性能提升多達(dá)19％!　AMD Zen 3處理器架構(gòu)技術(shù)產(chǎn)品預(yù)覽

馬宇川

北京時(shí)間2020年10月9日零點(diǎn)，本年度最受期待的一場(chǎng)處理器發(fā)布會(huì)：“WHERE GAMING BEGINS”（游戲從這里開始）終于召開，AMD公司總裁兼CEO蘇姿豐博士正式發(fā)布了采用新一代Zen 3架構(gòu)的AMD銳龍5000系列處理器，并帶來了一系列好消息：Zen 3核心架構(gòu)的每時(shí)鐘周期指令數(shù)（IPC）性能比上一代Zen 2產(chǎn)品提升了多達(dá)19%;銳龍5000系列處理器的單線程性能得到大幅提升，高端產(chǎn)品的CINEBENCH R20處理器單線程性能突破630pts;銳龍5000系列處理器中的高端產(chǎn)品在游戲性能上已經(jīng)全面超越現(xiàn)在的游戲處理器旗艦酷睿i9-10900K。那么AMD Zen 3處理器架構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)性能大幅提升的，新一代AMD銳龍5000系列處理器由哪些產(chǎn)品組成，各自有什么特點(diǎn)，它們的價(jià)格如何呢？接下來就讓我們通過目前AMD所公開的部分資料來先睹為快。

對(duì)于AMD處理器而言，Zen架構(gòu)顯然是這3年來最為重要的一款處理器架構(gòu)。在2017年，正是憑借Zen架構(gòu)，AMD處理器在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，從挖掘機(jī)架構(gòu)到Zen架構(gòu)高達(dá)52%的IPC提升，讓AMD處理器在性能上終于能與強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手平分秋色。同時(shí)AMD也不斷對(duì)Zen架構(gòu)進(jìn)行升級(jí)、改造，保持了高速發(fā)展態(tài)勢(shì)：在2018年，AMD發(fā)布了性能得到小幅提升的Zen+架構(gòu);在2019年IPC性能得到15%提升（與Zen架構(gòu)對(duì)比）的Zen 2架構(gòu)問世。而在僅僅時(shí)隔一年后，AMD就拿出了IPC性能較Zen 2架構(gòu)提升多達(dá)19%的Zen 3架構(gòu)。那么AMD到底為Zen 3處理器架構(gòu)施加了什么“魔法”，讓它在短期內(nèi)就能獲得如此大的進(jìn)步呢？

CCX模塊采用全新設(shè)計(jì)

從目前AMD公開的資料來看，zen 3架構(gòu)最大的改變是CCX（CPU Complex）模塊采用了全新設(shè)計(jì)。從zen架構(gòu)開始，AMD銳龍?zhí)幚砥鞫际峭ㄟ^CCX模塊來實(shí)現(xiàn)多核心配置。CCX是AMD Zen架構(gòu)最基本的組成單元，ZenB寸代每個(gè)CCX模塊擁有4顆核心，每個(gè)核心擁有自己獨(dú)立的L1和L2緩存，一個(gè)CCX模塊共享8MB L3緩存。每個(gè)CCX模塊還擁有獨(dú)立的DDR4內(nèi)存控制器、PCIe控制器等I/O功能元器件。此外Zen時(shí)代處理器采用的生產(chǎn)工藝為14nm、12nm，工作頻率不算太高，旗艦銳龍7 1800X的加速頻率也就4.0GHz左右。

在zen 2時(shí)代，為了實(shí)現(xiàn)更多的處理器核心數(shù)量和更高的運(yùn)算效率，AMD引入了MCM多芯片封裝技術(shù)（multi-chip module）。首先，Zen 2架構(gòu)將處理器的計(jì)算核心部分和I/O部分剝離，CCX模塊不再具備I/O功能，只由純粹的處理器計(jì)算核心組成。采用分離式設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于可以靈活配比不同數(shù)量的計(jì)算核心和I/O模塊，以實(shí)現(xiàn)不同的規(guī)格。AMD為Zen 2設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)置PCIe控制器、DDR4內(nèi)存控制器、SATA控制器、usB控制器，采用12nm工藝打造的I/O模塊。計(jì)算核心通過INFINITY FABRIC總線和I/O模塊連接。Zen 2的計(jì)算核心則采用了更先進(jìn)的7nm工藝，有助于縮小面積、提高頻率、降低功耗。其CCX模塊雖然仍是4核心設(shè)計(jì)，但借助7nm工藝、I/O模塊的剝離，每個(gè)CCX模塊的三級(jí)緩存容量翻倍達(dá)到16MB。同時(shí)在Zen 2上，AMD引入了CCD（Core Chiplet Die）大計(jì)算核心這個(gè)設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單地說，CCD就是將兩個(gè)CCS模塊封裝在一個(gè)芯片內(nèi)，彼此同樣通過INFINITY FABRIC總線連接。這也就意味著AMDR需增加CCD模塊，并與I/O模塊連接就能輕松地制造出核心數(shù)量多得多的處理器，這也是我們能在Zen 2處理器上看到64核心銳龍Threadripper 3990X處理器的主要原因。

