Cải tiến kiến trúc AMD Zen 3: Giải thích

Vào ngày 8 tháng 10^{thứ tự,} 2020 AMD công bố bộ vi xử lý máy tính để bàn dòng Ryzen 5000 hoàn toàn mới dựa trên kiến trúc Zen 3. Thông báo này là một trong những thông báo phần cứng PC được mong đợi nhất trong năm. Kể từ khi ra mắt kiến trúc Zen ban đầu vào năm 2017, AMD đã đi lên một cách mạnh mẽ về các cải tiến kiến trúc hàng năm. Năm nay cũng không khác, AMD tuyên bố sẽ mang đến bước nhảy vọt lớn nhất trong lịch sử của bộ vi xử lý Ryzen. Điều gì làm cho kiến trúc mới này trở nên đặc biệt? Hãy cùng tìm hiểu sâu về những cải tiến về kiến trúc do Zen 3 mang lại.

Những điều cơ bản của kiến trúc Zen

Bộ xử lý Ryzen của AMD sử dụng một thiết kế độc đáo, rất khác so với những gì mà đối thủ cạnh tranh chính là Intel sử dụng trong bộ vi xử lý máy tính để bàn của họ. Các bộ vi xử lý Ryzen thực sự dựa trên nhiều chiplet nhỏ, thay vì một chip đơn lẻ lớn. Những chiplet khác nhau này giao tiếp với nhau thông qua một kết nối được gọi là "Infinity Fabric". AMD mô tả vải Infinity là một tập hợp siêu vận chuyển cho phép kết nối nhanh giữa các chiplet khác nhau trong bộ vi xử lý AMD. Điều này có nghĩa là thay vì một chip đơn lẻ, có nhiều chiplet nhỏ trên chất nền giao tiếp với nhau thông qua một liên kết nhanh.

Thiết kế này đi kèm với ưu và nhược điểm của nó. Ưu điểm lớn nhất là khả năng mở rộng. Thiết kế chiplet có nghĩa là AMD có thể đóng gói nhiều lõi hơn vào một gói nhỏ hơn, do đó cho phép các tùy chọn số lượng lõi cao trong ngay cả phân khúc ngân sách của thị trường CPU. Nhược điểm chính của thiết kế này là độ trễ. Các lõi được tách biệt về mặt vật lý với nhau, dẫn đến độ trễ nhiều hơn một chút do thời gian cần thiết để dữ liệu di chuyển trên kết cấu vô cực. Điều này có nghĩa là hiệu suất trong các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ như chơi game thường thấp hơn thiết kế chip đơn của Intel.

Thực hiện Zen 2

Bộ vi xử lý dòng Ryzen 3000 là một thành công lớn trên thị trường máy tính để bàn phổ thông. Các CPU này dựa trên kiến trúc Zen 2 được xây dựng trên quy trình 7nm của TSMC, có một số cải tiến rất thú vị trong thiết kế của kiến trúc Zen. Zen 2 đã kết hợp các lõi CPU thành 4 Core Complex, mỗi lõi 4 nhân, đồng thời chia nhóm 32MB L3 Cache thành hai nhóm nhỏ hơn 16MB cache cho mỗi lõi. Các phức hợp lõi (CCX) này là nền tảng của dòng vi xử lý Zen 2. Mỗi tổ hợp 4 lõi đều có quyền truy cập ngay lập tức vào bộ nhớ đệm L3 16MB, điều này rất quan trọng để cải thiện độ trễ. Điều này có nghĩa là Zen 2 rất cạnh tranh với Intel trong các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ như chơi game, trong khi vượt trội hơn nhiều so với Intel về khối lượng công việc đa luồng.

Các đơn vị CCX khác nhau vẫn phải được kết nối với nhau thông qua Infinity Fabric, do đó, độ trễ vẫn có thể xảy ra. Tuy nhiên, Zen 2 cung cấp cải tiến 15% IPC (Chỉ dẫn trên mỗi đồng hồ) so với Zen + và cũng tự hào có xung nhịp lõi cao hơn. Thế hệ này rất quan trọng đối với AMD vì giờ đây họ đã quay trở lại cuộc cạnh tranh với Intel và có tiềm năng cải tiến rất lớn do sự đổi mới nhanh chóng và sự tự mãn của Intel.

