Zen (Mikroarchitektur)

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Zen microarchitecture.svg
Schema Zen-Mikroarchitektur
Produktion: seit 2. März 2017
Produzenten:
Befehlssatz: AMD64 (x86-64)
Mikroarchitektur: x86-Prozessor
Sockel: AM4
Namen der Prozessorkerne:
  • Raven Ridge (APUs)
  • Summit Ridge (Desktop-CPUs)
  • Snowy Owl (Server-APUs)
  • Naples (Server-CPUs)[2]

Zen ist eine Prozessor-Mikroarchitektur (x86-64) des Unternehmens AMD. Der Marktstart der ersten Zen-basierten Prozessoren unter dem Markennamen Ryzen ['raɪzɛn:] (Codename: „Summit Ridge“) war am 2. März 2017.[3] Im Oktober 2017 folgten die Prozessoren mit Grafikprozessor (Accelerated Processing UnitAPU) für mobile Geräte (Codename: „Raven Ridge“); die Desktop-APUs sollen dann im Jahre 2018 folgen.[4]

Architektur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Laut AMD war das vorrangige Ziel der Entwicklung die Verbesserung der Single-Core-Performance anstatt der Multithreading-Performance oder einer Erhöhung der Anzahl der CPU-Kerne.[5][6][7] Aussagen von AMD während der Entwicklung wiesen darauf hin, dass die Core-Multithreading-Architektur CMT zugunsten der Technik Simultaneous Multithreading (SMT) aufgegeben wurde.[8] Der Konkurrent Intel nutzt SMT in der heutigen Form seit Core i. Es wurde davon ausgegangen, dass die Umstellung eine starke Verbesserung der Effizienz zur Folge haben würde, möglicherweise zu Lasten einer Vergrößerung der Chipfläche.[7]

Die Zen-Prozessoren werden im 14-nm-FinFET-Prozess von Globalfoundries hergestellt.[9] Die vorige Prozessorgeneration AMD Fusion basierte noch auf den Strukturgrößen 32 nm und 28 nm.[10] Mit der Architektur „Zen“ sind sowohl reine CPUs („Summit Ridge“) als auch APUs mit integrierter Grafikprozessoreinheit („Raven Ridge“) geplant. Beide verwenden den erstmals für diese Prozessoren genutzten, neuen Sockel AM4.[11] DDR4-Speicher wird unterstützt. Neben den Modellen für Desktop-Computer werden auch solche für den mobilen Betrieb erwartet.

Ein Zen-Kern enthält vier Integer-ALUs, zwei als Lade-/Speicher-Einheiten ausgelegte AGUs sowie eine in vier Pipelines aufgeteilte Gleitkomma-Einheit. Die Gleitkommaeinheiten sind als 128 Bit SIMD- Einheiten ausgelegt und unterstützen AVX-Instruktionen sowie FMA Operationen. Die beiden AVX-Einheiten können zusammengeschaltet werden und führen dann eine 256 bittige AVX 2 Instruktion aus. Der L1-Cache ist mindestens 32 kB und der L2-Cache 512 kB groß; der L3-Cache beträgt bei den Acht- und Sechskernern 16 MB, bei den Vierkernern je nach Modell 16 oder 8 MB.

