64核Zen 2處理器解析：AMD正在改變X86市場遊戲規則

X86處理器是英特爾發明的，長期以來在X86市場上英特爾都是有絕對優勢的，最新統計顯示AMD在今年Q3季度的整體CPU市場份額上首次突破10%，這統計的大概是最近幾年的份額，縱觀歷史AMD在CPU市場上份額最高也就是20%左右，X86長期以來都是英特爾獨大。

雙方實力一邊倒的情況下，最不容易出現的現象就是弱勢的一方掌握主導權，AMD贏過英特爾的一次重大勝利就是64位指令集，但在那次之後，AMD鮮有讓英特爾吃癟的時候。

2007年AMD搶先英特爾推出了SSE5指令集，但是英特爾大手一揮表態不會支持SSE5，轉而推出了AVX指令集，AMD之後也只能順從，再也沒無法跟英特爾爭奪X86發展的話語權了。

這種情況持續了至少10年，K8之後AMD推出的K10、推土機等架構雖然不乏新意，但是製程工藝、架構設計方面的雙重落伍使得AMD再也不能跟英特爾叫板，實際上過去的幾年中AMD自己的生存都很成問題。

去年初Zen架構的Ryzen銳龍、EPYC霄龍處理器問世，AMD的X86處理器才算重回正軌，性能也足以跟英特爾同級別處理器叫板，而多核心方面還有優勢。

雖然AMD的市場營銷依然走的是過去多年一直在用的田忌賽馬策略，但是Zen及Zen+架構的處理器整體性能上來了，再加上超高的性價比，對著AMD說「真香」的玩家也就多起來了。

銳龍一代及二代處理器大大改善了AMD的財務狀態，到上個季度為止AMD已經連續5個季度實現營收增長了，可以說第一代Zen架構及改進型讓AMD在X86市場上有了飯吃，而今天宣布的Zen 2架構則有可能讓AMD實現更高的目標——跟英特爾爭奪X86市場上的遊戲規則。

上一代的推土機架構也可以說是AMD跟英特爾爭X86話語權的一次嘗試，可惜失敗了，現在的Zen處理器再一次發起挑戰，而且這兩者之間還有很多相似性，比如都使用了模塊化設計、都強調多核性能等等，不過二者更多的還是不同，至少Zen比推土機成功得多。

說了這麼多，還是回到主題上，對於Zen 2架構我們可以簡單先定個性——很可能是X86處理器規則改變者。

從AMD公布的信息來看，首發Zen 2架構的Rome羅馬EPYC處理器變化相當大，設計上有很多大膽創新之處，不過現在一切信息還是紙面上的，它能不能做好這個改變X86規則的處理器，現在還沒有明確的結論。

Zen 2處理器首發7nm工藝：5GHz頻率可期？

對CPU這種東西來說，再NB的架構也要服從於製程工藝，沒有先進工藝就無從談及性能、能效，英特爾制霸X86四十年很大程度上都是因為英特爾過去掌握著最先進的半導體工藝，特殊是在Tick-Tock周期還有效的那幾年，搞的AMD疲於拚命，最終賣掉了晶圓廠，轉向無晶圓半導體公司，但是代工廠Globalfoundries的32nm、28nm工藝並不成熟，直到14nm節點全套使用三星技術才算穩定下來，這也是AMD Zen處理器能夠成功的一個原因。

在7nm節點，GF退出了，AMD宣布將7nm CPU/GPU晶片全部交給台積電代工，現在的Zen 2架構羅馬處理器就是台積電7nm HPC高性能工藝生產的，而英特爾這幾年面臨著10nm工藝延期的難題，只能不斷打磨14nm工藝，迄今有14nm、14nm+及14nm++三個版本了，直到明年底才有可能推出10nm處理器。

正是這個變故，讓AMD在7nm Zen2處理器上實現了製程工藝優勢的逆轉，這也是多年來AMD首次在處理器工藝上超越英特爾。

這個話題實際上早就不新鮮了，過去幾個月中AMD被分析師看漲、英特爾被看衰幾乎都跟AMD 7nm工藝上的領先有關。

根據AMD公布的信息，7nm工藝實現了兩倍的電晶體密度、同性能下功耗降低50%或者同功耗下性能提升25%的變化，只不過這些數據還是官方紙面上的，具體情況如何呢？

7nm Vega的工藝

Zen 2架構的羅馬處理器現在沒有任何具體的核心面積、頻率、功耗等數據，但是AMD在7nm Vega上公布了很多具體數據——7nm Vega 20 GPU核心面積331.46mm2，電晶體數量132億，GPU核心頻率1.8GHz，顯卡功率300W，而14nm工藝的Vega 10 GPU核心面積494.8mm2，電晶體125億，GPU核心頻率1.5GHz，顯卡功率300W。