Mục tiêu cho Zen 3

AMD bắt đầu phát triển Zen 3 với mục tiêu rất rõ ràng. Vì họ đã thống trị mặt đa luồng của đối thủ, lĩnh vực duy nhất mà họ vẫn tụt hậu một chút so với Intel là chơi game. Tốt như Zen 3, nó không thể cướp ngôi vương chơi game của Intel do thiết kế của nhóm màu xanh lam mang lại tốc độ xung nhịp cực cao và độ trễ thấp. Đối với những game thủ thuần túy muốn có tốc độ khung hình cao nhất có thể, câu trả lời vẫn là Intel. Do đó, mục tiêu của AMD cho thế hệ này rất rõ ràng:

Cải thiện độ trễ từ lõi đến lõi
Tăng tốc độ xung nhịp lõi
Tăng hướng dẫn trên mỗi đồng hồ (IPC)
Tăng hiệu quả (Hiệu suất cao hơn trên mỗi Watt)
Tăng hiệu suất đơn luồng

Xét rằng Zen 2 đã là một hiệu suất rất tốt trong các ứng dụng đa lõi, thật dễ dàng để AMD tập trung gần như hoàn toàn vào hiệu năng đơn luồng cho thế hệ CPU này.

Cải tiến Zen 3

AMD đã nói về CPU mới của họ và kiến trúc Zen 3 trong luồng Trực tiếp “Nơi trò chơi bắt đầu” vào ngày 8 tháng 10^{thứ tự}. AMD tuyên bố rằng Zen 3 là bước nhảy vọt lớn nhất trong lịch sử của kiến trúc Zen. Các CPU Ryzen 5000 mới vẫn dựa trên quy trình 7nm của TSMC, nhưng có một số cải tiến kiến trúc đáng kể.

Thiết kế phức hợp 8 lõi

Có thể cho rằng cải tiến lớn nhất với kiến trúc mới là cách bố trí hoàn toàn mới. AMD đã loại bỏ thiết kế đa CCX của Zen 2 và thay vào đó là thiết kế Complex 8 lõi duy nhất, trong đó tất cả 8 lõi đều có quyền truy cập vào toàn bộ 32MB bộ nhớ đệm L3. Việc thiết kế lại này có ý nghĩa rất lớn trong các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ như trò chơi.

Với mỗi lõi tiếp xúc trực tiếp với bộ nhớ cache và các lõi khác, nó cải thiện độ trễ đáng kể vì dữ liệu không có đường chéo toàn bộ khuôn để truyền từ bên này sang bên kia. Thiết kế lại này cũng cải thiện độ trễ bộ nhớ hiệu quả của chip, dẫn đến tăng hiệu suất cho các tác vụ đơn luồng.

Cải tiến IPC

Cách bố trí cải tiến của phức hợp lõi không phải là cải tiến duy nhất mà Zen 3 mang lại. AMD tuyên bố Cải tiến IPC 19% so với Zen 2, đây là một con số rất lớn. IPC hoặc Chỉ dẫn trên mỗi đồng hồ là biểu thị về mức độ công việc mà CPU có thể thực hiện trên mỗi chu kỳ đồng hồ. Cải thiện 19% là bước nhảy vọt lớn nhất mà chúng tôi thấy ở IPC kể từ khi Ryzen ra mắt lần đầu tiên vào năm 2017. Thế hệ vi xử lý Zen 2 trước đó cũng mang lại cải tiến IPC khá lớn 15% so với kiến trúc Zen +.

Cải tiến IPC này có nghĩa là AMD có thể cạnh tranh với xung nhịp lõi cao ngất trời của Intel bằng cách duy trì ở mức dưới 5 GHz về xung nhịp tăng cường. AMD cũng đã chỉ ra những yếu tố đóng góp vào sự gia tăng IPC khổng lồ này. Theo tài liệu quảng cáo, các yếu tố góp phần chính là:

Tìm nạp trước bộ nhớ cache
Công cụ thực thi
Dự đoán chi nhánh
Bộ nhớ đệm Micro-op
Giao diện người dùng
Tải / Lưu trữ

Cải thiện hiệu quả

Do mật độ đáng kinh ngạc của quy trình 7nm của TSMC, AMD đã có thể nạp nhiều năng lượng hơn vào các chip Ryzen trong khi vẫn duy trì mức tiêu thụ điện năng trung bình như cũ. AMD tuyên bố rằng chip Ryzen 5000 series được xây dựng dựa trên quy trình 7nm giống như dòng 3000, tuy nhiên, quá trình này đã được tinh chỉnh và các chip kết quả do đó hiệu quả hơn.

