Intel и AMD были двумя производителями основных процессоров уже более 50 лет. Хотя оба используют x86 ISA для разработки своих чипов, за последнее десятилетие или около того их процессоры пошли совершенно разными путями.
В середине 2000-х, с появлением чипов Bulldozer, AMD начала терять позиции по сравнению с Intel. Сочетание низкого IPC и неэффективного дизайна чуть не привело компанию к падению. Так продолжалось почти десять лет. Ситуация начала меняться в 2017 году с появлением микроархитектуры Zen.
Новые процессоры Ryzen ознаменовали собой полное переосмысление подхода AMD к процессорам с акцентом на IPC, однопоточную производительность и, что особенно важно, переход к MCM или модульной конструкции чиплетов. Между тем Intel продолжает действовать более или менее точно так же, как и с момента появления Sandy Bridge в 2011 году.
Все началось с дзен
Ryzen первого и второго поколений спойлировали усилия Intel в области среднего уровня, предлагая больше ядер и больше потоков, чем такие компоненты, как Core i5-7600K. Но сочетание аппаратных проблем, таких как задержка, и отсутствие игр, оптимизированных для Ryzen, означало, что Intel по-прежнему лидировала в производительности игровых рабочих нагрузок.
С появлением процессоров Ryzen 3000 на базе Zen 2 положение AMD начало улучшаться, а игровая корона Intel была окончательно захвачена с выпуском процессоров Ryzen 5000 на базе Zen 3. Резкое улучшение IPC означало, что AMD смогла предложить больше ядер, но также соответствовать Intel в однопоточных рабочих нагрузках. Покупка Skylake refresh-refresh-refresh-refresh не обязательно приведет к увеличению частоты кадров.
AMD и Intel придерживаются принципиально разных путей в своей философии проектирования процессоров. Вот раздражающая аналогия с начальной школой, которая может помочь вам понять разницу. Какой еще фрукт: арбуз или килограмм яблок? Один действительно большой плод. А у другого, ну, много мелких фруктов. Вы захотите иметь это в виду, когда мы подробно рассмотрим это в следующем разделе.
Intel Монолитный дизайн процессора против чиплетов AMD Ryzen
Intel следует так называемому монолитному подходу к проектированию процессоров. По сути, это означает, что все ядра, кэш и ресурсы ввода-вывода для данного процессора физически находятся на одном монолитном кристалле. У этого подхода есть некоторые очевидные преимущества. Наиболее заметным является уменьшение задержки. Поскольку все находится на одной и той же физической подложке, разным ядрам требуется гораздо меньше времени для связи, доступа к кеш-памяти и доступа к системной памяти. Задержка снижена. Это приводит к оптимальной производительности.
Монолитный дизайн Intel
Если все остальное остается таким же, монолитный подход всегда обеспечит вам лучшую производительность. Однако есть большой недостаток. Это с точки зрения стоимости и масштабирования. Теперь нам нужно быстро взглянуть на экономику выхода кремния. Присоединяйтесь: все станет немного сложнее.
Монолитные процессоры предлагают лучшую производительность, но они дороги и…
Когда производители производят процессоры (или любой элемент кремния в этом отношении), они почти никогда не достигают 100-процентной доходности. Урожайность относится к пропорции произведенных используемых деталей. Если вы используете зрелый технологический узел, такой как Intel 14nm +++, выход вашего кремния превысит 70%. Это означает, что вы получаете много полезных процессоров. Обратное, однако, заключается в том, что на каждые 10 производимых вами процессоров вы должны выбросить как минимум 2-3 дефектных модуля. Очевидно, что производство выброшенной единицы стоит денег, так что эта стоимость должна быть включена в окончательную цену продажи.
При небольшом количестве ядер отлично работает монолитный подход. Это в значительной степени объясняет, почему массовая линейка потребительских процессоров Intel до недавнего времени насчитывала 4 ядра. Однако, когда вы увеличиваете количество ядер, монолитный подход приводит к экспоненциально большие затраты. Почему это?
На монолитном штампе, каждый ядро должно быть функциональным. Если вы создаете восьмиъядерный чип, и 7 ядер из 8 работают, вы все равно не сможете его использовать. Помните, что мы говорили о доходности, превышающей 90 процентов? Математически эти десять процентов дефектов складываются на каждое дополнительное ядро на монолитном кристалле до такой степени, что, скажем, с 20-ядерным процессором Xeon, Intel фактически должна выбросить один или два дефектных чипа на каждый пригодный для использования, поскольку все 20 ядер должны быть функциональными. Затраты не просто линейно масштабируются с количеством ядер — они растут экспоненциально из-за потерь.
