Zen on koodinimi AMD:n suorittimien mikroarkkitehtuurille, jota käytettiin ensimmäistä kertaa yhtiön Ryzen-tuotesarjan prosessoreissa helmikuusta 2017 alkaen. Arkkitehtuuri on suunniteltu puhtaalta pöydältä edellisen sukupolven Bulldozer-arkkitehtuurista poiketen. Zen-ytimet pystyvät suorittamaan enemmän käskyjä kellojaksoa kohden hyödyntämällä SMT-arkkitehtuuria, jolloin jokainen ydin kykenee suorittamaan kahta säiettä samanaikaisesti. Zen-pohjaiset suorittimet käyttävät AM4-suoritinkantaa ja DDR4-muistia. Vuonna 2022 julkaistut Zen 4 -arkkitehtuurin suorittimet käyttävät AM5-suoritinkantaa sekä DDR5-muistia.
Zen-arkkitehtuurin suunnittelussa AMD keskittyi kolmeen kokonaisuuteen, jotka ovat suorituskykyisempi prosessoriydin, parempi välimuistihierarkia sekä alhaisempi virrankulutus. AMD:n konkreettisena tavoitteena oli saavuttaa 40 % parannus Instructions Per Clock- eli IPC-suorituskyvyssä Bulldozer-arkkitehtuurin Excavator-ytimeen verrattuna. Maaliskuussa 2017 AMD ilmoitti yltäneensä 52 % parannukseen omiin testeihin vedoten.
AMD:n mukaan vuoteen 2020 mennessä on toimitettu 260 miljoonaa Zen-ydintä.
Suunnittelu Zen-arkkitehtuurin suunnittelu alkoi vuonna 2012 Jim Kellerin palauttua AMD:lle. Zen-ryhmän johtaja oli Suzanne Plummer ja pääsuunnittelija oli Michael Clark. AMD paljasti Zen-arkkitehtuurin sijoittajille vuonna 2015. Ensimmäiset Zen-arkkitehtuuria käyttävät Ryzen-suorittimet tulivat markkinoille vuonna 2017.
Arkkitehtuuri pienoiskuva|Yksinkertaistettu kaavio Zen-arkkitehtuurista.
Jokaisella ytimellä on oma 64 KB L1-käskyvälimuisti ja 32 KB L1-datavälimuisti. Ytimillä on yhdistetty 512 KB L2-välimuisti ja useammalla ytimellä on yhteinen L3-välimuisti. Suorittimen L3-välimuisti on 16-tie assosiatiivinen.
Epyc-prosessoreissa L1-tason käskyvälimuisti on 4-tie assosiatiivinen ja L1-tason datavälimuisti on 8-tie assosiatiivinen. L1-datavälimuisti on takaisinkirjoittavaa, joka tukee kahta 128-bittistä lukua ja yhden 128-bittisen kirjoituksen kellojaksoa kohden. Lisäksi L1-tason välimuisti on suojauttu virheiltä virheenkorjauskoodilla (ECC).
Zen-mikroarkkitehtuuri dekoodaa neljä käskyä kellojaksossa. Mikroarkkitehtuurissa on kaksi lataus/tallennusyksikköä ja neljä kokonaislukuyksikköä. Mikroarkkitehtuuri suorittaa kuusi käskyä kellojaksoa kohden. Lataus/tallennus tukee tukee 72:ta epäjärjestyksessä () lataamista ja 44:n tallennuksen jonoa. Suorittimen matematiikkasuoritin koostuu kahdesta 128-bittisestä yhteenlaskuyksiköstä ja kahdesta 128-bittisestä kertolaskuyksiköstä.
Zen 5 -mikroarkkitehtuurissa ALU-yksiköiden määrä nousee aiemmasta neljästä kuuteen ja kokonaislukuyksikkö voi lähettää ja lomauttaa kahdeksan käskyä kellojaksoa kohden aiemman kuuden (Zen 4) sijaan. AVX-512 käskyt suoritetaan yhtenä 512-bittisenä ilman jakamista kahdeksi kuten aiemmin. Muutoksien myötä käskyjen määrä kellojaksoa kohden (IPC) nousee 16 prosenttia Zen 4 -mikroarkkitehtuuriin verrattuna. Käskyjen dekoodaaminen on tehokkaampi ja L1-tason välimuistin kaistanleveys on kaksinkertainen aiempaan verrattuna. Zen 5 tukee enintään 192 ydintä ja 384 säiettä. L1-tason datavälimuisti kasvaa 48 KB ja 12-tie assosiatiiviseksi.
