身臨其境時(shí)代里的高性能x86計(jì)算架構(gòu)
搜索，機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)分析，內(nèi)容創(chuàng)建和交付，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲 - 這些計(jì)算密集型任務(wù)列表每天都在變長(zhǎng)。當(dāng)涉及到技術(shù)時(shí)有兩個(gè)常量：第一是需要越來(lái)越強(qiáng)的計(jì)算性能。無(wú)論芯片行業(yè)提供什么性能產(chǎn)品，終端用戶都會(huì)快速消費(fèi)，然后開始尋找性能更強(qiáng)的產(chǎn)品。
第二個(gè)常量當(dāng)然是變化，我在這個(gè)行業(yè)已經(jīng)有30年多的時(shí)間了，目睹了這個(gè)行業(yè)的千變?nèi)f化。讓我們看一個(gè)例子，隨著互聯(lián)網(wǎng)和圖形用戶界面的出現(xiàn)，PC從字處理工具成為連接世界的真正網(wǎng)關(guān)，這種變化是非常驚人的，它讓人們能夠前所未有地訪問(wèn)和分享信息。之后借助筆記本電腦，以及現(xiàn)在的智能手機(jī)和平板電腦，PC變得更具便攜性和連接性。不久之后，來(lái)自應(yīng)用程序和大量數(shù)據(jù)的爆炸式存儲(chǔ)，處理和分析，刺激業(yè)界需求更高計(jì)算性能。
四年前，AMD開始重新設(shè)計(jì)自己的高性能x86計(jì)算核心架構(gòu)，用以滿足這些日益增長(zhǎng)的需求。我們以前產(chǎn)品帶來(lái)了巨大能效提升，但并沒有彌補(bǔ)在高性能應(yīng)用領(lǐng)域的差距。出于這種需要，AMD全新設(shè)計(jì)了“Zen”核心。
設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，在各個(gè)方面，我們想要有一個(gè)全新且現(xiàn)代的核心，“Zen”核心已經(jīng)針對(duì)性能，吞吐量和能源效率進(jìn)行優(yōu)化，可應(yīng)對(duì)最苛刻的應(yīng)用需求。因此，“Zen”是一個(gè)更加強(qiáng)大的引擎，顯示AMD已重返高性能計(jì)算市場(chǎng)，在功耗不變情況下，“Zen”核心每個(gè)時(shí)鐘指令數(shù)量增加40%。這個(gè)大膽目標(biāo)是通過(guò)針對(duì)性能和功耗集中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。重新設(shè)計(jì)的微體系結(jié)構(gòu)在指令處理，執(zhí)行單元能力和緩存子系統(tǒng)等方面都有重大改進(jìn)，以加快執(zhí)行流程和并行性。我們?cè)贖ot Chips 2016中已經(jīng)透露，“Zen”改進(jìn)了分支預(yù)測(cè)以選擇正確的指令，引入微操作緩存以更好地發(fā)出這些指令，同時(shí)調(diào)度窗口擴(kuò)大75%，以處理更多指令；和前代核心相比，指令寬度提升50%，可以并行運(yùn)行更多指令。以上多方面改進(jìn)，極大提升了每時(shí)鐘周期計(jì)算性能。
一旦你有了高性能引擎，你必須給它提供“燃料”。我們將這一過(guò)程稱之為“喂養(yǎng)野獸”。在這種情況下，“燃料”就是內(nèi)存當(dāng)中的數(shù)據(jù)和指令。我們重新設(shè)計(jì)了緩存層次結(jié)構(gòu)，以8MB三級(jí)緩存來(lái)回應(yīng)以上需求，使用統(tǒng)一的二級(jí)緩存以及單獨(dú)的低延遲緩存容納指令和數(shù)據(jù)。和我們以前的設(shè)計(jì)相比，專用內(nèi)核現(xiàn)在可以訪問(wèn)的緩存帶寬提升了五倍。
“Zen”預(yù)取器對(duì)于吞吐量至關(guān)重要，這種高度專有設(shè)計(jì)是處理器設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的算法之一。預(yù)取器是前瞻性的，并且基于正在執(zhí)行的當(dāng)前例程，預(yù)測(cè)下一步計(jì)算需要什么指令。如何提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，如何更快地糾正預(yù)測(cè)錯(cuò)誤是一門藝術(shù)，我們?cè)凇癦en”上做得很好。
和前代設(shè)計(jì)相比，“Zen”在吞吐量方面有重大改進(jìn)，采用同步多線程（SMT）設(shè)計(jì)。該方法使得處理器核心能夠跟蹤程序內(nèi)的任務(wù)，當(dāng)任務(wù)暫停以等待另一個(gè)指令或數(shù)據(jù)時(shí)，它可以先執(zhí)行無(wú)需等待指令和數(shù)據(jù)的任務(wù)。對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)它顯示為啟用SMT的其他它處理資源。
最后，“Zen”核心提高了能耗效率。“Zen”核心產(chǎn)品涵蓋從無(wú)風(fēng)扇筆記本電腦到超級(jí)計(jì)算機(jī)等方面應(yīng)用，這都需要能耗效率。在一個(gè)性能提升10%即為性能顯著提升的世界里，功耗不變，性能提升40%的目標(biāo)似乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但AMD工程團(tuán)隊(duì)拓展視野，深入研究，發(fā)現(xiàn)了更多的省電杠桿，進(jìn)一步優(yōu)化微架構(gòu)，降低能耗，并實(shí)施廣泛的工作頻率管理。
“Zen”核心在設(shè)計(jì)之初就考慮了能耗效率，工程師專注于提升能耗效率，即便是功耗可以降低微瓦的地方也不放過(guò)。每一個(gè)電路的功耗都經(jīng)過(guò)優(yōu)化。處理器可以關(guān)閉自身閑置的部分用以降低功耗。但是在任務(wù)來(lái)臨之際，處理器可以恢復(fù)全速運(yùn)行，讓用戶獲得非?？斓拿客咝阅?。此外，“Zen”充分利用全新的14nm FinFET半導(dǎo)體技術(shù)，和前代產(chǎn)品相比，這種全新的FinFET晶體管尺寸更小，功耗更低，性能更高，讓我們?cè)谌挛⒓軜?gòu)中實(shí)現(xiàn)了最大效果。FinFET晶體管具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，從低泄漏、低功率的產(chǎn)品到更高電壓的高頻率、高性能產(chǎn)品不一而足。
明年AMD會(huì)拿出“Zen”核心處理器產(chǎn)品，它們將證明以上創(chuàng)新成果。到目前為止，實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果令人印象深刻。我們最近展示了一個(gè)8核心/16線程的“Summit Ridge”桌面處理器和使用“Zen”核心擁有32核心/ 64線程的“那不勒斯”服務(wù)器平臺(tái)，因此我們對(duì)未來(lái)非常樂觀。同樣重要的是，“Zen”只是對(duì)AMD高性能x86計(jì)算未來(lái)持續(xù)承諾當(dāng)中的第一個(gè)里程碑。我們的路線圖包括下一代產(chǎn)品，我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在設(shè)計(jì)相應(yīng)改進(jìn)。正如文章開頭所述，變化和對(duì)計(jì)算性能的渴求將繼續(xù)推動(dòng)行業(yè)向前發(fā)展。
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