Ryzen CPUs mit demselben Grundbaustein: einem 4-CPU-Complex

Der grundlegende Baustein für alle bis Juni 2017 erschienenen "Summit Ridge" und "Naples" Chips ist ein Komplex (CCX - Core CompleX) aus 4 Kernen mit zugehörigen Cache-Bereichen. Zwei dieser Komplexe werden auf einem "Zeppelin" genannten "Die" integriert, die beiden Komplexe werden mit einem "Infinity Fabric" genannten Bündel aus seriellen Verbindungen verschaltet. Mit derselben Verbindungstechnik werden mehrere "Dies" auf den Multi-Chip-Modulen für die Threadripper- und die Naples/Epyc - Baureihen verschaltet und schließlich auch im Serverbereich die beiden, "SP3-Socket" genannten Fassungen verschaltet. Das Zwei-Chip-Modul der Threadripper-Baureihe nutzt eine Abwandlung der Serverfassung SP3 (genannt "TR4"), ein Land Grid Array mit 4097 Kontakten, auch als "Socket 4094" oder "LGA 4094" bezeichnet. Die hohe Anzahl von Kontakten wird benötigt, um insgesamt 8 DDR4-Speicherkanäle, bis zu 128 PCIe 3.0-Lanes je Sockel und die Infinity-Fabric-Leitungen nach außen führen zu können. Mit einem Chip und zwei Fassungen ( AM4 und SP3) können somit Systeme von 4 Kernen bis 32 Kernen realisiert werden.

Auf der Computex 2017 stellt AMD ein Multi-Chip-Modul aus zwei 8-Kern Zeppelin-Dies für Hochleistungs-Desktops mit dem Markennamen Threadripper vor. [12][13]

Im Serverbereich werden vier Zen-Dies zu einer 32 Kern Naples CPU vereint (als Multi-Chip-Modul). Der Codename Naples wird durch den Markennamen Epyc ersetzt, der der Nachfolger der Opteron-Server CPU-Baureihe wird.

Entwicklungsgeschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Planungen für Zen begannen kurz nachdem der Chefentwickler Jim Keller 2012 erneut bei AMD eingestellt wurde.[14] Er hatte bereits von 1998 bis 1999 für AMD gearbeitet, war an der Entwicklung der K7-Architektur beteiligt und leitete die Entwicklung der K8-Architektur. Keller verließ AMD im September 2015 wieder.[15]

Ursprünglich sollte der auf der ARM64-Architektur basierende K12-Kern vor den Prozessoren mit Zen-Architektur erscheinen. Am Finanzanalystentag im Mai 2015 wurde jedoch bekanntgegeben, dass die K12-Architektur zugunsten der Zen-Architektur verschoben wird, um für Zen im Laufe des Jahres 2016 die Marktreife zu erreichen.[16]

Im November 2015 sagte ein ehemaliger Angestellter von AMD, die Zen-Technik habe bei Tests „alle Erwartungen erfüllt“ und es seien „keine signifikanten Flaschenhälse gefunden“ worden.[17][18]

Der Marktstart der ersten Zen-Modelle mit acht Kernen unter dem Namen „Ryzen 7“ erfolgte am 2. März 2017. Die kleineren Modelle mit der Bezeichnung „Ryzen 5“ (4-6 Kerne) folgten im April 2017; die leistungsschwächeren und günstigeren Modelle „Ryzen 3“ (4 Kerne) erschienen dann im Juli 2017.

Ryzen profitiert durch seine enge Anbindung zum RAM durch den internen Speicherkontroller, die "Infinity Fabric" auch besonders von schnellerem Arbeitsspeicher. Aktuelle AM4-Mainboards unterstützen hierfür maximal DDR4-3200.[19]

Markterfolg[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Marktstart der Ryzen-Modelle im Frühjahr 2017 verhalf AMD zu einer deutlichen Verbesserung seiner Wettbewerbsposition gegenüber Intel, dem einzigen Rivalen im Bereich der Desktop-Prozessoren: So gewann AMD laut einem Bericht von Extremetech.com ab März 2017 bei den Verkaufszahlen des großen deutschen Online-Händlers Mindfactory.de jeden Monat 5 bis 9 Prozentpunkte Anteil hinzu.[20] Im August 2017 übertraf AMD den Rivalen Intel dann sogar bei den Verkaufszahlen und verbuchte einen Anteil von rund 56 Prozent für sich (Intel: rund 44 Prozent).

Modelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Modellbezeichnungen der neuen Ryzen-Prozessoren von AMD lehnen sich stark an die von Intel an. So sind die Ryzen-7-Modelle als äquivalent zu den Intel-Core-i7-CPUs zu sehen, die Ryzen 5 konkurrieren entsprechend mit Core i5 und die kommenden Ryzen-3-Modelle sollen das Pendant zu Intels Core i3 sein. Eine genauere Erklärung der Modellbezeichnungen zeigt dieses Bild

Server[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Serverprozessor Epyc[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Am 20. Juni 2017 präsentiert AMD den Serverprozessor mit Codenamen "Naples", welcher den Handelsnamen Epyc erhielt. Es handelt sich dabei um ein 4-Chip-Modul, welches aus Zeppelin-Einzelchips aufgebaut ist. Es werden Varianten für Ein- oder Zwei-Sockel-Systeme angeboten.

Blockschaltbild einer AMD Epyc CPU, Aufgebaut aus 4 Zeppelin-Chips auf einem MultiChip-Modul
Produktcode Kerne/Threads Basis-/Turbo-Freq. TDP Anz. Sockel
Epyc 7601 32/64 2,2 / 3,2 GHz 180 W 2
Epyc 7551 32/64 2,0 / 3,0 GHz 180 W 2
Epyc 7551P 32/64 2,0 / 3,0 GHz 180 W 1
Epyc 7501 32/64 2,0 / 3,0 GHz 155/170 W 2
Epyc 7451 24/48 2,3 / 3,2 GHz 180 W 2
Epyc 7401 24/48 2,0 / 3,0 GHz 155/170 W 2
Epyc 7401P 24/48 2,0 / 3,0 GHz 155/170 W 1
Epyc 7351 16/32 2,4 / 2,9 GHz 155/170 W 2
Epyc 7351P 16/32 2,4 / 2,9 GHz 155/170 W 1
Epyc 7301 16/32 2,2 / 2,7 GHz 155/170 W 2
Epyc 7281 16/32 2,2 / 2,7 GHz 155/170 W 2
Epyc 7251 8/16 2,1 / 2,9 GHz 120 W 2

Die hohe Anzahl an I/O-Verbindungen bzw. PCIe-Lanes und die hohe Speicherbandbreite durch 8 Speicherkanäle übertreffen zu diesem Zeitpunkt das Konkurrenzprodukt Intel Xeon (Broadwell). Epyc ist damit im Servermarkt konkurrenzfähig, Motherboards mit PCI-Express-OcuLink-Verbindern, die jeweils 4 PCIe-Lanes zum Anschluss von schnellen NVMe-Solid-State-Drive-Massenspeichern nutzen, werden angeboten[21].

Desktop[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ryzen Threadripper[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Am 10. August 2017 erschien die High-End-Desktop-Modellreihe Ryzen Threadripper im LGA-Package für den Sockel TR4. Dabei sind die Pins nicht mehr wie bei AMD-Prozessoren üblich am Prozessor, sondern auf dem zugehörigen Sockel zu finden. Vier Modelle kamen im August 2017 auf den Markt: Der Ryzen Threadripper 1950X mit 16 Kernen und 32 Threads kostete 999 US-Dollar, während der kleinere Prozessor Ryzen Threadripper 1920X mit 12 Kernen und 24 Threads 799 US-Dollar, jeweils vor Steuern, kostete. Der 1920X läuft mit 3,5 GHz Basistakt und 4,0 GHz Turbo-Takt. Die Basistaktfrequenz des 1950X liegt bei 3,4 GHz und damit 100 MHz niedriger, die Turbo-Taktfrequenz beträgt jedoch ebenfalls 4,0GHz. Außerdem kamen noch die Modelle 1900X und 1920 auf den Markt. Das Modell 1900X hat 8 Kerne und 16 Threads sowie 16MB L3 Cache. Das Modell 1920 hat 12 Kerne und 24 Threads mit 32MB L3 Cache in einer wie vom Ryzen 5 und 7 bekannten Non-X Variante mit niedrigerem Basistakt und eingeschränktem XFR.[22] Der Sockel TR4 ist mit dem Epyc/Naples-Sockel SP3r2 eng verwandt. Er verfügt über 64 PCIe-Lanes, vier DDR4-Hauptspeicherkanäle und unterstützt bis zu 2TB Arbeitsspeicher und wird den (mit dem X370-Chipsatz verwandten) X399-Chipsatz verwenden.