AMD cũng đã đưa ra một tuyên bố táo bạo rằng Ryzen 9 5900X và 5950X sẽ tiêu thụ cùng một lượng điện năng tương ứng với 3900X và 3950X thế hệ trước, mặc dù có xung nhịp cao hơn và IPC được cải tiến. Tài liệu quảng cáo của AMD đã trích dẫn cải tiến "Hiệu suất 2,4 lần trên mỗi Watt" so với kiến trúc Zen ban đầu. Con số này phù hợp với tuyên bố của AMD về mức tiêu thụ điện năng của 5900X và 5950X vì chúng hiện có đồng hồ cao hơn nhưng vẫn có cùng số TDP như người tiền nhiệm.

Silicon tinh chế, đồng hồ cao hơn

Vào cuối vòng đời của dòng Ryzen 3000, AMD đã phát hành một bản làm mới bổ sung 3 CPU vào dòng với nhãn hiệu “XT”. Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT và Ryzen 9 3900XT là những CPU giống hệt như các mẫu cơ bản nhưng có tốc độ xung nhịp cao hơn. Trong khi kết thúc tuổi thọ của sản phẩm, quá trình sản xuất trở nên hoàn thiện và chất lượng silicon trở nên tốt hơn. Điều này có nghĩa là silicon tạo ra các CPU có thể tăng tốc cao hơn và giữ đồng hồ lâu hơn. Đây chính là cách mà dòng CPU XT trở nên khả thi.

Với CPU Zen 3, AMD đã sử dụng cùng một quy trình sản xuất hoàn thiện đó và silicon chất lượng cao hơn để tạo ra các CPU dòng 5000 trên cùng một nút 7nm. Điều này cho phép AMD đẩy xung nhịp lên cao hơn nhiều so với dòng XT của thế hệ trước. Xung nhịp tăng cao hơn, cùng với IPC cao hơn và thiết kế lại bố cục lõi có nghĩa là AMD đã sẵn sàng giải quyết thách thức về hiệu suất đơn luồng. Tốc độ xung nhịp được quảng cáo của 4 bộ vi xử lý dòng Ryzen 5000 như sau:

AMD Ryzen 5 5600X: Cơ sở 3,7 GHz, Tăng 4,6 GHz
AMD Ryzen 7 5800X: Cơ sở 3,8 GHz, Tăng 4,7 GHz
AMD Ryzen 9 5900X: Cơ sở 3,7 GHz, Tăng 4,8 GHz
AMD Ryzen 9 5950X: Cơ sở 3,4 GHz, Tăng 4,9 GHz

Ưu điểm của thiết kế Chiplet

Có nhiều yếu tố giúp AMD có thể tạo ra một bước nhảy vọt giữa các thế hệ đáng kể như vậy. Một trong những điểm quan trọng nhất là thiết kế của chính các chip, cụ thể là bố cục "Chiplet Style" của CPU. Thiết kế này mang lại nhiều ưu điểm chính khi nói đến các cải tiến thế hệ:

Khả năng mở rộng: Do thực tế là các lõi được bố trí bên trong các chiplet trên chất nền, AMD có thể nhồi nhét nhiều lõi hơn vào một gói tương tự mà không có nguy cơ quá nóng. Thiết kế cạnh tranh của Intel đặt tất cả các lõi rất gần nhau, điều này có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng về nhiệt nếu không được định cấu hình đúng cách. Mặt khác, AMD đã thành công trong việc sử dụng thiết kế chiplet này để tạo ra các bộ vi xử lý 6 lõi, 8 lõi, 12 lõi và thậm chí 16 lõi trên nền tảng máy tính để bàn chính thống. Điều này có nghĩa là AMD đã thiết lập sự thống trị về số lượng lõi nhờ thiết kế này.
Dễ phát triển: Một ưu điểm lớn khác của thiết kế này là dễ phát triển. Trong quá trình phát triển kiến trúc Zen 3, AMD đã sử dụng thiết kế cơ sở giống hệt như Zen 2 và sau đó sửa đổi nó. Điều này có nghĩa là thiết kế đã được hoàn thiện ở một mức độ nhất định và AMD có thể dễ dàng cải thiện trong các lĩnh vực chính mà họ đang nhắm đến.
Phát triển 5nm đồng thời: AMD cũng chỉ ra rằng kế hoạch trong tương lai của họ đối với CPU Ryzen dựa trên kiến trúc 5nm cũng đang đi đúng hướng. Điều này là do kiến trúc thiết kế chiplet cho phép AMD chạy nhiều luồng phát triển đồng thời. AMD tự tin rằng quy trình 5nm của họ sẽ đến đúng như kế hoạch, giống như kiến trúc Zen 3 và Zen 2 dựa trên quy trình 7nm đã làm.

