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身临其境时代里的高性能x86计算架构

  搜索,机器学习,数据分析,内容创建和交付,增强现实,虚拟现实和游戏 - 这些计算密集型任务列表每天都在变长。当涉及到技术时有两个常量:第一是需要越来越强的计算性能。无论芯片行业提供什么性能产品,终端用户都会快速消费,然后开始寻找性能更强的产品。

  第二个常量当然是变化,我在这个行业已经有30年多的时间了,目睹了这个行业的千变万化。让我们看一个例子,随着互联网和图形用户界面的出现,PC从字处理工具成为连接世界的真正网关,这种变化是非常惊人的,它让人们能够前所未有地访问和分享信息。之后借助笔记本电脑,以及现在的智能手机和平板电脑,PC变得更具便携性和连接性。不久之后,来自应用程序和大量数据的爆炸式存储,处理和分析,刺激业界需求更高计算性能。

  四年前,AMD开始重新设计自己的高性能x86计算核心架构,用以满足这些日益增长的需求。我们以前产品带来了巨大能效提升,但并没有弥补在高性能应用领域的差距。出于这种需要,AMD全新设计了“Zen”核心。

  设计过程当中,在各个方面,我们想要有一个全新且现代的核心,“Zen”核心已经针对性能,吞吐量和能源效率进行优化,可应对最苛刻的应用需求。因此,“Zen”是一个更加强大的引擎,显示AMD已重返高性能计算市场,在功耗不变情况下,“Zen”核心每个时钟指令数量增加40%。这个大胆目标是通过针对性能和功耗集中设计实现的。重新设计的微体系结构在指令处理,执行单元能力和缓存子系统等方面都有重大改进,以加快执行流程和并行性。我们在Hot Chips 2016中已经透露,“Zen”改进了分支预测以选择正确的指令,引入微操作缓存以更好地发出这些指令,同时调度窗口扩大75%,以处理更多指令;和前代核心相比,指令宽度提升50%,可以并行运行更多指令。以上多方面改进,极大提升了每时钟周期计算性能。

  一旦你有了高性能引擎,你必须给它提供“燃料”。我们将这一过程称之为“喂养野兽”。在这种情况下,“燃料”就是内存当中的数据和指令。我们重新设计了缓存层次结构,以8MB三级缓存来回应以上需求,使用统一的二级缓存以及单独的低延迟缓存容纳指令和数据。和我们以前的设计相比,专用内核现在可以访问的缓存带宽提升了五倍。

  “Zen”预取器对于吞吐量至关重要,这种高度专有设计是处理器设计中最复杂的算法之一。预取器是前瞻性的,并且基于正在执行的当前例程,预测下一步计算需要什么指令。如何提升预测准确性,如何更快地纠正预测错误是一门艺术,我们在“Zen”上做得很好。

  和前代设计相比,“Zen”在吞吐量方面有重大改进,采用同步多线程(SMT)设计。该方法使得处理器核心能够跟踪程序内的任务,当任务暂停以等待另一个指令或数据时,它可以先执行无需等待指令和数据的任务。对于软件来说它显示为启用SMT的其他它处理资源。

  最后,“Zen”核心提高了能耗效率。“Zen”核心产品涵盖从无风扇笔记本电脑到超级计算机等方面应用,这都需要能耗效率。在一个性能提升10%即为性能显著提升的世界里,功耗不变,性能提升40%的目标似乎无法实现,但AMD工程团队拓展视野,深入研究,发现了更多的省电杠杆,进一步优化微架构,降低能耗,并实施广泛的工作频率管理。

  “Zen”核心在设计之初就考虑了能耗效率,工程师专注于提升能耗效率,即便是功耗可以降低微瓦的地方也不放过。每一个电路的功耗都经过优化。处理器可以关闭自身闲置的部分用以降低功耗。但是在任务来临之际,处理器可以恢复全速运行,让用户获得非常快的每瓦性能。此外,“Zen”充分利用全新的14nm FinFET半导体技术,和前代产品相比,这种全新的FinFET晶体管尺寸更小,功耗更低,性能更高,让我们在全新微架构中实现了最大效果。FinFET晶体管具有强大的可扩展性,从低泄漏、低功率的产品到更高电压的高频率、高性能产品不一而足。

  明年AMD会拿出“Zen”核心处理器产品,它们将证明以上创新成果。到目前为止,实验室的结果令人印象深刻。我们最近展示了一个8核心/16线程的“Summit Ridge”桌面处理器和使用“Zen”核心拥有32核心/ 64线程的“那不勒斯”服务器平台,因此我们对未来非常乐观。同样重要的是,“Zen”只是对AMD高性能x86计算未来持续承诺当中的第一个里程碑。我们的路线图包括下一代产品,我们的团队已经在设计相应改进。正如文章开头所述,变化和对计算性能的渴求将继续推动行业向前发展。

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