身臨其境時代里的高性能x86計算架構(gòu)
搜索，機器學習，數(shù)據(jù)分析，內(nèi)容創(chuàng)建和交付，增強現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實和游戲 - 這些計算密集型任務列表每天都在變長。當涉及到技術時有兩個常量：第一是需要越來越強的計算性能。無論芯片行業(yè)提供什么性能產(chǎn)品，終端用戶都會快速消費，然后開始尋找性能更強的產(chǎn)品。
第二個常量當然是變化，我在這個行業(yè)已經(jīng)有30年多的時間了，目睹了這個行業(yè)的千變?nèi)f化。讓我們看一個例子，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，這種變化是非常驚人的，它讓人們能夠前所未有地訪問和分享信息。之后借助筆記本電腦，以及現(xiàn)在的智能手機和平板電腦，PC變得更具便攜性和連接性。不久之后，來自應用程序和大量數(shù)據(jù)的爆炸式存儲，處理和分析，刺激業(yè)界需求更高計算性能。
四年前，AMD開始重新設計自己的高性能x86計算核心架構(gòu)，用以滿足這些日益增長的需求。我們以前產(chǎn)品帶來了巨大能效提升，但并沒有彌補在高性能應用領域的差距。出于這種需要，AMD全新設計了“Zen”核心。
設計過程當中，在各個方面，我們想要有一個全新且現(xiàn)代的核心，“Zen”核心已經(jīng)針對性能，吞吐量和能源效率進行優(yōu)化，可應對最苛刻的應用需求。因此，“Zen”是一個更加強大的引擎，顯示AMD已重返高性能計算市場，在功耗不變情況下，“Zen”核心每個時鐘指令數(shù)量增加40%。這個大膽目標是通過針對性能和功耗集中設計實現(xiàn)的。重新設計的微體系結(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，以加快執(zhí)行流程和并行性。我們在Hot Chips 2016中已經(jīng)透露，“Zen”改進了分支預測以選擇正確的指令，引入微操作緩存以更好地發(fā)出這些指令，同時調(diào)度窗口擴大75%，以處理更多指令；和前代核心相比，指令寬度提升50%，可以并行運行更多指令。以上多方面改進，極大提升了每時鐘周期計算性能。
一旦你有了高性能引擎，你必須給它提供“燃料”。我們將這一過程稱之為“喂養(yǎng)野獸”。在這種情況下，“燃料”就是內(nèi)存當中的數(shù)據(jù)和指令。我們重新設計了緩存層次結(jié)構(gòu)，以8MB三級緩存來回應以上需求，使用統(tǒng)一的二級緩存以及單獨的低延遲緩存容納指令和數(shù)據(jù)。和我們以前的設計相比，專用內(nèi)核現(xiàn)在可以訪問的緩存帶寬提升了五倍。
“Zen”預取器對于吞吐量至關重要，這種高度專有設計是處理器設計中最復雜的算法之一。預取器是前瞻性的，并且基于正在執(zhí)行的當前例程，預測下一步計算需要什么指令。如何提升預測準確性，如何更快地糾正預測錯誤是一門藝術，我們在“Zen”上做得很好。
和前代設計相比，“Zen”在吞吐量方面有重大改進，采用同步多線程（SMT）設計。該方法使得處理器核心能夠跟蹤程序內(nèi)的任務，當任務暫停以等待另一個指令或數(shù)據(jù)時，它可以先執(zhí)行無需等待指令和數(shù)據(jù)的任務。對于軟件來說它顯示為啟用SMT的其他它處理資源。
最后，“Zen”核心提高了能耗效率?！癦en”核心產(chǎn)品涵蓋從無風扇筆記本電腦到超級計算機等方面應用，這都需要能耗效率。在一個性能提升10%即為性能顯著提升的世界里，功耗不變，性能提升40%的目標似乎無法實現(xiàn)，但AMD工程團隊拓展視野，深入研究，發(fā)現(xiàn)了更多的省電杠桿，進一步優(yōu)化微架構(gòu)，降低能耗，并實施廣泛的工作頻率管理。
“Zen”核心在設計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。每一個電路的功耗都經(jīng)過優(yōu)化。處理器可以關閉自身閑置的部分用以降低功耗。但是在任務來臨之際，處理器可以恢復全速運行，讓用戶獲得非?？斓拿客咝阅?。此外，“Zen”充分利用全新的14nm FinFET半導體技術，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，讓我們在全新微架構(gòu)中實現(xiàn)了最大效果。FinFET晶體管具有強大的可擴展性，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，實驗室的結(jié)果令人印象深刻。我們最近展示了一個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”服務器平臺，因此我們對未來非常樂觀。同樣重要的是，“Zen”只是對AMD高性能x86計算未來持續(xù)承諾當中的第一個里程碑。我們的路線圖包括下一代產(chǎn)品，我們的團隊已經(jīng)在設計相應改進。正如文章開頭所述，變化和對計算性能的渴求將繼續(xù)推動行業(yè)向前發(fā)展。
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