AMD Zen 3 architectonische verbeteringen: uitgelegd

Op 8 oktober^th, 2020 AMD kondigde zijn gloednieuwe Ryzen 5000-serie desktopprocessors aan op basis van de Zen 3-architectuur. Deze aankondiging was een van de meest verwachte pc-hardwareaankondigingen van het jaar. Sinds de lancering van de oorspronkelijke Zen-architectuur in 2017, heeft AMD een steile opwaartse lijn afgelegd in termen van jaarlijkse architecturale verbeteringen. Dit jaar was niet anders, met AMD die beweerde de grootste generatiesprong in de geschiedenis van Ryzen-processors te bieden. Wat maakt deze nieuwe architectuur zo bijzonder? Laten we eens diep ingaan op de architectonische verbeteringen die door Zen 3 zijn aangebracht.

De basisprincipes van zen-architectuur

De Ryzen-processors van AMD gebruiken een uniek ontwerp dat heel anders is dan wat hun belangrijkste concurrent Intel gebruikt in hun desktopprocessors. Ryzen-processors zijn eigenlijk gebaseerd op meerdere kleine chiplets, in plaats van een grote enkelvoudige chip. Deze verschillende chiplets communiceren met elkaar via een verbinding die bekend staat als de "Infinity Fabric". AMD beschrijft de Infinity-fabric als een superset van hypertransport die snelle connectiviteit tussen verschillende chiplets in AMD-processors mogelijk maakt. Dit betekent dat in plaats van een enkele chip, er meerdere kleine chiplets op het substraat zijn die met elkaar communiceren via een snelle link.

Dit ontwerp heeft zijn voor- en nadelen. Het grootste voordeel is schaalbaarheid. Een chipletontwerp betekent dat AMD meer kernen in een kleiner pakket kan verpakken, waardoor opties met een hoog aantal kernen mogelijk zijn, zelfs in het budgetsegment van de CPU-markt. Het grootste nadeel van dit ontwerp is latentie. De kernen zijn fysiek van elkaar gescheiden, wat een beetje meer latentie introduceert vanwege de tijd die gegevens nodig hebben om door het oneindige weefsel te reizen. Dit betekent dat de prestaties in latentiegevoelige applicaties zoals gaming doorgaans lager zijn dan het ontwerp met één chip van Intel.

Zen 2 implementatie

De processors uit de Ryzen 3000-serie waren een enorm succes op de reguliere desktopmarkt. Deze CPU's waren gebaseerd op de Zen 2-architectuur gebouwd op het 7nm-proces van TSMC, dat een aantal zeer interessante verbeteringen had in het ontwerp van de Zen-architectuur. Zen 2 combineerde de CPU-cores in Core Complexen van elk 4, terwijl de pool van 32 MB L3-cache ook werd verdeeld in twee kleinere pools van elk 16 MB cache. Deze kerncomplexen (CCX) vormden de basis van de Zen 2-reeks processors. Elk 4-core complex had directe toegang tot de 16 MB L3-cache, wat belangrijk was om de latentie te verbeteren. Dit betekende dat de Zen 2 zeer competitief was ten opzichte van Intel in latentiegevoelige toepassingen zoals gaming, terwijl hij sterk beter presteerde dan Intel in multithreaded workloads.

De verschillende CCX-units moesten nog met elkaar worden verbonden via de Infinity Fabric, dus enige latency was nog te verwachten. Desalniettemin bood Zen 2 een IPC-verbetering (Instructions Per Clock) van 15% ten opzichte van Zen + en beschikte ook over hogere kernklokken. Deze generatie was belangrijk voor AMD, omdat ze zich nu weer een weg banen naar de concurrentie met Intel en een enorm potentieel voor verbetering hebben dankzij hun snelle innovatie en Intels zelfgenoegzaamheid.

Doelen voor Zen 3

AMD wilde Zen 3 ontwikkelen met een heel duidelijk doel voor ogen. Omdat ze de multithread-kant van de concurrentie al domineren, is gaming het enige gebied waarop ze nog een beetje achterlopen op Intel. Hoe goed de Zen 3 ook was, hij kon de gamingkroon van Intel niet stelen vanwege het ontwerp van het blauwe team dat extreem hoge kloksnelheden en lage latentie biedt. Voor pure gamers die de hoogst mogelijke framerate willen, was het antwoord nog steeds Intel. Daarom waren de doelen van AMD voor deze generatie duidelijk:

Verbeter de core-to-core-latentie
Verhoog de kernkloksnelheden
Verhoog instructies per klok (IPC)
Verhoog de efficiëntie (hogere prestaties per watt)
Verhoog de prestaties met één thread

Gezien het feit dat de Zen 2 al een zeer solide speler was in multi-core applicaties, was het voor AMD gemakkelijk om zich bijna uitsluitend te concentreren op de single-threaded prestaties voor deze generatie CPU's.