相比英特爾消費(fèi)級(jí)處理器所用的環(huán)形總線架構(gòu)，AMD通過MCM多芯片封裝技術(shù)的確能更容易地實(shí)現(xiàn)多核心設(shè)計(jì)，但也有它的不足。目前在英特爾主流消費(fèi)級(jí)處理器上，由于核心數(shù)不多，其所有核心是通過環(huán)狀總線和L3緩存綁定在一起的。也就是說，所有處理器核心、緩存都掛靠在統(tǒng)一的總線上，每顆核心都可以快速訪問L3緩存，其數(shù)據(jù)一致性也能通過統(tǒng)一的L3緩存得到保證，這樣做的優(yōu)勢(shì)在于可以最大限度地提升處理器的性能和緩存的利用率。與此相應(yīng)的是，Zen、Zen2架構(gòu)都是獨(dú)立的CCX 4核心模塊化設(shè)計(jì)，各模塊擁有獨(dú)立的L3緩存，而且每個(gè)模塊的L3緩存容量并不大，只有8MB（Zen）或16MB（Zen 2）。這就可能出現(xiàn)某核心在模塊內(nèi)緩存查找數(shù)據(jù)未命中，需要跨CCX到I/O模塊中調(diào)用數(shù)據(jù)或到速度更慢的內(nèi)存中調(diào)用的情況。而要執(zhí)行這兩個(gè)工作都需要通過INFINITY FABRIC總線去調(diào)用數(shù)據(jù)，這將顯著增加延遲，降低處理器運(yùn)算效率。畢竟從上一代銳龍?zhí)幚砥鞯臄?shù)據(jù)來看，芯片之間INFINITY FABRIC總線的讀取帶寬雖然達(dá)到了51.2G B/s，寫入帶寬也有25.6GB，s，但跟傳輸速度輕松就能達(dá)到500GB/s以上的三級(jí)緩存相比還是慢了很多，計(jì)算核心需要等待待收到數(shù)據(jù)后才能運(yùn)算。如果再考慮計(jì)算任務(wù)有緩存一致性要求（即要求所有L3緩存中的數(shù)據(jù)必須相同）的話，其實(shí)對(duì)每顆處理器核心來說最有用的緩存容量就是自己CCX模塊內(nèi)的那16MB（Zen 2）或8MB（Zen）。這也使得之前的銳龍?zhí)幚砥髟趯?duì)處理器核心數(shù)要求不太高的應(yīng)用，如在所需核心數(shù)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手產(chǎn)品規(guī)格相近的應(yīng)用中（注：因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的核心數(shù)量較少，所以一般體現(xiàn)在游戲這樣的消費(fèi)級(jí)應(yīng)用上），會(huì)由于緩存、內(nèi)存延遲的問題在游戲中的表現(xiàn)要略遜于對(duì)手。而在對(duì)核心數(shù)要求更多的專業(yè)應(yīng)用中，銳龍?zhí)幚砥鲃t能憑借更強(qiáng)的核心運(yùn)算能力完全掩蓋掉這個(gè)不足。

