доступно и 4 заняты чипсетом);
Некоторые подробности о Zen 5 и Zen 4 были обнаружены в Cinebench. На архитектуре Zen 4 будет построено три
типа чипов: процессоры, которые появятся осенью, а также чипы на Zen 4 с дополнительным объемом кеша и
представители Zen 4c на улучшенном 4-нм техпроцессе.
К 2024 году AMD планирует запустить архитектуру Zen 5, основанную на 4-нм и 3-нм техпроцессах. Это поколение, по
аналогии с Zen 4, будет охватывать три подархитектуры — Zen 5, Zen 5 V-Cache и Zen 5c

15.

Первоначальная версия архитектуры ‘Zen" в настольных процессорах Ryzen серии 1000 отличалась тактовой частотой
до 4 ГГц и производилась на 14-нм производственном узле. В следующем году последовала серия Ryzen 2000 с
обновленной архитектурой ‘Zen +’, которая была уменьшена до 12-нм узла и обеспечивала более высокую тактовую
частоту с примерно на 3% более высоким IPC (количество инструкций на такт) по сравнению со своим
предшественником. Несмотря на это скромное увеличение, производительность в играх увеличилась на 15% благодаря
таким обновлениям, как Precision Boost 2 и XFR 2, отчасти благодаря увеличению тактовой частоты до 4,3 ГГц.
Настольные процессоры Ryzen серии 3000 выиграли от серьезной модернизации ядра, удвоив объем кэша L3 (до 32
МБ), пропускную способность с плавающей запятой (до 256 бит), емкость OpCache (до 4K) и пропускную способность
Infinity Fabric (до 512 бит). В нем также появился новый предиктор ветвления TAGE. Все эти улучшения способствовали
очень существенному увеличению IPC на 15%, а благодаря использованию нового 7-нм производственного узла
максимальные тактовые частоты этих процессоров выросли до 4,7 ГГц.
Следующей крупной версией "Zen" стал "Zen3", который дебютировал в настольных процессорах AMD Ryzen серии
5000. Этот комплексный пересмотр конструкции позволил увеличить IPC еще на 19% благодаря более чем 20 основным
изменениям, которые включали: более широкие и гибкие ресурсы выполнения; значительно большую пропускную
способность загрузки / сохранения для обеспечения выполнения; и оптимизированный интерфейс, позволяющий
задействовать больше потоков - и делать это быстрее. Компания также перешла к новому дизайну "унифицированного
комплекса", который объединил 8 ядер и 32 МБ кэш-памяти L3 в единую группу ресурсов. Это значительно сократило
задержки при передаче данных от ядра к ядру и от ядра к кэшу, сделав каждый элемент матрицы "ближайшим соседом"
с минимальным временем взаимодействия. Чувствительные к задержке задачи, такие как компьютерные игры, особенно
выиграли от этого изменения, поскольку задачи теперь имеют прямой доступ к вдвое большему объему кэша L3 по
сравнению с "Zen 2". Настольные процессоры Ryzen 5000, построенные на том же производительном 7-нм узле, что и
"Zen2", увеличили максимальную тактовую частоту до 4,9 ГГц.2

16.

Новейшей версией "Zen" является "Zen4", выпущенный в новых настольных процессорах AMD Ryzen серии 7000.
Созданные на основе передовой 5-нм производственной технологии, эти процессоры могут похвастаться
максимальной тактовой частотой до впечатляющих 5,7 ГГц. Благодаря существенному обновлению ключевых частей
чипа, таких как интерфейс, механизм выполнения, иерархия загрузки / сохранения и удвоенный кэш L2 на каждом
ядре, чип может обеспечить увеличение IPC на 13% по сравнению со своим предшественником. В сочетании с
увеличением тактовой частоты на 800 МГц по сравнению с прошлым поколением это может повысить
производительность однопоточной системы на 29%.
Хотя "Zen4" является новейшей версией "Zen" и заслужил репутацию самого совершенного процессора для ПК на
планете– AMD продолжает внедрять инновации и лидировать в индустрии процессоров для ПК. Эволюция ‘Zen" далека
от завершения.

17.

Спасибо за внимание