Kết quả mong đợi

Bộ vi xử lý dòng Ryzen 5000 dựa trên Zen 3 hứa hẹn sẽ trở thành những người dẫn đầu ngành không chỉ về khối lượng công việc đa luồng mà còn trong lĩnh vực chơi game. Lần đầu tiên kể từ năm 2006, AMD chính thức soán ngôi Intel trong cuộc đua giành hiệu suất chơi game tốt nhất tuyệt đối (theo tuyên bố của AMD). AMD cũng đã tuyên bố có hiệu suất đơn luồng cao nhất so với bất kỳ chip máy tính để bàn nào với Ryzen 9 5950X, theo sau là Ryzen 9 5900X. Hãy cùng xem kết quả mong đợi từ những cải tiến kiến trúc do Zen 3 mang lại.

Lãnh đạo trong trò chơi

Với cải tiến IPC khổng lồ 19%, tăng xung nhịp lõi và hệ thống phức hợp lõi được thiết kế lại, AMD đã tạo ra một bước nhảy vọt về hiệu suất chơi game thế hệ này. Mặc dù Zen 2 có sức cạnh tranh hợp lý với các sản phẩm của Intel, nhưng Zen 3 có kế hoạch đánh bại hoàn toàn Intel trong tất cả các khối lượng công việc chơi game. AMD tuyên bố rằng Ryzen 9 5900X trung bình nhanh hơn khoảng 26% so với Ryzen 9 3900X trong các trò chơi. Đây là một bước nhảy vọt khổng lồ có thể thực hiện được chỉ trong một thế hệ.

Hơn nữa, AMD cũng tuyên bố rằng Ryzen 9 5900X nhanh hơn Core i9-10900K khi chơi game. Đây là một tin khá lớn đối với những người hâm mộ AMD và những người đam mê PC nói chung. Điều này hiện nay có nghĩa là các CPU hàng đầu của AMD đánh bại các CPU hàng đầu của Intel trong cả các ứng dụng chơi game và đa nhân. Nó không giúp ích gì cho trường hợp của Intel rằng họ vẫn đang mắc kẹt trên kiến trúc 14nm cổ xưa và bộ xử lý Rocket-Lake thế hệ tiếp theo của họ cũng được đồn đại là trên quy trình 14nm. Trong khi đó, AMD đang khai thác trên tất cả các xi-lanh với các sản phẩm 7nm của họ trong Zen 2 và Zen 3, đồng thời làm việc trên các kế hoạch 5nm dường như cũng đang đi đúng hướng. Điều này có thể có tác động nghiêm trọng đến thị phần CPU máy tính để bàn của Intel.

Cải thiện hiệu suất một luồng

AMD đã có hiệu suất đa lõi tốt hơn trong một thời gian, nhưng điều đó không nhất thiết chuyển thành hiệu suất chơi game tốt hơn do thực tế là các trò chơi hiện đại không sử dụng hiệu quả tất cả các lõi. Nhiều trò chơi có một chủ đề thống trị, thường được gọi là “chuỗi thế giới”, được sử dụng nhiều nhất. Chuỗi thế giới rất nhạy cảm với độ trễ và hiệu suất lõi đơn. Nhờ thiết kế lại kiến trúc của AMD, độ trễ đã được giảm đáng kể, do đó cải thiện hàng loạt hiệu suất của luồng thống trị này. Điều này đã giúp AMD dẫn đầu trong các kịch bản chơi game.