Suoritinkompleksi (, CCX) sisältää neljä ydintä yhdistettynä L3-tason välimuistiin. Zen 3 -arkkitehtuurissa on kahdeksan ydintä yhdessä kompleksissa yhdistettynä L3-tason välimuistiin.
Zen-ytimien versiot ja koodinimet: Zen (ensimmäinen sukupolvi, ”Summit Ridge”), Ryzen 1000 -sarja Zen+ (”Pinnacle Ridge”), Ryzen 2000 -sarja Zen 2 (”Matisse”), Ryzen 3000 -sarja Zen 3 (”Vermeer”), Ryzen 5000 -sarja Zen 3+, Ryzen 6000 -sarja Zen 4 (”Raphael”), Ryzen 7000 -sarja Zen 5 (”Granite Ridge”), Ryzen 9000 -sarja
Lisäksi AMD:llä on ”Zen 4c” -ytimiä, jotka on tarkoitettu pienempään tilaan kellotaajuuksien jäädessä myös alhaisemmaksi. Zen 4c -ytimet julkaistiin EPYC "Bergamo" -mallien yhteydessä ja käytetään myös 7040U-sarjassa. Pienemmän pinta-alan käytön myötä ytimen energiatehokkuus on parempi samalla valmistusprosessilla ja muilla samoilla ominaisuuksilla. Zen 5 -mikroarkkitehtuurin myötä tulevat myös ”Zen 5c” -ytimet.
Uudistuneita ominaisuuksia
Suorittimen symmetrisellä monisäikeistyksellä (SMT) voidaan ajaa kahta säiettä samalla suoritinytimellä.http://techfrag.com/2015/05/08/amd-zen-confirmed-for-2016-features-40-ipc-improvement-over-excavator/# Zen käyttää aitoa samanaikaista monisäikeistystä ja käytössä on eri tekniikoita jotta säikeet eivät estä toisiaan. Säie voidaan merkitä korkeammalle prioriteetille kun tehtävä on herkkä latenssille. Aiemmin AMD käytti "klusterimaista" monisäikeistystä (CMT).
Zen-arkkitehtuurissa kellojaksoa kohti suoritettavien käskyjen määrä kasvanut keskimäärin 52 % verrattuna aiempaan Excavator-ytimeen. Tavoitteena oli vähintään 40 % parannus. Zen 4 suorittaa keskimäärin 13 prosenttia enemmän käskyjä kellojaksoa kohden (IPC) kuin Zen 3 -arkkitehtuuri. Kuormituksesta riippuen tämä voi vaihdella tehtävän mukaan 1–39 prosentin parannuksena. AMD:n mukaan virrankäyttö on parantunut ja verrattuna aiempaan samaan suorituskykyyn parhaimmillaan riittää puolet aiemmasta virrasta sekä vastaavasti parempi suorituskyky samalla virrankäytöllä.
Muistituki Zen-arkkitehtuurin suorittimet tukevat DDR4-muistia. Zen 4 -arkkitehtuurin suorittimissa on tuki DDR5-muistille.
EXPO (EXtended Profiles for Overclocking) on AMD:n uusi muistiprofiili, jota tuetaan Ryzen 7000 -suorittimissa DDR5-muistien kanssa.
Infinity Fabric Infinity Fabric korvaa aiemmin käytetyn HyperTransport-väylän ja se tukee NUMA-muistiarkkitehtuuria moniprosessointiin.
Käskykantalaajennokset
Zen-suorittimet ottavat käyttöön uusia, Excavator-suorittimessa poissa käytöstä olleita käskykantalaajennuksia, kuten ADX, RDSEED, SMAP, SHA1, XSAVEC, CLZERO ja PTE.
Zen-arkkitehtuurissa suoritin pystyy laskemaan AVX-käskykantalaajennoksen 256-bittisillä vektoreilla pilkkomalla nämä kahteen osaan, joka on Zen 2:ssa laajennettu 256-bittisiksi yhdessä osassa suorittamista varten.