Zen 3 Verbeteringen

AMD sprak over hun nieuwe CPU's en de Zen 3-architectuur in hun livestream "Where Gaming Begins" op 8 oktober^th. AMD beweert dat Zen 3 de grootste generatiesprong is in de geschiedenis van de Zen-architectuur. De nieuwe Ryzen 5000-CPU's zijn nog steeds gebaseerd op het 7nm-proces van TSMC, maar beschikken over een groot aantal architectonische verbeteringen onder de motorkap.

8-core complex ontwerp

Misschien wel de grootste verbetering met de nieuwe architectuur was de geheel nieuwe lay-out. AMD heeft het multiple-CCX-ontwerp van de Zen 2 afgeschaft en in plaats daarvan gekozen voor een enkel 8-core complex-ontwerp waarin alle 8 cores toegang hebben tot de volledige 32 MB L3-cache. Dit herontwerp heeft enorme gevolgen voor latentiegevoelige applicaties zoals games.

Met elke kern in direct contact met de cache en de andere kernen, verbetert het de latentie aanzienlijk omdat de gegevens niet de hele dobbelsteen hebben om van de ene naar de andere kant te komen. Dit herontwerp verbetert ook de effectieve geheugenlatentie van de chip, wat resulteert in betere prestaties voor taken met één thread.

IPC-verbetering

De verbeterde lay-out van het kerncomplex is niet de enige verbetering die Zen 3 met zich meebrengt. AMD claimt een IPC-verbetering van 19% ten opzichte van Zen 2, wat een enorm cijfer is. IPC of Instructions Per Clock is een indicatie van hoeveel werk de CPU kan doen per klokcyclus. De verbetering van 19% is de grootste sprong die we hebben gezien in IPC sinds Ryzen voor het eerst werd gelanceerd in 2017. De vorige generatie Zen 2-processors bracht ook een behoorlijk enorme IPC-verbetering van 15% ten opzichte van de Zen + -architectuur.

Deze IPC-verbetering betekent dat AMD kan concurreren met de torenhoge klokken van Intel door zelfs onder de 5 GHz te blijven in termen van boostklokken. AMD heeft ook de bijdragen aan deze enorme IPC-toename geschetst. Volgens het promotiemateriaal zijn de belangrijkste factoren die hieraan bijdragen:

Vooraf ophalen van cache
Uitvoeringsmotor
Branch voorspeller
Micro-op-cache
Voorkant
Laden / opslaan

Verbeterde efficiëntie

Vanwege de ongelooflijke dichtheid van het 7nm-proces van TSMC, kon AMD nog meer vermogen in de Ryzen-chips proppen met behoud van hetzelfde gemiddelde stroomverbruik. AMD beweert dat de Ryzen 5000-serie chips zijn gebouwd op hetzelfde 7nm-proces als de 3000-serie, maar het proces is verfijnd en de resulterende chips zijn dus efficiënter.

AMD heeft ook een gedurfde bewering gedaan dat de Ryzen 9 5900X en 5950X evenveel stroom zullen verbruiken als respectievelijk de laatste generatie 3900X en 3950X, ondanks hogere boostklokken en de verbeterde IPC. AMD's promotiemateriaal citeerde een "2,4x prestatie per watt" verbetering ten opzichte van de oorspronkelijke Zen-architectuur. Dit aantal komt overeen met AMD's beweringen over het stroomverbruik van 5900X en 5950X, aangezien ze nu hogere klokken hebben, maar nog steeds dezelfde TDP-nummers hebben als hun voorgangers.

Verfijnd silicium, hogere klokken

Aan het einde van de levensduur van de Ryzen 3000-serie bracht AMD een vernieuwing uit die 3 CPU's aan de serie toevoegde met de 'XT'-branding. De Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT en Ryzen 9 3900XT waren exact dezelfde CPU's als de basismodellen, maar met hogere kloksnelheden. Aan het einde van de levensduur van een product wordt het fabricageproces volwassen en wordt de siliciumkwaliteit beter. Dit betekent dat het silicium CPU's produceert die hoger kunnen boosten en de klokken langer kunnen vasthouden. Dit is precies hoe de XT-reeks CPU's mogelijk werd.