Điều này cũng có nghĩa là hiệu suất đơn luồng của AMD hiện vượt trội hơn rất nhiều so với Intel. Trên thực tế, AMD đã cho thấy điểm Cinebench lõi đơn ấn tượng là 640 cho Ryzen 9 5950X, theo sau là điểm 631 của Ryzen 9 5900X. Những cải tiến này cũng có thể do thiết kế lại phức hợp lõi kiến trúc, giảm độ trễ và đồng hồ tăng cao hơn của kiến trúc Zen 3. Đọc thêm về hiệu suất đơn luồng của bộ vi xử lý dòng Ryzen 5000 trong bài viết này.

Hiệu suất đa luồng thậm chí còn cao hơn

Tiếp tục thống trị phân khúc hiệu năng đa luồng, AMD lại tiếp tục cho thấy những con số ấn tượng đối với bộ vi xử lý dòng Ryzen 5000 dựa trên Zen 3 của mình. Đặc biệt, Ryzen 9 5900X 12 lõi và Ryzen 9 5950X có hiệu suất vô song trong các khối lượng công việc nặng về lõi. AMD cũng đã thực hiện một số chỉnh sửa, cho phép 5950X trở thành bộ xử lý máy tính để bàn nhanh nhất cho công việc CAD, lần đầu tiên. AMD coi đây là bộ xử lý chơi game tốt nhất VÀ bộ xử lý tốt nhất để tạo nội dung, và thật khó để tranh luận với tuyên bố đó. AMD tuyên bố hiệu suất ấn tượng hơn 12% trong việc hiển thị khối lượng công việc so với 3950X. Điều này làm cho bộ xử lý này trở thành một con thú tuyệt đối cho những người cố gắng đạt được những gì tốt nhất mà máy tính để bàn cung cấp.

Hồi chuông cảnh báo cho Intel?

Không nghi ngờ gì về việc AMD đã và đang cải tiến dòng vi xử lý Ryzen của họ với tốc độ gần như chóng mặt. Họ đã cung cấp những cải tiến hiệu suất lớn từ thế hệ này sang thế hệ khác và Zen 3 hứa hẹn sẽ là bước nhảy vọt lớn nhất của họ. Mặc dù bộ vi xử lý dòng Ryzen 3000 mang lại giá trị tuyệt vời về số lượng lõi và giá cả, chúng vẫn đứng sau Intel trong một khối lượng công việc chính: Chơi game. AMD đã thiết lập vị trí dẫn đầu mạnh mẽ trong hầu hết các khía cạnh khác của thị trường máy tính để bàn, bao gồm hiển thị, mã hóa, sản xuất video hoặc phát trực tuyến, nhưng họ cần phải vượt qua Intel trong lĩnh vực chơi game để thực sự trở thành bộ xử lý tốt nhất không thể tranh cãi.

Nhờ thiết kế kiến trúc tuyệt vời của bộ vi xử lý Ryzen, quy trình 7nm của TSMC, cùng với việc lập kế hoạch và thực hiện xuất sắc của nhóm phát triển AMD, cuối cùng họ cũng đã làm được điều đó với Zen 3. Lần ra mắt này hẳn đang gióng lên hồi chuông cảnh báo tại trụ sở Intel. Intel là một công ty lớn và không có lý do gì mà họ không đáp ứng điều này, nhưng chắc chắn họ đã tụt hậu so với AMD về tốc độ phát triển. Rào cản chính mà Intel phải giải quyết là quy trình 14nm lâu đời mà họ đã sử dụng kể từ Skylake.

Intel đã có những vấn đề được ghi nhận rõ ràng với quy trình 10nm của mình và do đó họ chưa thể tung ra các chip dành cho máy tính để bàn dựa trên kiến trúc đó. Tuy nhiên, tình hình có thể sẽ sớm thay đổi khi Intel đã phát hành thành công các CPU máy tính xách tay gần đây của họ có tên mã là “Tiger Lake” dựa trên kiến trúc 10nm. Những con chip máy tính xách tay này mang đến những cải tiến lớn về cả hiệu suất và hiệu suất so với thế hệ trước, và rất có thể Intel đang làm việc để chuyển quá trình này sang các CPU máy tính để bàn. Nếu Intel quản lý để đưa quy trình 10nm của họ hoạt động, những năm tới sẽ rất thú vị đối với những người đam mê hiệu suất CPU.