通過這些數據可以算出電晶體密度——14nm節點是0.2526億/mm2，7nm節點是0.3982億/mm2，提升不過58%而已。

至於頻率，同樣300W功耗下，從1.5GHz提升到了1.8GHz，提升20%，基本上符合AMD所說的性能提升25%的說法。

雖然GPU跟CPU的情況不一樣，但是從7nm GPU的情況來看從14nm到7nm或許可以大幅降低功耗，不過性能上的提升並不算樂觀，即便真的提升了25%，考慮到7nm與14nm節點之間還隔了一個10nm節點，兩代提升25%的性能並不能讓人很滿意。

當然，這個事也不怨AMD，元兇是摩爾定律早就失效了，只是很多人不肯承認這一點，真正意義上的摩爾定律早就不適用了，ARM早前也提到過在製程工藝進入16nm節點之後，性能已經沒什麼實質性提升了。

有意思的是，儘管GF已經退出了7nm節點競賽，AMD在Zen 2架構發布的官方新聞中還是列舉了GF公司的7nm工藝，與台積電7nm工藝並列。

相比台積電，GF在7nm工藝上的宣傳更強大一些，功耗降低60%或者性能提升40%，而且GF之前提到了高性能7nm工藝可以實現5GHz的頻率，而能不能上5GHz頻率正是廣大A飯對AMD Zen 2處理器最大的期待。

對於Zen 2架構上7nm工藝這事，AMD及A飯值得高興，在製程工藝數字上AMD確實做到領先了，不過具體到處理器上，25%的性能提升、50%的功耗降低這些數據看看就好，因為工藝上的性能提升、功耗降低跟處理器性能、功耗並不是一回事。

對於這一點，AMD自己也是心知肚明的，之前的PPT中就提到了AMD 7nm工藝與競爭對手10nm工藝的對比，AMD是縮小了差距，談不上超越。

當然，也不能光滅AMD自己的威風，台積電的7nm工藝儘管性能不一定多厲害，但英特爾那邊的10nm工藝也早就變了， 前兩年展示的10nm指標上是很強大，但是量產難度也大，導致一直延期，而英特爾明年底量產的10nm工藝被曝是縮水版的，性能、功耗等指標肯定會有妥協，這對AMD來說也是好事。

即便Zen 2在工藝上無法超越英特爾的10nm，後面還有機會，因為AMD的路線圖比英特爾的更快，2020年還會有Zen 3架構，製程工藝升級到7nm+，也就是上EUV工藝的7nm改良版，單純的EUV工藝不會提升工藝性能，但台積電還會繼續改良7nm+工藝，到英特爾大規模量產10nm工藝的2020年，AMD進度快的話可能會有7nm+工藝的Zen 3處理器了。

Zen 2架構改進：吞吐量翻倍，前端到浮點全線改進

提升性能除了依賴先進工藝之外，CPU架構也是最重要的一環。

在Zen架構上，AMD帶來了CCX單元、SMT多線程、Infinity Fabric總線等設計，如今的Zen 2也沿用了這些設計，但在CPU內核上從前端預取單元到緩存再到浮點單元都做了改良，官方定性是實現了「吞吐量兩倍」。

AMD Zen架構的CPU內核設計

AMD在官方資料中介紹了Zen 2架構在CPU內核上的改進，不過這些內容還沒有具體的數據，比如L1緩存、L2緩存、L3緩存等等，所以這部分內容就簡單看看官方資料，後面有了具體信息再說。

值得一提的是，浮點架構上，目前的AMD銳龍、霄龍處理器支持到了AVX2，Zen 2上AMD翻倍了浮點單元位寬，從2x128bit提升到2x256bit，但它並不支持最新的AVX512，估計要到Zen 3架構上才有可能。

架構設計上另一個值得注意的是安全——2018年讓英特爾焦頭爛額的一件事就是各種X86漏洞，主要包括熔斷Meltown、幽靈Spectre及下半年才爆出的Foreshadow預兆，它們又衍生出多個版本。

這些漏洞對英特爾處理器影響較大，熔斷是英特爾獨享的。

雖然AMD在漏洞事件中受到的影響較小，但是Spectre幽靈漏洞是影響所有現代處理器的，因此在Zen 2架構上AMD也針對幽靈漏洞做了硬體防護。

在具體的技術指標上，Zen 2架構還支持率先支持PCIe 4.0、8通道DDR4內存等等，雖然沒有DDR5內存支持，不過這樣做也是很明智的商業策略了，畢竟DDR5還比較遙遠。