Кроме того, при расширении вашей 14-нанометровой емкости новые заводы не будут иметь такой же уровень производительности процессоров, как существующие. Это уже привело к нехватке процессоров Intel и, как следствие, к процессорам серии F.
Следствием всего этого является то, что процесс Intel является конкурентоспособным по цене и производительности при небольшом количестве ядер, но просто не годится при более высоком количестве ядер, если только они не продаются с низкой наценкой или в убыток. Возможно, им дешевле производить двухъядерные и четырехъядерные процессоры, чем AMD поставлять SKU Ryzen 3. Теперь мы разберемся, почему это так.
Чипсы, чиплеты и матрицы
AMD применяет подход на основе чиплетов или MCM (Multi-chip Module) при разработке процессоров. Имеет смысл рассматривать каждый процессор Ryzen как несколько отдельных процессоров, склеенных вместе суперклей — Infinity Fabric, выражаясь языком AMD.
Один Ryzen CCX оснащен 4-ядерным / 8-ядерным процессором вместе с кеш-памятью третьего уровня. Два CCX (один 8-ядерный CCX с Zen 3) склеены на ПЗС-матрице для создания чиплета, основного строительного блока процессоров Ryzen и Epyc на базе Zen. В одном MCM (многокристальном модуле) можно разместить до 8 ПЗС, что позволяет использовать до 64 ядер в потребительских процессорах Ryzen, таких как Threadripper 3990X.
У этого подхода есть два больших преимущества. Во-первых, затраты увеличиваются более или менее линейно с количеством ядер. Поскольку процент потерь AMD зависит от ее способности создать максимум функциональный 4-ядерный блок (один CCX), им не нужно выбрасывать огромные запасы неисправных процессоров. Второе преимущество связано с их способностью самостоятельно использовать неисправные процессоры. В то время как Intel просто выбрасывает их, AMD отключает функциональные ядра для каждого CCX для достижения другого количества ядер.
Например, и Ryzen 7 3700X, и 3600 оснащены одной ПЗС-матрицей (или двумя CCX) с восемью ядрами. У 3600 отключено по одному ядру на каждый CCX, что дает ему 6 функциональных ядер вместо восьми. Естественно, это позволяет ему продавать шестиядерные компоненты по более конкурентоспособным ценам, чем Intel.
У подхода с использованием чиплетов есть большой недостаток: задержка. Каждый чиплет находится на отдельной физической подложке. Из-за законов физики это означает, что процессоры Ryzen несут штраф за задержку при обмене данными по Infinity Fabric. Это было особенно заметно с Ryzen первого поколения. Скорость Infinity Fabric коррелировала с тактовой частотой памяти и, следовательно, разгон вашей памяти приводил к заметно более высокой производительности процессора.
AMD удалось исправить это с помощью процессоров Ryzen 3000, а затем улучшить его с помощью недавно выпущенной линейки Ryzen 5000. Первый представил большой буфер кэша L3, названный «кешем игры». Кэш L3 является промежуточным звеном между системной памятью и низкоуровневым кешем ядра ЦП (L1 и L2). Обычно потребительские процессоры имеют небольшое количество L3 — Intel i7 9700K, например, имеет только 12 МБ L3. AMD, однако, объединила 3700X с 32 МБ L3 и 3900X с колоссальными 64 МБ L3.
Кэш L3 равномерно распределен между разными ядрами. Увеличенный объем кеш-памяти означает, что при небольшом интеллектуальном планировании ядра могут кэшировать больше того, что им нужно. Буфер устраняет большую часть штрафов за задержку, возникающих в Infinity Fabric.
Процессоры Ryzen 5000 пошли на шаг вперед и отказались от четырехъядерных CCX в пользу восьми ядерных комплексов, при этом каждое ядро напрямую подключено друг к другу на CCX / CCD. Это улучшает межъядерную задержку, задержку кэша и пропускную способность, а также обеспечивает каждое ядро вдвое большим объемом кеш-памяти L3, значительно улучшая игровую производительность:
Чиплет или монолит: что лучше?
В подходах, принятых Intel и AMD, нет правильного или неправильного. Тем не менее, подход с использованием чиплетов, вероятно, будет тем, что мы увидим больше в ближайшие годы. Это связано с тем, что закон Мура, который требовал удвоения вычислительной мощности каждые пару лет, существенно замедлился. Отдельные ядра процессора не становятся вдвое быстрее каждые два года. Единственный ответ на повышение производительности — это расширить и сложить ядра.