Met Zen 3-CPU's gebruikte AMD hetzelfde volwassen productieproces en silicium van hogere kwaliteit om de CPU's uit de 5000-serie op hetzelfde 7nm-knooppunt te bouwen. Hierdoor kon AMD de boostklokken veel hoger duwen dan zelfs de XT-serie van de laatste generatie. Hogere boostklokken, gekoppeld aan een hogere IPC en een herontwerp van de kernlay-out, betekenden dat AMD klaar was om de uitdaging van single-threaded prestaties aan te gaan. De geadverteerde kloksnelheden van de 4 Ryzen 5000-serie processors zijn als volgt:

AMD Ryzen 5 5600X: 3,7 GHz basis, 4,6 GHz boost
AMD Ryzen 7 5800X: 3,8 GHz basis, 4,7 GHz boost
AMD Ryzen 9 5900X: 3,7 GHz basis, 4,8 GHz boost
AMD Ryzen 9 5950X: 3,4 GHz basis, 4,9 GHz boost

Chiplet Design Voordelen

Er waren veel factoren die het voor AMD mogelijk maakten om zo'n substantiële sprong tussen de generaties te maken. Een van de grootste is het ontwerp van de chips zelf, namelijk de "Chiplet Style" -lay-out van de CPU-matrijzen. Dit ontwerp biedt veel belangrijke voordelen als het gaat om generatieverbeteringen:

Schaalbaarheid: Vanwege het feit dat kernen in de chiplets op het substraat zijn gerangschikt, is het voor AMD mogelijk om meer kernen in een vergelijkbare verpakking te proppen zonder het risico van oververhitting. Het concurrerende ontwerp van Intel plaatst alle kernen erg dicht bij elkaar, wat drastische thermische problemen kan hebben als ze niet correct zijn geconfigureerd. AMD daarentegen is erin geslaagd dit chipletontwerp te gebruiken om 6-core, 8-core, 12-core en zelfs 16-core processors te maken op het reguliere desktopplatform. Dit betekent dat AMD dankzij dit ontwerp een dominantie van het aantal kerncijfers heeft vastgesteld.
Gemakkelijk te ontwikkelen: Een ander groot voordeel van dit ontwerp is blijkbaar het ontwikkelingsgemak. Tijdens het ontwikkelingsproces van de Zen 3-architectuur gebruikte AMD exact hetzelfde basisontwerp als Zen 2 en paste het vervolgens aan. Dit betekende dat het ontwerp al tot op zekere hoogte was geperfectioneerd en dat het voor AMD gemakkelijk was om te verbeteren op de belangrijkste gebieden waarop ze zich richtten.
Gelijktijdige 5nm-ontwikkeling: AMD wees er ook op dat hun toekomstplannen voor Ryzen-CPU's op basis van de 5nm-architectuur ook op schema lagen. Dit komt doordat de ontwerparchitectuur van de chiplet AMD in staat stelt om meerdere ontwikkelingsstromen tegelijkertijd uit te voeren. AMD was ervan overtuigd dat hun 5nm-proces zou aankomen zoals gepland, net als de Zen 3- en Zen 2-architecturen op basis van het 7nm-proces.

verwachte resultaten

Zen 3-gebaseerde Ryzen 5000-serie processors beloven de marktleiders te zijn, niet alleen in multithreaded workloads, maar ook in gaming. Voor het eerst sinds 2006 heeft AMD Intel officieel onttroond in de race voor de absoluut beste spelprestaties (volgens AMD's beweringen). AMD heeft ook beweerd de beste single-threaded prestaties te hebben van elke desktopchip met de Ryzen 9 5950X, op de voet gevolgd door de Ryzen 9 5900X. Laten we eens kijken naar de verwachte resultaten van de architectonische verbeteringen die Zen 3 met zich meebrengt.

Leiderschap in gaming

Met maar liefst 19% IPC-verbetering, verhoogde kernklokken en een opnieuw ontworpen kerncomplexsysteem heeft AMD deze generatie een gigantische sprong gemaakt in spelprestaties. Hoewel de Zen 2 redelijk concurrerend was met het aanbod van Intel, is Zen 3 van plan Intel ronduit te verslaan in alle gaming-workloads. AMD beweert dat de Ryzen 9 5900X gemiddeld ongeveer 26% sneller is dan de Ryzen 9 3900X in games. Dit is een gigantische sprong die gemaakt moet worden in slechts één generatie.

Bovendien heeft AMD ook beweerd dat de Ryzen 9 5900X sneller is dan de Core i9-10900K in gaming. Dit is behoorlijk groot nieuws voor AMD-fans en voor algemene pc-enthousiastelingen. Dit betekent nu dat de beste AMD-CPU's de beste Intel-CPU's verslaan in zowel gaming- als multi-core-toepassingen. Het helpt niet bij het geval van Intel dat ze nog steeds vastzitten aan de archaïsche 14nm-architectuur en hun volgende generatie Rocket-Lake-processors er gaan ook geruchten dat ze op 14nm zijn. Ondertussen schiet AMD op alle cilinders met hun 7nm-aanbod in Zen 2 en Zen 3, terwijl ze tegelijkertijd werkt aan de 5nm-plannen die blijkbaar ook op schema liggen. Dit kan ernstige gevolgen hebben voor het marktaandeel van Intel's desktop-CPU's.