Blockschaltbild einer AMD Threadripper-CPU aufgebaut aus 2 Zeppelin-Chips auf einem MultiChip-Modul

Zuvor war über acht verschiedene Modelle unter dem angenommenen Namen "Ryzen 9" von 16- über 14- und 12- bis zu 10 Kern-CPUs spekuliert worden.[23][24] Jedoch basierten diese Spekulationen auf Falschmeldungen und erhärteten sich nicht. 10- oder 14-Kern CPUs könnten demnach nicht produziert werden, da die Kerne auf den vier verwendeten CPU-Complexes (CCX) immer symmetrisch abgeschaltet werden müssten.[25]

Modell Kerne / Threads Basistakt (Turbotakt) XFR L3-Cache TDP
Ryzen Threadripper 1900X 8 / 16 3,8 GHz (4,0 GHz) 4,2 Ghz 16 MB 180 W
Ryzen Threadripper 1920 12 / 24 3,4 GHz (3,8 GHz) TBA 32 MB 140 W
Ryzen Threadripper 1920X 12 / 24 3,5 GHz (4,0 GHz) 4,2 Ghz 32 MB 180 W
Ryzen Threadripper 1950X 16 / 32 3,4 GHz (4,0 GHz) 4,2 Ghz 32 MB 180 W

Ryzen 7[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ryzen 1800X

Die ersten drei verfügbaren Prozessor-Modelle der Ryzen-Serie haben folgende Bezeichnungen: Ryzen 7 1800X, Ryzen 7 1700X und Ryzen 7 1700.[26] Sie sind allesamt reine CPUs ohne zusätzliche Grafikeinheit und sind mit jeweils acht Rechenkernen ausgestattet, welche durch Simultaneous Multithreading (SMT) 16 Threads bieten. AMD gibt für die neuen Modelle lediglich einen garantierten Grundtakt an. Der angegebene Turbotakt wird nur bei Last auf maximal zwei Kernen angelegt, der Turbotakt für Last auf allen Kernen ist niedriger. Mittels XFR (Extended Frequency Range) kann der Prozessor bei ausreichender Kühlleistung und Last auf nur zwei Kernen den Takt in 25 MHz Schritten sogar über den Turbotakt hinaus erhöhen[27].

Modell Kerne / Threads Basistakt (Turbotakt) XFR L3-Cache TDP
Ryzen 7 1700 8 / 16 3,0 GHz (3,7 GHz) 3,75 GHz 16 MB 65 W
Ryzen 7 1700X 8 / 16 3,4 GHz (3,8 GHz) 3,9 GHz 16 MB 95 W
Ryzen 7 1800X 8 / 16 3,6 GHz (4,0 GHz) 4,1 GHz 16 MB 95 W

Ryzen 5[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ersten vier verfügbaren Ryzen-5-Modelle kamen am 11. April 2017 zu Preisen zwischen 189 und 279 Euro auf den Markt.[28] Das Modell Ryzen 5 1600X verfügt über sechs Kerne und hat dieselben Taktfrequenzen wie das Modell Ryzen 7 1800X; das Modell Ryzen 5 1500X hat vier Kerne.[29] Die technischen Daten lassen sich der folgenden Tabelle entnehmen:

