Komputasi berkinerja tinggi X86 untuk zaman teknologi kehadiran

Pencarian, pembelajaran mesin, analisis data, pembuatan dan pengiriman konten, augmented reality dan virtual, permainan komputer - daftar tugas intensif sumber daya untuk sistem komputer berkembang setiap hari. Ketika kita berbicara tentang sisi teknologi dari masalah ini, kita membahas dua topik.



Yang pertama adalah kebutuhan yang terus tumbuh untuk meningkatkan kinerja komputasi. Apa pun yang ditawarkan industri semikonduktor, pengguna akhir dengan cepat beradaptasi dengan produk baru dan sekali lagi meminta lebih banyak.

Yang kedua adalah, tentu saja, perubahan pasar. Saya telah bekerja di bidang ini selama lebih dari 30 tahun, dan selama beberapa waktu terakhir banyak perubahan telah terjadi. Mari kita lihat satu contoh saja: munculnya World Wide Web dan antarmuka pengguna grafis mengubah PC dari alat pengolah kata menjadi portal nyata akses ke seluruh dunia, yang secara radikal mengubah kehidupan manusia. Sebagai hasilnya, kami dapat menemukan dan berbagi informasi dengan mudah sehingga sebelumnya tampaknya tidak dapat diakses. Selanjutnya, perangkat menjadi portabel dan mendapat koneksi permanen ke jaringan - pada awalnya itu laptop, dan kemudian smartphone dan tablet. Segera ada ledakan nyata dalam popularitas aplikasi, dan sejumlah besar data yang perlu disimpan, diproses dan dianalisis bahkan memerlukan kinerja komputasi yang lebih.

Empat tahun lalu, AMD mulai merenovasi arsitektur inti x86 berkinerja tinggi untuk memenuhi kebutuhan yang terus meningkat ini. Keluarga prosesor kami sebelumnya telah menunjukkan keberhasilan yang signifikan di bidang efisiensi energi, tetapi chip ini tidak siap untuk memberikan tingkat yang diperlukan untuk mendukung aplikasi kinerja yang menuntut. Berdasarkan tugas ini, kami membuat kode desain kernel bernama "Zen" secara harfiah dari awal.



Saat merancang Zen, kami ingin mengembangkan inti baru dan modern dalam segala hal. Arsitektur telah dioptimalkan untuk mencapai kinerja, throughput, dan efisiensi energi yang lebih tinggi sehingga prosesor dapat mengatasi aplikasi yang paling menuntut. Akibatnya, Zen ternyata menjadi solusi yang jauh lebih produktif, menandai kembalinya AMD ke pasar sistem kinerja tinggi, menunjukkan pelaksanaan 40% lebih banyak instruksi per siklus tanpa meningkatkan konsumsi energi ¹. Tujuan ambisius ini dicapai oleh kami melalui penekanan yang terfokus pada kinerja dan konsumsi energi. Mikroarsitektur yang baru dikembangkan mencakup perubahan signifikan di bidang pemrosesan instruksi, skema operasi modul eksekutif dan subsistem cache untuk mempercepat pelaksanaan tugas dan pekerjaan paralelnya. Seperti yang kami tunjukkan di Konferensi Hot Chips Universitas Stanford 2016, Zen menghadirkan peningkatan prediksi cabang, memilih instruksi yang tepat, dan bekerja dengan cache micro-op untuk lebih baik mengikuti instruksi ini. Juga, arsitektur baru mendukung 75% kedalaman perencanaan yang lebih besar, meningkatkan jumlah instruksi, dan juga mengeksekusi lebih banyak instruksi secara paralel, berkat peningkatan lebar instruksi sebesar 50% dibandingkan dengan generasi core sebelumnya. Kombinasi ini memberikan peningkatan besar dalam daya pemrosesan per siklus.

Tetapi jika Anda memiliki mesin yang kuat, Anda perlu mengisi bahan bakar itu. Kami dengan kondis menyebut proses ini "memberi makan binatang". Dan dalam kasus kami, bahan bakar adalah data dan instruksi yang diterima dari memori. Kami mendesain ulang hierarki cache, menyediakan chip dengan cache L3 8 MB, cache L2 bersama untuk instruksi dan data, serta volume cache yang terpisah dengan latensi rendah untuk perintah dan data. Satu inti sekarang dapat bekerja dengan cache lima kali lebih cepat dari pada arsitektur sebelumnya.



