身临其境时代里的高性能x86计算

搜索，机器学习，数据分析，内容创建和交付，增强现实，虚拟现实和游戏 – 这些计算密集型任务列表每天都在变长。当涉及到技术时有两个常量：第一是需要越来越强的计算性能。无论芯片行业提供什么性能产品，终端用户都会快速消费，然后开始寻找性能更强的产品。

第二个常量当然是变化，我在这个行业已经有30年多的时间了，目睹了这个行业的千变万化。让我们看一个例子，随着互联网和图形用户界面的出现，PC从字处理工具成为连接世界的真正网关，这种变化是非常惊人的，它让人们能够前所未有地访问和分享信息。之后借助笔记本电脑，以及现在的智能手机和平板电脑，PC变得更具便携性和连接性。不久之后，来自应用程序和大量数据的爆炸式存储，处理和分析，刺激业界需求更高计算性能。

四年前，AMD开始重新设计自己的高性能x86计算核心架构，用以满足这些日益增长的需求。我们以前产品带来了巨大能效提升，但并没有弥补在高性能应用领域的差距。出于这种需要，AMD全新设计了“Zen”核心。

设计过程当中，在各个方面，我们想要有一个全新且现代的核心，“Zen”核心已经针对性能，吞吐量和能源效率进行优化，可应对最苛刻的应用需求。因此，“Zen”是一个更加强大的引擎，显示AMD已重返高性能计算市场，在功耗不变情况下，“Zen”核心每个时钟指令数量增加40%。这个大胆目标是通过针对性能和功耗集中设计实现的。重新设计的微体系结构在指令处理，执行单元能力和缓存子系统等方面都有重大改进，以加快执行流程和并行性。我们在Hot Chips 2016中已经透露，“Zen”改进了分支预测以选择正确的指令，引入微操作缓存以更好地发出这些指令，同时调度窗口扩大75%，以处理更多指令；和前代核心相比，指令宽度提升50%，可以并行运行更多指令。以上多方面改进，极大提升了每时钟周期计算性能。

一旦你有了高性能引擎，你必须给它提供“燃料”。我们将这一过程称之为“喂养野兽”。在这种情况下，“燃料”就是内存当中的数据和指令。我们重新设计了缓存层次结构，以8MB三级缓存来回应以上需求，使用统一的二级缓存以及单独的低延迟缓存容纳指令和数据。和我们以前的设计相比，专用内核现在可以访问的缓存带宽提升了五倍。

“Zen”预取器对于吞吐量至关重要，这种高度专有设计是处理器设计中最复杂的算法之一。预取器是前瞻性的，并且基于正在执行的当前例程，预测下一步计算需要什么指令。如何提升预测准确性，如何更快地纠正预测错误是一门艺术，我们在“Zen”上做得很好。

和前代设计相比，“Zen”在吞吐量方面有重大改进，采用同步多线程（SMT）设计。该方法使得处理器核心能够跟踪程序内的任务，当任务暂停以等待另一个指令或数据时，它可以先执行无需等待指令和数据的任务。对于软件来说它显示为启用SMT的其他它处理资源。

最后，“Zen”核心提高了能耗效率。“Zen”核心产品涵盖从无风扇笔记本电脑到超级计算机等方面应用，这都需要能耗效率。在一个性能提升10%即为性能显著提升的世界里，功耗不变，性能提升40%的目标似乎无法实现，但AMD工程团队拓展视野，深入研究，发现了更多的省电杠杆，进一步优化微架构，降低能耗，并实施广泛的工作频率管理。

“Zen”核心在设计之初就考虑了能耗效率，工程师专注于提升能耗效率，即便是功耗可以降低微瓦的地方也不放过。每一个电路的功耗都经过优化。处理器可以关闭自身闲置的部分用以降低功耗。但是在任务来临之际，处理器可以恢复全速运行，让用户获得非常快的每瓦性能。此外，“Zen”充分利用全新的14nm FinFET半导体技术，和前代产品相比，这种全新的FinFET晶体管尺寸更小，功耗更低，性能更高，让我们在全新微架构中实现了最大效果。FinFET晶体管具有强大的可扩展性，从低泄漏、低功率的产品到更高电压的高频率、高性能产品不一而足。

明年AMD会拿出“Zen”核心处理器产品，它们将证明以上创新成果。到目前为止，实验室的结果令人印象深刻。我们最近展示了一个8核心/16线程的“Summit Ridge”桌面处理器和使用“Zen”核心拥有32核心/ 64线程的“那不勒斯”服务器平台，因此我们对未来非常乐观。同样重要的是，“Zen”只是对AMD高性能x86计算未来持续承诺当中的第一个里程碑。我们的路线图包括下一代产品，我们的团队已经在设计相应改进。正如文章开头所述，变化和对计算性能的渴求将继续推动行业向前发展。