Modell Kerne / Threads Basistakt (Turbotakt) XFR L3-Cache TDP
Ryzen 5 1400 4 / 8 3,2 GHz (3,4 GHz) 3,45 GHz 8 MB 65 W
Ryzen 5 1500X 4 / 8 3,5 GHz (3,7 GHz) 3,9 GHz 16 MB 65 W
Ryzen 5 1600 6 / 12 3,2 GHz (3,6 GHz) 3,7 GHz 16 MB 65 W
Ryzen 5 1600X 6 / 12 3,6 GHz (4,0 GHz) 4,1 GHz 16 MB 95 W

Ryzen 3[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ersten beiden Modelle der Ryzen-3-Serie kamen am 27. Juli 2017 auf den Markt. Der Ryzen 3 1200 mit einem Basistakt von 3,1 GHz und einem Turbo-Takt von 3,4 GHz, sowie der Ryzen 3 1300X mit einem Basistakt von 3,5 GHz und einem Turbo-Takt von 3,7 GHz, beide ausgestattet mit vier Kernen und vier Threads. Ein Unterschied zwischen den beiden befindet sich also lediglich in ihren Taktfrequenzen und der XFR-Fähigkeit.

Modell Kerne / Threads Basistakt (Turbotakt) XFR L3-Cache TDP
Ryzen 3 1200 4/4 3,1 GHz (3,4 GHz) 3,45 GHz 8 MB 65 W
Ryzen 3 1300X 4/4 3,5 GHz (3,7 GHz) 3,9 GHz 8 MB 65 W

Mobile Geräte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ryzen "Raven Ridge": Mobile APU[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Oktober 2017 erscheinen die ersten Varianten der für mobile Rechner gedachten Ryzen-Prozessoren, Codename Raven Ridge. Es handelt sich dabei um den bereits von den anderen Ryzen-Prozessoren bekannten Vierkern "Core Complex" mit einer über "Infinity Fabric" integrierten Grafikeinheit aus der Baureihe der Vega-Grafikkerne.[30] Da diese Prozessoren nur von Notebookherstellern verbaut werden, waren sie de facto nicht sofort verfügbar. Erste Notebooks mit diesen Prozessoren waren in Deutschland für Dezember 2017[31] und Januar 2018[32] angekündigt.

Die Prozessoren sind sowohl von der Prozessorleistung als auch von der Grafikleistung und dem Energieverbrauch konkurrenzfähig mit der gleichzeitig erschienenen neuen Intel-Generation "Coffee Lake".

Modell Kerne / Threads Basistakt (Turbotakt) L3-Cache TDP GPU GPU-Takt
Ryzen 7 2700U 4/8 2,2 GHz (bis 3,8 GHz) 4 MB 15 W 10 Vega-CUs bis 1,3 GHz
Ryzen 5 2500U 4/8 2,0 GHz (bis 3,6 GHz) 4 MB 15 W 8 Vega-CUs bis 1,1 GHz

