AMD Ryzen 7 3700X & Ryzen 9 3900X review: Intel voorbij?!

Architectuur: 'Zen 2'

De cpu-chiplets in de 3^e generatie Ryzen-processors maken gebruik van de 2^e generatie van de Zen processorarchitectuur, kortweg Zen 2. Tijdens Computex maakte AMD al bekend dat het voor Zen 2 opnieuw een flinke stap voorwaarts qua prestaties heeft bewerkstelligd. De zogenaamde IPC, het gemiddeld aantal instructies dat per klokslag voltooid wordt, is met 15% toegenomen. Tel daar de prestatiewinst bij op die te behalen is met de hogere klokfrequenties dankzij het 7 nm procedé, en je komt op een totale prestatiewinst van zo’n 21%. Dat is volgens AMD voldoende om het gat dat er nog met Intel was op het vlak van single-threaded prestaties eindelijk te dichten.

De Zen 2 architectuur (of eigenlijk micro-architectuur) is een doorontwikkeling van Zen, waarbij AMD verschillende bottlenecks in het oorspronkelijke ontwerp heeft opgelost en tegelijkertijd met dank aan de kleinere 7nm-transistors op belangrijke plekken extra functionaliteit heeft toegevoegd. Onderstaande afbeelding toont het blokschema van de Zen 2 core met de belangrijkste verschillen ten opzichte van Zen 1 opgesomd. Zo is er een nieuwe branch predictor, een grotere micro-op cache, meer L3-cache, een extra address generation unit en een nieuwe floating point unit, die 256-bit tegelijkertijd kan verwerken. We zullende de verschillende onderdelen één voor één bekijken.

Hoe je processor zichzelf maximaal benut

Om het nut van de verschillende aanpassingen te begrijpen, eerst even een klein stukje herhaling van hoe moderne processors in staat zijn hoge prestaties te behalen. Als er één belangrijk adagium is om processors zo snel en efficiënt mogelijk te krijgen, dan is het ervoor zorgen dat alle chiponderdelen op ieder moment nuttig werk kunnen verrichten. Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Zo heeft een processor bijvoorbeeld meerdere execution units, onderdelen die daadwerkelijk berekeningen kunnen uitvoeren, die elk slechts een beperkt aantal taken kunnen uitvoeren.

Zo zijn er specifieke execution units voor berekeningen met integers (gehele getallen), berekeningen met floating point getallen (getallen met komma) en voor instructies die met geheugen van doen hebben. De truc is ervoor zorgen dat op ieder moment in tijd zoveel mogelijk execution units nuttig werk kunnen verrichten. Mocht een programma op een bepaald moment echter niet voldoende variëteit aan instructies hebben of mochten de instructies die op dit moment uitgevoerd moeten worden wachten op data uit het geheugen, dan zijn er twee belangrijke trucs die moderne processors toepassen om toch bezig te blijven.

Allereerst worden instructies niet noodzakelijkerwijs in de oorspronkelijke volgorde uitgevoerd: out of order execution in jargon. Om er maar een analogie bij te pakken: een moderne processor zou de Ikea-handleiding voor het in elkaar zetten van een dressoir erbij pakken en daarna zélf de optimale volgorde van alle handelingen bepalen. Wat een processor ook kan doen, is alvast vooruit werken: is er even geen werk dat nu direct moet gebeuren, dan bekijkt een processor welke instructies voor later klaar staan.

Vooruitwerken brengt echter weer een extra uitdaging mee. Software heeft namelijk vertakkingen: op basis van bepaalde zaken (de uitkomst van een berekening, de waarde van bepaalde data, etc.) kan een reeks instructies ofwel op de ene manier, ofwel op de andere manier verdergaan. Wanneer een processor vooruit werkt en bij zo’n vertakking (in jargon: een branch) uitkomt, moet gegokt worden welke vertakking vermoedelijk de juiste is, branch prediction in jargon. Een goede voorspelling is cruciaal: mocht uiteindelijk blijken dat de verkeerde beslissing is genomen, dan kan het zijn dat allerhande instructies voor niets zijn uitgevoerd: zonde van de energie, maar bovenal een flinke vertraging, want op zo’n moment moeten alsnog halsoverkop de juiste instructies uit het geheugen worden opgehaald en door de hele pipeline geloodst worden.