Zen 3 -suorittimet sisältävät AVX2/AVX256 -laajennoksia. Fused Multiply-Accumulate (FMA) on parannettu ja vie yhden kellosyklin vähemmän verrattuna Zen 2:een. Zen 2:ssa vektoripohjaiset AES ja PCLMULQDQ käyttivät AVX-käskyjä (128-bittisiä) ja Zen 3:ssa nämä on päivitetty AVX2-käskyihin (256-bittisiä). Zen 3:ssa on parannuksia käsittelyyn kun käskyä ei suoriteta: Zen 2:ssa käsky nollattin ja ohitettiin kun taas Zen 3:ssa ne havaitaan ja poistetaan dekoodausvaiheessa. Zen 3:ssa useiden käskyjen kohdalla suoritukseen tarvittu kellojaksojen määrä on pienentynyt aiemmasta.
Zen 4:ssä on tuki AVX-512-käskyille, jotka suoritetaan kahdessa osassa, jolloin tarvitaan yhdessä osassa suorittamiseen verrattuna vähemmän transistoreja, lämpöä tuotetaan vähemmän ja kellotaajuutta ei tarvitse laskea lämmöntuoton vuoksi. Zen 5 -arkkitehtuurissa AVX-512-käskyt suoritetaan yhdessä osassa lukuun ottamatta mobiililaitteisiin tarkoitettuja versioita.
Suoritinkanta
Ryzen-suorittimissa on käytössä AM4-suoritinkanta, joka on käytettävissä myös myöhemmissä Zen-sukupolvien suorittimissa. Threadripper-mallit käyttävät kookkaampaa TR4-suoritinkantaa. Zen 4 -arkkitehtuurin Ryzen 7000 -sarjassa on otettu käyttöön uusi AM5-suoritinkanta.
AM5-suoritinkannassa suurin TDP (Thermal Design Power) virtaraja on 170 wattia, mutta suurin PPT (Power Package Tracking) virtaraja on 230 wattia. Zen-suorittimissa 1,35 kerroin on tavallinen ero. Yksi suoritinydin voi käyttää 20–30 wattia virtaa, josta johtuen kellotaajuutta voi tarvita laskea monisäikeisessä kuormituksessa.
Piirisarjatuki
Suorittimen tueksi on alussa kolme piirisarjamallia: X370, B350, A320. Seuraavat julkaistut piirisarjat ovat B450 ja X470 sekä A520, B550 ja X570. 600-sarjan piirisarjat julkaistiin Ryzen 7000 -sarjan myötä ja uudet piirisarjat ovat X670E, X670, B650E ja B650.
Piirisarjamallit eroavat väylätuessa kuten PCI Express 3.0, 4.0 tai 5.0-, USB 3.0/3.2- ja SATA-väylämäärällä vaikuttaen kustannustasoon.
Muistisalaus Secure Memory Encryption (SME) on ominaisuus muistin salaukselle, joka on suunniteltu tiettyjä hyökkäyksiä vastaan. Secure Encrypted Virtualization (SEV) on Epyc-suorittimissa esitelty SME:stä laajennettu ominaisuus muistisalaukselle. Toisen sukupolven Epyc-suorittimet (Rome-mallit) lisäävät SEV-ES ominaisuuden, jolla virtuaalikoneen koko suorittimen tila voidaan salata muilta virtuaalikoneilta sekä itse virtualisointiisännältä. IBM:n vastaava Fully Homomorphic Encryption (FHE) on julkaistu avoimen lähdekoodin ohjelmakirjastona Linuxille ja macOS:lle.
V-Cache V-Cache on AMD:n ja TSMC:n kehittämää tekniikkaa, jossa suorittimeen liitetään pinoamalla piirejä lisäten L3-tason välimuistia. Ryzen 7 5800X3D -mallissa on Ryzen 7 5800X -mallin 32 megatavun välimuisti kasvatettu 96 megatavuun V-Cache-tekniikalla. Epyx 7003X (Milan-X) -mallisarjassa 256 megatavun L3-tason välimuisti on kasvatettu 768 megatavuun verrattuna tavalliseen Epyc Milan -sarjaan.