Verbeterde prestaties met één schroefdraad

AMD heeft al een tijdje betere multicore-prestaties, maar dat vertaalt zich niet noodzakelijkerwijs in betere spelprestaties omdat moderne games niet alle kernen effectief gebruiken. Veel games hebben een dominante thread, vaak de "wereldthread" genoemd, die het meest wordt gebruikt. De wereldthread is enorm gevoelig voor latentie en single-core prestaties. Dankzij het architecturale herontwerp van AMD is de latentie enorm verminderd, waardoor de prestaties van deze dominante thread enorm zijn verbeterd. Hierdoor heeft AMD het voortouw genomen in spelscenario's.

Dit betekent ook dat de single-threaded prestaties van AMD nu enorm superieur zijn aan die van Intel. AMD toonde zelfs een indrukwekkende single-core Cinebench-score van 640 voor de Ryzen 9 5950X, die op de voet werd gevolgd door de score van 631 door de Ryzen 9 5900X. Deze verbeteringen zijn ook mogelijk dankzij het herontwerp van het architecturale kerncomplex, verminderde latentie en hogere boostklokken van de Zen 3-architectuur. Lees meer over de single-threaded prestaties van de Ryzen 5000-serie processors in Dit artikel.

Nog hogere multi-threaded prestaties

AMD zette zijn dominantie over het multi-threaded prestatiesegment voort en liet opnieuw indrukwekkende cijfers zien voor zijn Zen 3-gebaseerde Ryzen 5000-serie processors. Met name de 12-core Ryzen 9 5900X en Ryzen 9 5950X leveren ongeëvenaarde prestaties bij zware workloads. AMD heeft ook enkele aanpassingen onder de motorkap aangebracht, waardoor de 5950X voor het eerst ook de snelste desktopprocessor voor CAD-werk werd. AMD beschouwde het als de beste gamingprocessor EN de beste processor voor het maken van inhoud, en het is moeilijk om tegen die stelling in te gaan. AMD claimde een indrukwekkende 12% meer prestaties bij het weergeven van werkbelastingen ten opzichte van de 3950X. Dit maakt deze processor tot een absoluut beest voor diegenen die streven naar het allerbeste dat desktop computing te bieden heeft.

Alarmbellen voor Intel?

Het lijdt geen twijfel dat AMD hun Ryzen-reeks processors bijna verblindend heeft verbeterd. Ze hebben van generatie op generatie enorme prestatieverbeteringen geboden en de Zen 3 belooft hun grootste sprong tot nu toe te worden. Hoewel de processors uit de Ryzen 3000-serie een uitstekende waarde boden in termen van core-counts en prijzen, liepen ze nog steeds achter Intel in één hoofdtaak: gaming. AMD had een sterke voorsprong opgebouwd in bijna alle andere aspecten van de desktopmarkt, of het nu gaat om rendering, codering, videoproductie of streaming, maar ze moesten Intel inhalen om echt de onbetwiste best-in-class processor te worden.

Dankzij het verbazingwekkende architectonische ontwerp van de Ryzen-processors, het 7nm-proces van TSMC en de briljante planning en uitvoering door het AMD-ontwikkelingsteam, hebben ze het eindelijk gedaan met Zen 3. Deze lancering moet de alarmbellen doen rinkelen op het hoofdkantoor van Intel. Intel is een enorm bedrijf en het is onmogelijk dat ze hier niet op zouden reageren, maar ze zijn zeker achter op AMD gebleven als het gaat om de snelheid van ontwikkeling. De belangrijkste hindernis die Intel moet nemen, is het verouderde 14nm-proces dat het sinds Skylake gebruikt.

Intel heeft goed gedocumenteerde problemen gehad met zijn 10nm-proces en daarom zijn ze nog niet in staat om desktopchips op basis van die architectuur uit te rollen. Het tij kan echter veranderen zodra Intel met succes hun recente laptop-CPU's met de codenaam "Tiger Lake" heeft uitgebracht, die zijn gebaseerd op de 10nm-architectuur. Deze laptopchips bieden grote verbeteringen in zowel prestaties als efficiëntie ten opzichte van de laatste generatie, en het is aannemelijk dat Intel eraan werkt om dit proces over te dragen naar de desktop-CPU's. Mocht Intel erin slagen om hun 10nm-proces functioneel te krijgen, dan zullen de komende jaren erg interessant worden voor liefhebbers van CPU-prestaties.