Pre-fetcher Zen Kernel memainkan peran penting dalam bandwidth dan mewujudkan salah satu alur kerja paling canggih yang dirancang untuk prosesor. Pre-fetcher mengasumsikan dan menentukan instruksi mana yang akan diperlukan pada langkah selanjutnya, berdasarkan data tentang tugas saat ini. Seberapa baik Anda mengimplementasikan rencana Anda, dan seberapa cepat Anda dapat memperbaiki kesalahan tidak hanya masalah sains, tetapi juga seni, dan dalam kasus Zen, kami telah mencapai hasil yang mengesankan dalam aspek ini.

Peningkatan signifikan dalam bandwidth di Zen dibandingkan dengan generasi prosesor sebelumnya adalah karena transisi ke arsitektur multithreading paralel (SMT). Pendekatan ini memungkinkan kernel untuk melacak tugas-tugas dalam program, dan ketika tugas dijeda, menunggu perintah lain untuk dieksekusi atau data diterima, tugas lain diambil untuk diproses, yang tidak dalam mode siaga. Dengan demikian, dari sudut pandang perangkat lunak, kami mendapatkan sumber daya prosesor tambahan saat mode SMT aktif.

Akhirnya, meningkatkan efisiensi energi. CPU Zen telah dirancang untuk digunakan di berbagai perangkat, dari laptop yang didinginkan secara pasif hingga superkomputer, dan semuanya membutuhkan efisiensi energi yang tinggi. Di dunia di mana peningkatan 10% dalam produktivitas dianggap signifikan, tujuan kami untuk meningkatkan 40% dalam produktivitas tanpa peningkatan daya tambahan tampaknya sekilas mustahil. Namun, insinyur AMD fokus pada tugas dan menemukan cara baru untuk mengurangi konsumsi daya dan mengoptimalkan arsitektur mikro, dan juga menerapkan skema kontrol frekuensi clock yang lebih maju.

Keinginan untuk meningkatkan efisiensi energi dibangun ke dalam produk sejak awal: ketika membuat desain baru, para insinyur berusaha menyelamatkan setiap microwatt, dan setiap sirkuit dioptimalkan dalam hal daya. Akibatnya, bahkan jika sebagian kecil prosesor tidak terlibat dalam pekerjaan aktif, itu sepenuhnya dimatikan untuk mencegah konsumsi daya yang berlebihan, tetapi ketika Anda mempercepat frekuensi jam dan menambah beban, prosesor menunjukkan kinerja per watt yang sangat tinggi. Selain itu, Zen diproduksi menggunakan teknologi proses FinFET 14nm yang baru. Transistor FinFET lebih kecil, lebih ekonomis, dan lebih efisien daripada rekan generasi sebelumnya. Solusi pemenang dari mitra industri kami ini memungkinkan kami untuk mencapai efek maksimum dalam implementasi mikroarsitektur inti komputasi baru.Dan kemungkinan modifikasi pada transistor FinFET memungkinkan Anda untuk membuat berbagai solusi: dari daya rendah dengan konsumsi rendah, hingga chip untuk beban besar dengan frekuensi dan kinerja yang lebih tinggi.

Apa hasil semua inovasi ini akan membawa pada akhirnya akan menjadi jelas tahun depan, ketika produk pertama dengan prosesor berbasis core Zen akan muncul di pasar, tetapi hari ini kita dapat mengatakan bahwa tes laboratorium mengesankan kita. Kami baru-baru ini mendemonstrasikan prosesor desktop Summit Ridge 8-core / 16-thread dan prosesor server 32-core / 64-thread Naples. Kedua prosesor dengan core Zen ini memungkinkan kami untuk sangat optimis tentang masa depan. Penting juga untuk dipahami bahwa Zen hanyalah langkah menengah menuju masa depan komputasi kinerja tinggi AMD x86. Rencana pengembangan kami mencakup generasi chip berikutnya dengan peningkatan tambahan, dan tim kami sudah mengerjakan proyek-proyek baru hari ini,karena perubahan yang konstan dan tren peningkatan produktivitas terus mengatur laju perkembangan industri.

, - AMD


^{Zen x86 «Excavator» x86.}

Source: https://habr.com/ru/post/id399941/