AMD Zen

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.

Arkkitehtuuri 

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. 

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”), tulossa 2024

Uudistuneita ominaisuuksia 

Suorittimen symmetrisellä monisäikeistyksellä (SMT) voidaan ajaa kahta säiettä samalla suoritinytimellä. 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.

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 

Ryzen 5 -sarja

Toinen sukupolvi 

Toisen sukupolven Ryzen-mallit ovat:

Toisen sukupolven malleissa on korkeammat kellotaajuudet sekä mukana tuleva jäähdytinsiili.

Kolmas sukupolvi 
AMD kertoi kolmannen sukupolven Ryzen-suorittimien tulosta CES 2019 -messuilla. Koodinimellä Matisse tunnetut suorittimet käyttävät 7 nm tekniikalla valmistettua suoritinta ja 14 nm tekniikalla valmistettua IO-piiriä. Suoritin käyttää samaa AM4-kantaa kuin aiemmat sukupolvet ja lisää tuen PCI Express 4.0 -väylälle. Kolmannen sukupolven mallit tulivat markkinoille kesällä 2019.

Kolmannen sukupolven mallit ovat:

Kolmannen sukupolven malleissa on 24 PCI Express 4.0 linjaa.

Ryzen 5000 
Zen 3 -arkkitehtuuriin perustuvien Ryzen 5000 -sarjan suorittimien julkaisusta kerrottiin lokakuussa 2020. Uudet suorittimet tarjoavat 19 % parannuksen IPC-suorituskyvyssä. Zen 3 -arkkitehtuurissa AMD on yhdistänyt kaksi neljän ytimen rakennetta yhdeksi kahdeksan ytimen rakenteeksi, jolloin kahdeksan ydintä saavat pääsyn samaan L3-tason välimuistiin. Latenssi välimuistin käytössä on parantunut.
Suorittimien valmistuksessa käytetään seitsemän nanometrin prosessia, jonka AMD on lisensoinut TSMC:ltä. Valmistusprosessin parannuksen myötä suorittimissa on 2,4-kertainen suorituskyky wattia kohden verrattuna aiempaan Ryzen-sukupolveen. Ryzen 5 ja Ryzen 7 -sarjat käyttävät yhtä chiplet piiriä ja Ryzen 9 -sarja kahta. IO-piiri on sama kuin edellisessä sukupolvessa, jossa on 24 PCI Express 4.0 -linjaa.

Ryzen 5000 -sarjan mallit:

Ryzen 6000 
Zen 3+ -arkkitehtuuriin perustuvien Ryzen 6000 -sarja suorittimien julkaisusta kerrottiin tammikuussa 2022. Parannuksina mainitaan kannettavien tietokoneiden akun kesto sekä grafiikkasuorituskyky. Suorittimen sanotaan kykenevän 24 tunnin akun kestoon, kun aiemmin x86-arkkitehtuuriin perustuvilla suorittimilla "koko päivän" kestolla sekä Intel että AMD ovat viitanneet työpäivän pituuteen. 6000-sarjassa on RDNA2-arkkitehtuurin grafiikkasuoritin. Suorittimet valmistetaan TSMC:n 6 nanometrin prosessilla. Zen 3+ -arkkitehtuurissa on useita uusia virrankäytön hallintaan tähtääviä ominaisuuksia. Suorittimissa on tukea muun muassa PCI Express 4.0 ja DDR5 -standardeille.

Ryzen 7000 
Zen 4 -arkkitehtuuriin perustuva Ryzen 7000 -sarja valmistetaan 5 nanometrin tekniikalla. Zen 4 tukee PCI Express 5.0 -väylää, DDR5-muistia ja se käyttää uutta AM5-suoritinkantaa. 7000-sarjassa on 24 PCIe 5.0 -linjaa.
AM5-kanta käyttää Land Grid Array (LGA) -ratkaisua, jota on käytetty myös Epyc- ja Threadripper-suorittimien kanssa.
AMD:n mukaan Zen 4 suorittaa 13 prosenttia enemmän käskyjä kellojaksoa kohden (IPC) kuin Zen 3 -arkkitehtuuri sekä kellotaajuudet ovat merkittävästi korkeammat. Ryzen 9 7950X saavuttaa 16 prosenttia korkeamman kellotaajuuden kuin Ryzen 9 5950X. Tuloksena AMD odottaa 29 prosentin suorituskyvyn kasvua yksisäikeisissä kuormituksissa ja vielä enemmän monisäikeisissä kuormituksissa.

Ryzen 7000 -sarjan mallit ovat:

Threadripper 

Threadripper on Zen-arkkitehtuuriin perustuva suoritin, jossa on suurempi määrä ytimiä kuin Ryzen-malleissa:
Threadripper on toteutettu MCM-ratkaisulla jossa saman paketin sisällä on kaksi erillistä piilastua, joilla molemmilla on 8 ydintä ja 2-kanavainen muistiohjain, jolloin maksimimäärä ytimiä on 16 ja muistikanavia on yhteensä neljä.
Threadripper-mallit käyttävät TR4-suoritinkantaa, toisin kuin Ryzen-mallit jotka käyttävät AM4-kantaa. Mallit ovat:

Toisen sukupolven Threadripper-suorittimessa on vahvistettu olevan 32 ydintä ja 64 säiettä. Toisen sukupolven Threadripper-suorittimen mallit ovat:

Kolmannen sukupolven Threadripper-suoritin perustuu Zen 2 -arkkitehtuurille ja valmistetaan seitsemän nanometrin tekniikalla:

AMD vahvisti 64-ytimisen Threadripper 3990X mallin tulevan myyntiin vuonna 2020. 64-ytiminen 3990WX-malli tuli myyntiin 7. helmikuuta 2020.