因此在Zen 3上，為了提升處理器的游戲運(yùn)行性能，AMD采用了一個(gè)看似簡(jiǎn)單的辦法——擴(kuò)大CCX規(guī)模，將CCX內(nèi)的計(jì)算核心數(shù)量提升到8顆，同時(shí)把共享三級(jí)緩存容量擴(kuò)大到32MB。8顆處理器核心都能高速、任意地訪問這32M B緩存。簡(jiǎn)單地說，在Zen 3上每顆處理器核心最有用的緩存容量大幅提升到了32MB。對(duì)于只需要較少核心參與運(yùn)行的游戲應(yīng)用來說，翻倍的緩存容量顯然提升了處理器在緩存中查找數(shù)據(jù)的命中概率，能有效減少跨CCX查找或訪問內(nèi)存的頻率，可以明顯提升處理器的運(yùn)行效率。同時(shí)單CCX 8核心的設(shè)計(jì)也可以減少核心之間的通訊頻率，降低延遲。對(duì)于8核心Zen 3處理器來說，它的所有核心都可以在一塊芯片內(nèi)高速通信，而zen 2的8核心處理器內(nèi)部則需要跨CCX通過INFINITY FABRIC總線通信。對(duì)于16核心Zen 3處理器而言，它的內(nèi)部則只存在與一個(gè)CCX通信的情況，而Zen 216核心處理器銳龍9 3950X內(nèi)部的每個(gè)CCX都有與其他三個(gè)CCX進(jìn)行通信的可能。

總的來看，雖然AMD并沒有公開Zen 3 CCX內(nèi)部是如何連接這8顆計(jì)算核心與三級(jí)緩存的，但毫無疑問肯定是通過比INFINITY FABRIC總線快得多的高速總線將它們?nèi)坷壴谝黄穑锌赡苁桥c對(duì)手類似的環(huán)形總線設(shè)計(jì)，這也為處理器能高效執(zhí)行那些對(duì)核心、線程數(shù)要求較少的任務(wù)打下了基礎(chǔ)。

19%性能提升的“功臣”有六位

不過根據(jù)AMD官方描述，CCX架構(gòu)的改變、緩存性能的提升只是Zen 3處理器獲得總共19%性能提升的“功臣”之一，而為這19%性能提升做出貢獻(xiàn)的“功臣”總計(jì)有六位。它們是：Cache Prefetching（緩存數(shù)據(jù)預(yù)取）貢獻(xiàn)了2.7%的力量;Execution Engine（執(zhí)行引擎）的改進(jìn)貢獻(xiàn)了3.3%;更先進(jìn)的Branch Predictor（分支預(yù)測(cè)）貢獻(xiàn)了1.3%;Micro-op Cache（微操作緩存）的改進(jìn)貢獻(xiàn)了2.7%;處理器采用了新的Front End前端架構(gòu)，為性能提升貢獻(xiàn)了多達(dá)4.6%的力量;在整數(shù)運(yùn)算單元上，Zen 3架構(gòu)提升了Load/Store（數(shù)據(jù)載入和存儲(chǔ)）帶寬，貢獻(xiàn)同樣高達(dá)4.6%。遺憾的是目前AMD并未公開大部分的創(chuàng)新、改進(jìn)細(xì)節(jié)，只是表明相對(duì)Zen 2，Zen 3是一個(gè)完全的全新設(shè)計(jì)，這也是其性能可以在一年內(nèi)就獲得19%提升的關(guān)鍵所在。

仍是7nm，但是與銳龍XT系列處理器相同的7nm

在生產(chǎn)工藝方面，雖然Zen 3架構(gòu)處理器仍采用臺(tái)積電的7nm生產(chǎn)工藝打造，但它采用的是與今年中期發(fā)布的銳龍XT系列相同，得到小幅改進(jìn)的7nm生產(chǎn)工藝。我們知道7nm工藝在去年的Zen 2處理器上就得到了采用，而臺(tái)積電也在不斷改進(jìn)其工藝技術(shù)，因此在Zen 2架構(gòu)的銳龍XT處理器上，它的工作頻率較其他Zen 2處理器得到了小幅提升。在Zen 3架構(gòu)上，處理器的加速頻率更進(jìn)一步提升到最高4.9GHz，已接近5.0GHz大關(guān)。AMD表示，Zen 3處理器的每瓦性能比第一代銳龍?zhí)幚砥魈岣吡?.4倍，對(duì)比基于14nm工藝的英特爾Comet Lake酷睿處理器提高了2.8倍。