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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  1. Juyeop Han: Samsung Electronics Does Toll Manufacturing for AMD’s Next Chip. In: etnews.
  2. AMD gives us our first real moment of Zen, Tech Report. 18. August 2016. 
  3. heise online: AMD Ryzen 7 1800X: High-End-Prozessor fürs halbe Geld. Abgerufen am 3. März 2017.
  4. University Herald: AMD Raven Ridge APU Hosts Ryzen Chips CPU, Vega Cores GPU (VIDEO). In: University Herald. 6. April 2017.
  5. Weekend tech reading: AMD 'Zen' and their return to high-end CPUs, tracking Windows pirates. TechSpot. Abgerufen am 12. Mai 2015.
  6. AMD: Zen chips headed to desktops, servers in 2016. The Tech Report. Abgerufen am 12. Mai 2015.
  7. a b Anton Shilov: AMD: ‘Bulldozer’ was not a game-changer, but next-gen ‘Zen’ will be. In: KitGuru, 11. September 2014. Abgerufen am 1. Februar 2015. 
  8. AMD 2015 comeback attempt: reforming high-performance processor, abandon modular architecture.. Extreme Performance Review. Abgerufen am 10. Mai 2015.
  9. Peter Bright: AMD’s moment of Zen: Finally, an architecture that can compete. In: Ars Technica. 2. März 2017; abgerufen am 9. Dezember 2017.
  10. Sebastian Pop: 14nm AMD Zen CPU Will Have DDR4 and Simultaneous Multithreading. In: Softpedia News. 8. Januar 2015; abgerufen am 9. Dezember 2017.
  11. AMD's next-gen Zen CPU due in 2016. PC Gamer. Abgerufen am 12. Mai 2015.
  12. Erste Benchmarks für AMD Ryzen Threadripper. Abgerufen am 31. Mai 2017.
  13. Erstes Mainboard für AMD Ryzen Threadripper. Abgerufen am 31. Mai 2017.
  14. Jim Keller Talks About AMD's Upcoming Zen And K12 Cores auf YouTube
  15. Jim Keller Leaves AMD. anandtech.com. Abgerufen am 14. Oktober 2015.
  16. AMD’s 2016–2017 x86 Roadmap: Zen Is In, Skybridge Is Out, AnandTech, 6. Mai 2015
  17. Mark Campbell: AMD Tests Zen CPUs, "Met All Expectation" with no "Significant Bottlenecks" found. In: Overclock3D. Time To Live Media, 6. November 2015; abgerufen am 9. Dezember 2017.
  18. Joel Hruska: GlobalFoundries announces 14nm validation with AMD Zen silicon. In: ExtremeTech. 6. November 2015; abgerufen am 9. Dezember 2017.
  19. Marc Sauter: RAM-Overclocking getestet: Ryzen profitiert von DDR4-3200 und Dual Rank. In: Golem. Abgerufen am 9. Dezember 2017.
  20. Joel Hruska: Report: AMD Stealing Significant Market Share, Revenue from Intel. In: ExtremeTech. 6. September 2017; abgerufen am 6. November 2017.
  21. AMD Epyc Die ersten Server Mainboards von Supermicro und Tyan. In: heise.de. Abgerufen am 27. Juni 2017.
  22. AMD Corporate: Ryzen Onslaught Continues with R... | Community. Abgerufen am 16. Juli 2017.
  23. Christof Windeck: AMD: Steht Ryzen 9 vor der Tür?. In: Heise online. 16. Mai 2017. Abgerufen am 31. Mai 2017.
  24. Christof Windeck: AMD verspricht Ryzen Threadripper mit 16 Kernen. In: Heise online. 17. Mai 2017. Abgerufen am 31. Mai 2017.
  25. AMD Ryzen Threadripper offiziell: 16 Kerne mit bis zu 4,0 GHz kommen für 999 US-Dollar. Abgerufen am 19. Juli 2017.
  26. Das solltest Du über AMD Zen wissen. In: Hardwareschotte.de. Abgerufen am 2. März 2017.
  27. Volker Rißka: AMD Ryzen 7 1800X, 1700X, 1700 im Test: König in Anwendungen, Prinz in Spielen. ComputerBase, 3. März 2017; abgerufen am 12. April 2017.
  28. The-Khoa Nguyen: Ryzen 5 Release: Verkaufsstart erfolgt - Preise von 189 bis 279 Euro. In: pc-magazin. 11. April 2017; abgerufen am 9. Dezember 2017.
  29. heise online: AMD Ryzen enttäuscht die Börse; 4- und 6-Core-Typen angekündigt. 3. März 2017; abgerufen am 3. März 2017.
  30. Ryzen Mobile AMDs grosser Schritt zurück in den Notebook Markt. Abgerufen am 30. Oktober 2017.
  31. heise online: Acer Swift 3 SF315-41G-R81H (NX.GV8EG.002) | heise online Preisvergleich / Deutschland. Abgerufen am 19. November 2017.
  32. heise online: HP Envy x360 15-bq102ng (3DL75EA#ABD) | heise online Preisvergleich / Deutschland. Abgerufen am 19. November 2017.