Heinäkuussa 2020 AMD ilmoitti Threadripper Pro -mallien julkaisusta. Pro-mallit muistuttavat Epyc-malleja mutta ovat yhden suoritinkannan järjestelmiin. Mallit ovat suunnattu työasematietokoneiden valmistajille. Lenovo on ilmoittanut ensimmäisenä asiakkaana käyttävänsä suoritinmalleja tulevassa ThinkStation P620 -mallissa. Pro-mallit:

Epyc

Cray on ilmoittanut AMD Epyc -suorittimilla varustettujen Cray CS500 -tietokoneiden saatavuudesta, jotka soveltuvat korkeaa muistikaistaa vaativiin käyttökohteisiin. AMD on kertonut Epyc-suorittimia käytettävän vuonna 2023 valmistuvassa eksaluokan supertietokoneessa El Capitan.

Epyc-suorittimien sukupolvet ovat:

Ensimmäinen sukupolvi 
Zen-arkkitehtuuriin perustuen on julkaistu 32 ytimen Epyc-palvelinmallisto, jossa samaan MCM-paketointiin on laitettu neljä kahdeksan ytimen mikropiiriä. Naples käyttää AMD:n uutta Infinity Fabric -väylää ja se tukee moniprosessointia.

Epyc-suorittimien mallit sisältävät Zen-ytimiä kahdeksasta kappaleesta 32:een kappaleeseen saakka, jotka ovat:

Yhden suoritinkannan järjestelmiin tarkoitetut mallit:

Lisäksi malleissa on eroja käytetyssä kellotaajuudessa.

Toinen sukupolvi 
Toisen sukupolven Epyc-suorittimet käyttävät nimeä Rome ja on julkaistu vuoden 2019 kolmannella neljänneksellä. Toisen sukupolven Epyc-mallit tukevat AMD:n Secure Encryption Virtualization (SEV) -tekniikkaa, joka salaa kaiken virtuaalikoneissa käytetyn muistin virtuaalikonekohtaisesti. 
Toisen sukupolven Epyc-suorittimet:

Kolmas sukupolvi 

Kolmannen sukupolven Epyc-mallit (Milan) käyttää Zen 3 -arkkitehtuuria. Suorittimissa on 19 prosenttia parempi suoritukyky ja enintään 64 ydintä 128 säikeellä. Suorittimet suunnitellaan kahdeksalla chiplet-piirillä, joissa on jokaisessa kahdeksan ydintä. Muutoksia aiempaan Rome-malliin on ytimien kytkennässä ja alemmassa välimuistin latenssissa. Suorittimissa on 128 PCI Express 4.0 -linjaa ja kahdeksan muistikanavaa.

Ydinkohtaiselle suorituskyvylle optimoidut F-sarjan mallit:

Ytimien määrälle optimoidut mallit:

Muut mallit:

Neljäs sukupolvi 
Neljännen sukupolven Epyc-mallit (Genoa) perustuvat Zen 4 -arkkitehtuuriin ja ne julkaistiin virallisesti 10. marraskuuta 2022. Genoa-mallit käyttävät Zen 4 -arkkitehtuuria ja ne tukevat DDR5-muistia sekä PCI Express 5.0- ja Compute Express Link (CXL) -standardeja. Suurin ytimien määrä on 96 ydintä per suoritin kun edellisessä Milan-sukupolvessa oli enintään 64 ydintä per suoritin. Käskyjen määrä kellojaksoa kohden on kasvanut ja kellotaajuus on noussut. Genoassa on 12 DDR5-kanavaa ja se tukee enintään 6 teratavua muistia. Genoassa on 160 PCIe 5.0-linjaa sekä 64 CXL linjaa.

AMD APU-mallit 
AMD APU-malliston suorittimet sisältävät Zen-prosessoriytimiä ja grafiikkasuorittimen (GPU) integroituna samalle suorittimelle.

APU-malleissa samalle piirille integroidaan Radeon Vega -arkkitehtuurin GPU.

Ryzen 4000 
CES 2020 -messuilla AMD esitteli Ryzen 4000 -sarjan APU-malleja, jotka ovat saatavilla 15W U-sarjana ja 45W H-sarjana:

Heinäkuussa 2020 AMD julkaisi työpöytäkäyttöön suunnatut APU-mallit aiempien mobiilikäyttöön suunnattujen rinnalle. Mallit ovat:

Ryzen 5000 

Tammikuussa 2021 AMD esitteli Ryzen 5000 -sarjan mobiilisuorittimet, joissa on Zen 3 -sukupolven suoritinytimet aiemman Zen 2 -sukupolven sijaan sekä aiemminkin käytössä ollut Vega-GPU. Mallit ovat:

Ryzen 6000 

Tammikuussa 2022 AMD kertoi Ryzen 6000 -sarjan APU-malleista, joissa on RDNA2-grafiikkaprosessori ja Zen 3+ -arkkitehtuurin suoritinytimiä. Zen 3+ -arkkitehtuurissa on parannuksia virrankäytön hallintaan, mutta säilyttää Zen 3 -arkkitehtuurin suorituskyvyn. Mallit ovat:

Lähteet 

AMD:n suorittimet