四款首發(fā)產(chǎn)品 覆蓋從主流到旗艦

第一批上市的Zen 3處理器有四款，它們是銳龍9 5950X、銳龍95900X、銳龍7 5800X、銳龍5 5600X。其中銳龍9 5950X對(duì)應(yīng)Zen 2旗艦，同樣采用16核心、32線程設(shè)計(jì)的銳龍9 3950X，L3緩存總?cè)萘恳彩?4MB，TDP熱設(shè)計(jì)功耗為105W，但最高加速頻率從銳龍9 3950X的4.7G Hz提升到了4.9GHz，同時(shí)處理器建議零售價(jià)為799美元，折合人民幣約5365元，中國(guó)市場(chǎng)的零售價(jià)暫未公布。銳龍95900X則是為了取代銳龍9 3900XT、銳龍9 3900x設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，同樣采用12核心、24線程設(shè)計(jì)，L3緩存總?cè)萘咳詾?4MB，最高加速頻率達(dá)到4.8GHz，分別比銳龍9 3900XT、銳龍9 3900X高了100MHz、200MHz。盡管其標(biāo)稱加速頻率沒有銳龍9 5950X高，但在AMD的宣傳中卻將銳龍95900X稱為“目前世界上最好的游戲處理器”，我們分析這是因?yàn)殇J龍95900X的核心數(shù)量少一些，因此發(fā)熱量、溫度相對(duì)更低，在實(shí)際的游戲運(yùn)行中更容易達(dá)到高頻率，帶來性能增益。其建議零售價(jià)為549美元，折合人民幣約3687元。

至于銳龍7 5800X則是為了替換現(xiàn)在的銳龍7 3800XT、銳龍7 3800X。單從規(guī)格上看，它與銳龍7 3800XT幾乎完全相同，最高加速頻率同為4.7GHz，L3緩存容量為32MB，TDP均為105W。當(dāng)然就像我們?cè)谇懊嬷v的那樣，它們?cè)趦?nèi)部架構(gòu)上有大的區(qū)別，銳龍7 5800X采用單CCX設(shè)計(jì)，而銳龍7 3800XT需要兩個(gè)CCX才能實(shí)現(xiàn)8核心、32HB三級(jí)緩存的規(guī)格。目前銳龍7 5800X的建議零售價(jià)為449美元，折合人民幣約3015元。

由于定位高端，以上三款處理器上市時(shí)都不會(huì)附送散熱器，用戶可以自行為它們購(gòu)買高端風(fēng)冷或水冷散熱器。作為面向主流用戶的銳龍5 5600X則會(huì)向用戶附送幽靈潛行（Wraith Stealth）65W靜音版散熱器。幽靈潛行只是一款性能一般的全鋁制散熱器，銳龍5 5600X之所以只搭配這樣的散熱器關(guān)鍵在于其TDP不高，仍只有65W。其他方面，作為替換銳龍5 3600X、銳龍5 3600的產(chǎn)品，它也采用了6核心、12線程設(shè)計(jì)。三級(jí)緩存總?cè)萘客瑸?2MB，但最高加速頻率從銳龍5 3600XT的4.5GHz提升到了4.6GHz。價(jià)格方面，相對(duì)于其他幾款Zen 3產(chǎn)品，這款處理器要便宜不少，建議零售價(jià)只有299美元，折合人民幣約2008元。所有這四款處理器都將在2020年11月5日上市銷售。

性能獲得大幅提升

盡管從技術(shù)規(guī)格來看四款Zen 3銳龍?zhí)幚砥髋cZen 2產(chǎn)品相比領(lǐng)先并不多，但根據(jù)AMD目前公布的資料，借助新架構(gòu)，Zen 3銳龍?zhí)幚砥髟谛阅苌汐@得了大幅提升。首先從銳龍9 5950X與銳龍9 3950X的對(duì)比來看，在內(nèi)容創(chuàng)建性能上，它的最大性能領(lǐng)先幅度可達(dá)27%，出現(xiàn)在CAD應(yīng)用《SOLIDWORKS 2019》上。在優(yōu)勢(shì)最小的視頻編輯軟件《ADOBE PREMIERE PRO 14.3.1》中，它也有5%的領(lǐng)先幅度。當(dāng)然最值得關(guān)注的是在分辨率為1080p、高畫質(zhì)設(shè)定下的游戲測(cè)試中，其較銳龍9 3950X的游戲領(lǐng)先幅度普遍在28%以上，最小也有13%的優(yōu)勢(shì)。與酷睿i9-10900K相比，銳龍9 5950X則繼續(xù)在需要調(diào)用多核心運(yùn)算性能的渲染應(yīng)用中碾壓對(duì)手——在V-RAY 4.10的性能測(cè)試中領(lǐng)先對(duì)手59%;在部分游戲中則能小幅領(lǐng)先或與對(duì)手打平。