此外，AMD表示羅馬EPYC處理器相比之前的產品，能夠在單路插槽上帶來2x的整體性能、4倍的浮點性能，同時還能保持插槽兼容。

Zen 2最大膽的創新：8+1核架構，CPU、IO分離

AMD在7nm工藝及CPU內核上的升級、改良還是常規操作，而Zen 2處理器上最大膽的一項創新就是AMD真的做了8+1核，將CPU內核與IO核心分離出來，這種設計看起來跟近年來CPU單元整合更多I/O單元的路線相反，有利有弊，雖然AMD很有自信，但是這麼大膽的設計還是讓人為AMD捏了一把汗。

AMD這麼改顯然是為了容納更多的CPU核心——在Zen架構中，AMD設計了CCX單元及IF總線，通過這種模塊化的結構來堆砌多核處理器，桌面的8核處理器是2個CCX單元，一個模塊即可，EPYC之前是32核64線程，需要4個模塊。

但是要想做64核，按照之前的設計就需要8個模塊，而8個模塊之間要是繼續使用IF總線互聯，那麼複雜性就會大增，延遲等問題愈發嚴重。

AMD在Zen 2上的做法就是將IO單元與CPU核心單元分離，AMD稱這種設計為Chiplets，而且CPU核心使用的工藝跟IO核心的工藝也是不同的，具體來說就是——8個CPU模塊使用的是7nm工藝，每個模塊有8個CPU內核，總計64個核心128線程，而IO核心是14nm工藝，整合了DDR、PCIe 4.0/3.0、Infinity Fabric等IO單元。

AMD現場展示了Zen 2架構的羅馬處理器實物，就是8個CPU模塊圍繞1個IO核心，而且這個14nm IO核心的面積相當大，差不多要6組CPU核心那麼大了——可以簡單算下，銳龍8核的模塊的核心面積是213mm2，前面提到實際核心面積是1.58x縮放，那麼Zen 2的8核模塊應該是133mm2左右，但這個核心是整合了IO單元的，純核心簡單算作100mm2吧，那麼Zen 2上那個14nm IO核心面積至少是600mm2，AMD付出的代價不小。

即便如此，AMD還是這麼做了，在AMD看來這個方案是64核的最優選擇——目前的32核EPYC處理器核心面積是777mm2，理論上核心翻倍後面積至少1500mm2，而現在的方案中Zen 2 64核配置的核心面積也要1500mm2左右，但是分散成8+1核心顯然有利於提高單品的良率，況且核心面積最大的那部分還是14nm工藝製造的，成本比7nm工藝更低。

從AMD官方的解釋來看，這樣的設計也是為了簡化生產難度、提高良率，並且增強了CPU核心配置型，有了IO核心樞紐，以後增加CPU核心就可以只考慮CPU內核了。

AMD這種8+1核的設計最不好的地方大家也猜得到，那就是核心之間的延遲問題，銳龍/EPYC在延遲上就被人詬病了很久，現在的架構設計就更不好說了——由於缺少確切的資料，現在說它的延遲高或者低都沒有證據支撐，這取決於AMD具體的設計。

不過有一點，AMD在Zen 2上的設計不只是他們一家想到了，英特爾實際上也有這樣的技術路線，那就是EMIB，其本質也是將不同的核心單元使用不同的工藝生產，然後封裝到一起，這種設計看起來跟大家調侃的膠水多核很相似，但實際上英特爾的EMIB封裝不同於傳統的2.5D封裝，在良率、製造難度及性能方面都有可取之處。

從AMD的Zen 2架構來看，AMD這一次在處理器封裝技術上也實現了進步，如果能控制好外置的IO核心與CPU內核之間的延遲問題，那麼這種設計未來只會越來越多。

總結：AMD不走尋常路

在金庸的《倚天屠龍記》中，九陽神功可以說是最厲害的武功之一了，該武功的口訣就是「他強由他強，清風拂山崗；他橫由他橫，明月照大江。

」，說開了就是敵人再強就隨他強，他打他的，你做你的。

這句話用來形容現在的AMD再合適不過了，英特爾在CPU上有極強的積累，AMD如果照著英特爾的強項去打，那沒有獲勝的可能，唯一的希望就是自己主導規則，不走別人的套路。

從2017年到2018年的CPU市場競爭來看，AMD在這個策略上走對了，反而逼得英特爾跟著AMD推多核、提高性價比。

在Zen 2處理器上，AMD縮小了與英特爾在製程工藝上的差距，甚至可以說「領先」一些，同時不斷提升自己擅長的多核戰略，英特爾也不得不跟。

上面這些都是針對EPYC處理器來說的，對普通玩家來說我們關注的依然是桌面版的Zen 2處理器，它並非本次會議的重點，所以相關信息非常少，考慮到64核處理器對桌面意義不大，所以桌面版的8-16核處理器有可能會是不一樣的設計，這個就要等AMD擇機公布桌面版Zen 2處理器的信息了。