Valmistus Ensimmäiset Zen-pohjaiset suorittimet valmistettiin GlobalFoundriesin käyttämällä 14 nanometrin FinFET-valmistusprosessilla.
AMD kertoi ensimmäisen sukupolven yhteydessä suunnitelmista arkkitehtuurin jatkamiseksi Zen 2- ja Zen 3 -sukupolvilla sekä tähtäävänsä 7 nanometrin valmistusprosessiin. Huhtikuussa 2018 julkaistiin parannellulla 12 nm valmistustekniikalla valmistettuja Ryzen-malleja. Nämä perustuvat vielä samaan arkkitehtuurin ensimmäiseen versioon, mutta niiden L2-välimuistia on nopeutettu hiukan. AMD on julkaissut 7 nm tekniikalla valmistetut suorittimet, joissa on 14 nm tekniikalla valmistettu IO-piiri. Zen 2 -suorittimet valmistetaan kahdeksan ytimen chiplet-piireinä TSMC:n valmistusprosessilla ja IO-piiri GlobalFoundriesin prosessilla. Zen 3 -suorittimien valmistukseen käytetään TSMC:n 7 nm valmistusprosessia.
Zen 4 -suorittimissa käytetään TSMC:n valmistusprosessia. Tulevissa Zen 5 -suorittimissa AMD suunnittelee käyttävänsä ”kehittynyttä” valmistusprosessia, joka viittaa neljän tai kolmen nanometrin tekniikkaan.
AMD on kertonut erillisen IO-piirin ja useamman suoritinydinpiirin käytön laskevan kustannuksia merkittävästi verrattuna hypoteettisiin yhden piirin suorittimiin. AMD:n mukaan 64-ytimisen Rome-koodinimellä tunnetun Epyc-mallin valmistus ei olisi ollut mahdollista yhtenä siruna. Myös suorituskyvyn kerrotaan olevan parempi kuin yhtenä piirinä. AMD:n mukaan puolijohdeteollisuus on lähellä rajaa miten suuri piisiru voidaan valmistaa. Vaikka suuri piisiru olisi mahdollista sen valmistuskustannukset olisivat hyvin suuret. Chiplet-suunnittelu vaatii enemmän insinöörityötä etukäteen järjestelmäpiirin osioimiseksi oikealle määrälle ja oikean tyyppisille chiplet-piireille. Lisäksi kytkentäväylä vaatii tutkimusta ja tuotekehitystä.
Käyttökohteet Zen-arkkitehtuuriin perustuvia Epyc-malleja on käytössä useissa TOP500-listan supertietokoneissa.
Zen 2 -arkkitehtuuriin perustuva suoritin on käytössä PlayStation 5 -pelikonsolissa. Steam Deck käyttää Zen 2 -arkkitehtuuriin perustuvia ytimiä Aerith-prosessorissa.
Prosessorimallit Ryzen AMD esitteli Ryzen-brändin joulukuussa 2016. Julkaisun yhteydessä AMD kertoi, että mallinimessä numero 3, 5 tai 7 kertoo, mihin markkinasegmenttiin prosessori on suunnattu. Ryzen 7 -sarjan prosessoreissa on käytössä kahdeksan (8) ydintä ja Ryzen 5 -sarjan prosessoreissa puolestaan kuusi (6) tai (4) ydintä.
Nelinumeroisessa mallinimessä ensimmäinen numero viittaa Zen-arkkitehtuurin sukupolveen ja toinen numero suorituskyvyn tasoon. Kaksi seuraavaa numeroa on varattu esimerkiksi eri kellotaajuudella tai välimuistin määrällä varustettuja malleja varten. Viimeinen kirjain kertoo prosessorin tehonkulutuksesta. X-mallit ovat suorituskykyisimpiä XFR:llä Eli Extended Frequency Rangella varustettuja 95 watin TDP-arvolla varustettuja malleja.
Lisäksi AMD on julkaissut 16-ytimisen Threadripper-mallin kesällä 2017.
Ensimmäinen sukupolvi Ryzen 7 -sarja Malli TDP Ytimiä/säikeitä R7 1800X 95W 8 / 16 R7 1700X 95W 8 / 16 R7 1700 65W 8 / 16
Ryzen 5 -sarja