【Zen架构探究：性能暴涨52％的秘密】

架构设计，是一款处理器各方面实际表现的根基，直接决定着产品的层次与成败。AMD推土机折戟沉沙，就是因为架构设计不完全合理，不适应当前应用需求。Intel酷睿表现优异，就是因为架构上十分优秀。

AMD Zen，则是另一个优秀的代表作，处处都体现着无数设计师、工程师无上的智慧，堪称技术与艺术的完美结合。

关于AMD Zen架构的设计和特点，之前我们已经陆陆续续介绍过很多次，这里再来一次汇总。

当然了，微处理器架构设计是十分高深的学问，一般人能理解表层毛皮就不错了，这里我们也不会太过深入和专业，就是浮光掠影地大致了解一下，知道它的一些主要特点就行了。

产品设计要遵循一定的原则，一切都以实现特定目标为前提。AMD Zen在设计过程中，重点关注四个方面：

1、性能：增强指令级并行(ILP)，改进单线程性能。

2、吞吐力：增强缓存和预取器引擎的数据率，并通过同步多线程(SMT)高性能地处理流水线。

3、效率：低功耗设计理念，智能管理活跃和空闲功耗，释放硅晶片潜力，消除影响能耗的不利元素。

4、伸缩性：模块化的四核心基础结构(CCX)，连接新的Infinity Fabric互连总线，从而可以高效地伸缩，集成其他AMD IP模块并与之高效通信。

性能方面，Zen微架构相比AMD此前的桌面设计有着质的飞跃，尤其是指令调度器窗口增大了75％，发射宽度和资源增大了50％，可以让Zen向执行单元调度、发送更多工作。

更进一步地，新的微操作缓存(micro-op cache)可以让Zen在使用频繁访问微操作的时候绕过二级和三级缓存。

Zen还有基于神经网络的分支预测单元，可以更智能地为下一步工作准备合理的指令、路径。

最后，Zen架构还可以使用同步多线程，提高对计算流水线的使用率。

所有这些结合起来，就为Zen出色的单线程能力奠定了基础。

高性能的引擎需要及时、充足的燃料才能发挥最大效率，Zen架构的吞吐能力就做到了这一点，最主要的变化就是重构了缓存层次，每个核心都有自己的64KB一级指令和数据缓存、512KB二级缓存，然后每四个核心共享8MB三级缓存。

这套缓存还有精巧的学习预取器配合，可以高效率地将应用数据送入缓存，以便立即执行。

综合起来，Zen每个核心的缓存带宽是挖掘机的将近5倍。

Zen架构采用了GlobalFoundries新的高能效14nm FinFET制造工艺，而且是专为高密度优化的版本，可以缩小CPU内核面积、降低运行电压。

Zen还集成了AMD最新的低功耗设计理念，比如刚才提到的微操作缓存就能减少对功耗很敏感的偏远缓存，大量的时钟栅极则能将动态功耗降到最低，还有个堆栈引擎，可以降低分派器的累积功耗。

尤为值得一提的是，Zen汲取了AMD APU团队优秀的功耗管理技术，从而让Zen在低功耗移动领域和高端发烧级桌面领域都能应付自如。

Zen架构产品的基础模块叫做CPU Complex(CCX)，原生四核心八线程，内置64KB×4＝256KB一级指令和数据缓存、512KB×4＝2MB二级缓存、8MB三级缓存。

Ryzen 7系列产品就是两个CCX组成的，总计8个核心、16个线程、512KB一级缓存、4MB二级缓存、16MB三级缓存。当然还可以继续向上累加。

CCX中的每个核心都可以单独开关，所以还能变出双核心四线程、六核心十二线程甚至是三核心六线程等不同配置的产品，从而满足桌面、笔记本、服务器、高性能计算等不同领域的需求。

不同的CCX模块之间通过高速的Infinity Fabric总线互通。这是一种弹性的、一致性的界面/总线，可以在CPU内核中高效集成不同IP模块，方便不同CCX、系统缓存和IO/内存、PCI-E控制器之间快速交换数据。

它还给了Zen架构强大的指令与控制能力，建立了敏感的反馈循环机制，可以实时估算、调整核心电压、频率、功耗、频率等等，这也是下一章节要说的SenseMI技术的基础。

如果你对Zen架构的更多细节设计和功耗管理感兴趣，可以参考以下介绍，具体我们就不再展开了。

Zen内核设计

关键性能和功耗改进

核心功能单元布局

神经网络预测

二级缓存

三级缓存

Shadow Tag Macro

CCX模块

SMT同步多线程

Zen物理设计

时钟分布

标准单元库

单个核心兼顾高性能与低功耗

精准功耗控制

每个核心线性调整

核心变量数据

LDO

精准加速

能效比挖掘机提高了最多3.7倍