AMDRyzen71800X处理器测试报告决战多核重返荣耀

　　备受瞩目的 AMD Ryzen 处理器，终于在 3/2 号与各位玩家见面，AMD 花费 4 年的光阴、超过两百万小时的工程时间，首波推出旗舰款 8 核 16 绪 Ryzen 7 1800X、1700X 与 1700 处理器，迎战 Intel 7700K、6900K 等旗舰处理器；AMD 此举以多核心处理器，更低的市场价格对 Intel 宣战，就让我们先来了解 Ryzen 的故事与能耐，再来讨论玩家该如何在处理器双雄中抉择。
　　关于 Ryzen 处理器 Zen 架构的几件事
　　起初我们听到「Zen」处理器架构，以及「Summit Ridge」的处理器代号，与全新的「AM4」脚位，而在接近上市之际，AMD 则以「Ryzen」做为产品名发表，而 Ryzen 这名字在发想时，时间正逢美国 NASA 的冥王星探测任务「New Horizons」新视野号，Horizons 这寓意与 AMD 对 Zen 的期望不谋而合，因此以 Horizons 的后半段 rizons 与 zen 结合，因此 Ryzen 因此而被创造出来。
　　而在 Ryzen 主视觉的图像中，那像是书法挥毫的圆形则是「enso」，看似封闭但又开放的圆形，属于日本禅宗圆书法的印象，带有禅意并以闭合的圆代表完美，而圆中的开放处代表着成长，因此在处理器外盒、视觉设计，都能看到 Ryzen 配上 enso 书法禅圆的 logo。
　　↑ Ryzen 与橘红色的 enso 禅圆。
　　让我们再回到处理器上，衡量处理器效能，莫过于使用「Instructions per cycle, IPC」，也就是处理器每一个 cycle 可执行的指令数，AMD 在简报中提到，Zen 架构比起上一代 Excavator，有着 52% 的 IPC 效能提升，且 Zen 採用全新 x86 架构设计，对于现今电脑应用：PC Gaming、主流多核应用、直播、製作者（Prosumer），有着更好的效能提升。
　　接着就从四个面向：Performance、Throughput、Efficiency 与 Scalability，与一个技术 AMD SenseMI 来一窥 Zen 处理器的微架构设计。
　　↑ AMD Ryzen 7 1800X 处理器 die shot。
　　效能 Performance
　　从 Zen Core 的架构图来看，AMD 增强了 Branch Predictor（分支预测）功能，并经由 4-way 64K I-Cache 送给 Decode，而 Decode 在每週期可解码 4 个指令，并储存于 Micro-op Queue，再藉由 Op Cache 的帮助下，可每週期向 INT/FP Scheduler 传送 6 ops/cycle 的指令。
　　核心运算单元，Integer 部分则针对 ALU / AGU 进行运算，并有着 4 个 Interger 运算单元；而 Floating Point 部分，则有两个 ADD 与 MUL 单元；AMD 这样的设计，期望核心有更好的指令平行处理能力，并有着 1.75X 大的指令 Scheduler 与 1.5X 的频宽与资源，让 Zen 能够安排更多指令到执行单元，增强指令级平行运算性，以提升 Single-Thread 效能。
　　↑ Zen 核心框架图。
　　吞吐量 Throughput
　　为了提升处理器的吞吐量，Zen 核心有着更大的 64KB L1 指令快取，与 32K L1 资料快取，以及每个核心专用的 512KB 指令/资料快取，而其中 8MB L3 快取则是由 4 个核心共用；此快取配置，不仅是上一代 Bulldozer 的翻倍大，也比起 Intel Broadwell-E处理器的快取还要大。
　　有着更大的快取空间，Zen 也加入一个複杂的 Learning Prefetcher，可预测应用程式需要的资料，并提早将资料存放于快取当中，让核心可立刻执行指令；总而言之，将低层级快取设计于核心边上，能让每核心提升 5X 快取频宽。
　　↑ 高频宽、低延迟快取取设计。
　　Efficiency 效能
　　AMD Ryzn 处理器採用 Global Foundries 的 14nm FinFET 製程，不仅有更小的晶片尺寸，与更低的工作电压，让每瓦效能表现得更出色；且 Zen 架构採用 AMD 最新的低功耗设计，例如核心中的 Micro-op Cache 设计，可减少密集的远程读取功耗；更有效的动态功耗控制；以及低功耗位址产生器。
　　而 AMD 本身 APU 就属于低功耗移动平台，Zen 的出现让 AMD 能够企及 HEDT（high-end desktop）领域。
　　↑ Zen 核心的面积、L2、L3 快取与对手比较。
　　Scalability 扩展性
