身臨其境時代里的高性能x86計算架構

　　搜索，機器學習，數據分析，內容創建和交付，增強現實，虛擬現實和游戲 - 這些計算密集型任務列表每天都在變長。當涉及到技術時有兩個常量：第一是需要越來越強的計算性能。無論芯片行業提供什么性能產品，終端用戶都會快速消費，然后開始尋找性能更強的產品。

　　第二個常量當然是變化，我在這個行業已經有30年多的時間了，目睹了這個行業的千變萬化。讓我們看一個例子，隨著互聯網和圖形用戶界面的出現，PC從字處理工具成為連接世界的真正網關，這種變化是非常驚人的，它讓人們能夠前所未有地訪問和分享信息。之后借助筆記本電腦，以及現在的智能手機和平板電腦，PC變得更具便攜性和連接性。不久之后，來自應用程序和大量數據的爆炸式存儲，處理和分析，刺激業界需求更高計算性能。

　　四年前，AMD開始重新設計自己的高性能x86計算核心架構，用以滿足這些日益增長的需求。我們以前產品帶來了巨大能效提升，但并沒有彌補在高性能應用領域的差距。出于這種需要，AMD全新設計了“Zen”核心。

　　設計過程當中，在各個方面，我們想要有一個全新且現代的核心，“Zen”核心已經針對性能，吞吐量和能源效率進行優化，可應對最苛刻的應用需求。因此，“Zen”是一個更加強大的引擎，顯示AMD已重返高性能計算市場，在功耗不變情況下，“Zen”核心每個時鐘指令數量增加40%。這個大膽目標是通過針對性能和功耗集中設計實現的。重新設計的微體系結構在指令處理，執行單元能力和緩存子系統等方面都有重大改進，以加快執行流程和并行性。我們在Hot Chips 2016中已經透露，“Zen”改進了分支預測以選擇正確的指令，引入微操作緩存以更好地發出這些指令，同時調度窗口擴大75%，以處理更多指令；和前代核心相比，指令寬度提升50%，可以并行運行更多指令。以上多方面改進，極大提升了每時鐘周期計算性能。

　　一旦你有了高性能引擎，你必須給它提供“燃料”。我們將這一過程稱之為“喂養野獸”。在這種情況下，“燃料”就是內存當中的數據和指令。我們重新設計了緩存層次結構，以8MB三級緩存來回應以上需求，使用統一的二級緩存以及單獨的低延遲緩存容納指令和數據。和我們以前的設計相比，專用內核現在可以訪問的緩存帶寬提升了五倍。

　　“Zen”預取器對于吞吐量至關重要，這種高度專有設計是處理器設計中最復雜的算法之一。預取器是前瞻性的，并且基于正在執行的當前例程，預測下一步計算需要什么指令。如何提升預測準確性，如何更快地糾正預測錯誤是一門藝術，我們在“Zen”上做得很好。

　　和前代設計相比，“Zen”在吞吐量方面有重大改進，采用同步多線程（SMT）設計。該方法使得處理器核心能夠跟蹤程序內的任務，當任務暫停以等待另一個指令或數據時，它可以先執行無需等待指令和數據的任務。對于軟件來說它顯示為啟用SMT的其他它處理資源。

　　最后，“Zen”核心提高了能耗效率。“Zen”核心產品涵蓋從無風扇筆記本電腦到超級計算機等方面應用，這都需要能耗效率。在一個性能提升10%即為性能顯著提升的世界里，功耗不變，性能提升40%的目標似乎無法實現，但AMD工程團隊拓展視野，深入研究，發現了更多的省電杠桿，進一步優化微架構，降低能耗，并實施廣泛的工作頻率管理。

　　“Zen”核心在設計之初就考慮了能耗效率，工程師專注于提升能耗效率，即便是功耗可以降低微瓦的地方也不放過。每一個電路的功耗都經過優化。處理器可以關閉自身閑置的部分用以降低功耗。但是在任務來臨之際，處理器可以恢復全速運行，讓用戶獲得非常快的每瓦性能。此外，“Zen”充分利用全新的14nm FinFET半導體技術，和前代產品相比，這種全新的FinFET晶體管尺寸更小，功耗更低，性能更高，讓我們在全新微架構中實現了最大效果。FinFET晶體管具有強大的可擴展性，從低泄漏、低功率的產品到更高電壓的高頻率、高性能產品不一而足。

　　明年AMD會拿出“Zen”核心處理器產品，它們將證明以上創新成果。到目前為止，實驗室的結果令人印象深刻。我們最近展示了一個8核心/16線程的“Summit Ridge”桌面處理器和使用“Zen”核心擁有32核心/ 64線程的“那不勒斯”服務器平臺，因此我們對未來非常樂觀。同樣重要的是，“Zen”只是對AMD高性能x86計算未來持續承諾當中的第一個里程碑。我們的路線圖包括下一代產品，我們的團隊已經在設計相應改進。正如文章開頭所述，變化和對計算性能的渴求將繼續推動行業向前發展。

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