對(duì)于被稱為“目前世界上最好的游戲處理器”：銳龍9 5900X，AMD則在資料中重點(diǎn)宣傳了它的游戲性能，其游戲測(cè)試仍采用1080p分辨率、高畫質(zhì)的設(shè)定。相對(duì)于銳龍93900X，銳龍9 5900X在《英雄聯(lián)盟》《絕地求生：大逃殺》《CS：GO》游戲中，分別實(shí)現(xiàn)了高達(dá)50%、46%、33%的游戲性能提升幅度;在《古墓麗影：暗影》《F1 2019》等多款游戲中也能輕松實(shí)現(xiàn)20%以上的性能提升。面對(duì)曾經(jīng)的“游戲性能王者”：酷睿i9-10900K，它依然能在《英雄聯(lián)盟》《CS：GO》中分別獲得21%、19%的優(yōu)勢(shì)，在10款游戲?qū)Ρ葴y(cè)試中，銳龍9 5900X贏了9款，僅在《戰(zhàn)地5》中小幅落后。能讓銳龍9 5900X占據(jù)游戲性能寶座的關(guān)鍵就在于它的處理器單線程性能得到了大幅提升——根據(jù)AMD公開的資料顯示，銳龍9 5900X的CINEBENCH R20處理器單線程性能達(dá)到631pts，而酷睿i9-10900K的單線程性能只有545pts左右，優(yōu)勢(shì)很大。

至于銳龍7 5800X、銳龍55600X，在AMD目前公開的資料中，AMD只簡(jiǎn)單地介紹了它們的每美元性能即用戶每花一美元所能買到的性能。總的來看，銳龍7 5800X在單線程性能、多線程性能上的每美元性能都比與其對(duì)位的8核心、16線程處理器：酷睿i7-10700K要稍強(qiáng)一些，領(lǐng)先幅度在9%～11%左右。在1080p游戲性能測(cè)試中，兩款處理器打平。而銳龍5 5600X則相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有更明顯的優(yōu)勢(shì)，同與其對(duì)位的6核心、12線程處理器：酷睿i5-10600K對(duì)比，銳龍5 5600X在單線程、多線程、1080p游戲性能上都全面勝出，領(lǐng)先幅度達(dá)13%～20%。

現(xiàn)有500系主板可輕松支持Zen 3處理器，400系主板未來也能用

為了讓用戶能方便地使用Zen 3處理器，AMD表示現(xiàn)有500系芯片組主板，如X570、B550、A520等主板只需將BIOS中的AGESA（AMD Generic Encapsulated Software Architecture，AMD通用封裝軟件架構(gòu)）升級(jí)到1.0.8.0版本，就能讓Zen 3處理器通過自檢、引導(dǎo)。當(dāng)然如果想獲得更好的體驗(yàn)，則需用戶將AGESA升級(jí)到1.1.0.0或更新的版本。簡(jiǎn)單一句話，不斷升級(jí)500系主板的BIOS就是最正確的做法。

當(dāng)然更激動(dòng)人心的是，AMD確認(rèn)X470、B450這類400系主板也能使用Zen 3處理器，目前AMD與主板廠商正在為400系主板聯(lián)合開發(fā)支持Zen 3處理器的BIOS，預(yù)計(jì)在2021年1月首批BIOS就能上線發(fā)布。

11月5日展示Zen 3處理器的真正實(shí)力

從AMD目前公開的Zen 3處理器技術(shù)資料來看，毫無疑問它是非常誘人的——它具有在多線程性能、單線程性能、游戲性能全面擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的實(shí)力，這是以往任何一代AMD處理器都沒有取得的成績(jī)。當(dāng)然PPT歸PPT，事實(shí)又是否如此呢？根據(jù)AMD目前透露的信息來看，AMD將在Zen 3處理器上市的當(dāng)天即2020年11月5日也同步公開Zen 3處理器的第三方評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)。毫無疑問，作為國(guó)內(nèi)專業(yè)的硬件評(píng)測(cè)媒體，《微型計(jì)算機(jī)》評(píng)測(cè)室也將在第一時(shí)間對(duì)Zen 3處理器展開全面、詳細(xì)的評(píng)測(cè)。因此要想了解Zen 3處理器的真實(shí)實(shí)力，那么就請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注《微型計(jì)算機(jī)》官方微信（微信號(hào)：MC-1981）、微博（微博號(hào)：微型計(jì)算機(jī)唐方微博）、今日頭條（用戶名：微型計(jì)算機(jī)）等新媒體與雜志平臺(tái)為您帶來的最新報(bào)道。