　　Zen 架构在设计上採用 CPU Complex (CCX)，有着原生 4C8T 区块，且每一个 CCX 有着 64K L1 指令快取、64K L1 资料快取、512KB 该核心专用 L2 快取，以及 4 核心共享的 8MB L3 快取，且每一个 CCX 核心，都具备 SMT（Simultaneous Multithreading）多线程功能。
　　且 CCX 当中的核心不仅可扩张亦能禁用，像是 Ryzen 7 系列处理器，採用双 CCX 设计，以打造 8C16T 多核心处理器，而两组 CCX 互相通过高速 Infinity Fabric 进行沟通；这设计，让 AMD 可根据需求扩张核心、线程与快取量，以符合客户端、伺服器与 HPC 等市场。
　　↑ Zen CPU COMPLEX 设计。CPU COMPLEX 中有着 4 个核心，每颗核心有着独立 L2 快取与共用的 L3 快取。
　　简单来说 Infinity Fabric 是个灵活、高速的汇流排介面，除了 Ryzen 使用此技术之外，未来的 VEGA 与 APU 都将受益于 Infinity Fabric 的灵活性，将 AMD 複杂的 IP 产品集成至一个晶片当中；Infinity Fabric 可用于交换资料，例如 AMD Ryzen 处理器的两组 CCX 相互传递资料、系统记忆体与其它控制器（I/O、PCIe）；此外，Infinity Fabric 亦提供 Zen 处理器，更佳的控制与命令功能，另处理器可随时针对电压、温度、时脉做出反应，这功能亦对于 AMD SenseMI 技术有着莫大的重要性。
　　AMD SenseMI 技术
　　在 AMD Ryzen 处理器当中，有着散布式＂smart grid＂ 传感器，能够精準的侦测 1mA、1mV、1mW 与 1℃，且回报率为 1000/1 秒；而传感器会将资料，传递至 Infinity Fabric 连接的控制回路，让控制器能基于当前和预期的方式，对处理器进行精準的调整。
　　AMD SenseMI 技术包含了五个相关的＂senses＂ 功能，并通过学习智能与 Infinity Fabric 命令/控制功能，让 AMD Ryzen 处理器具备 Machine Intelligence（MI）智能；这机制能够微调核心效能与电压，并提升快取预取与分支预测的能力。
　　Pure Power：透过分散式的传感器，能够带给处理器精準电源控制，甚至依据每一颗处理器硅晶元的特性，来进行电源管理；简而言之，Pure Power 能够随时监控温度、时脉与电压，透过 Infinity Fabric 回路，达到更精準的电源 / 效能控制。
　　↑ 通过这控制回路，可让处理器的电源控制、时脉调教，更为精準达到更好的每瓦效能表现。
　　Precision Boost：根据 Infinity Fabric 回路回馈的电流、温度与负载数据，能让 Precision Boost 以每阶 25MHz 提升或降低处理器时脉；这样的 25MHz 步阶设计，更容易提升时脉接近理想目标，并允许时脉更精準的抖动。
　　↑ 图表中，处理器的时脉依据每阶 25MHz 来进行调整。
　　Extended Frequency Range（XFR）：每颗带有 X 后缀的 Ryzen 处理器即支援 XFR，这代表着玩家只要有足够的散热系统，就能让处理器自动提升时脉，超过处理器的 Boost 时脉；举例来说，Ryzen 7 1800X 预设 3.4GHz、Boost 3.8GHz，而若玩家有足够的解热能力，更能让处理器超频至 3.8GHz+ 以上；这也是处理器 X 的意义，体质更好的超频处理器。
　　↑ X 代表着更好的超频效能，换句话说就是经过挑选超频体质好的处理器。
　　Neural Net Prediction：AMD 提到 Ryzen 处理器当中，有着 AI 智能，并利用神经网路对应用行为进行学习，并猜测该应用可能的下一步；而 Prediction 预测，即是根据 CPU 的指令集，来预测其下一步，并提早準备好工作负载与资料。
　　↑ 根据指令的执行，处理器可预测下一步的指令，提高处理器的吞吐量。
　　Smart Prefetch：预取则是依据应用的模型与行为，预测其下一步所需的资料，并提早储存于处理器的大型快取当中，让处理器不用等待资料从记忆体读进快取的时间。
　　↑ 预取则是根据应用，将下一步会使用到的资料，早一步读入处理器的快取当中。
　　上述，仅对于 AMD Ryzen 处理器 Zen 架构的基本介绍，若各位对探讨处理器架构有兴趣，可参考 AMD 在 Hot Chips 2016 (HC28) 与 ISSCC 2017 的 Zen 简报，已获取更多的 Zen 架构资讯。
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