AMD Zen 2

Zen 2는 AMD의 컴퓨터 프로세서 마이크로아키텍처로, 이전 세대인 Zen 및 Zen+ 아키텍처의 후속 모델이다. 이 아키텍처는 TSMC의 7nm MOSFET 공정으로 제조되었으며, AMD의 라이젠 3000 시리즈 프로세서(코드명 'Matisse')를 비롯하여, 모바일 애플리케이션을 위한 Ryzen 4000U/H 시리즈(코드명 'Renoir')와 Ryzen 5000U 시리즈(코드명 'Lucienne'), 고급 데스크탑 시스템을 위한 Threadripper 3000 시리즈, 그리고 가속 처리 장치(APU)인 Ryzen 4000G 시리즈 등 다양한 제품을 구동한다. Ryzen 3000 시리즈는 2019년 7월 7일에 출시되었고, Zen 2 기반의 Epyc 서버 프로세서(코드명 'Rome')는 2019년 8월 7일에 출시되었으며, 추가적으로 Ryzen 9 3950X는 2019년 11월에 출시되었다.

CES 2019에서 AMD는 8코어, 16스레드를 갖춘 Zen 2 기반의 라이젠 3세대 엔지니어링 샘플을 공개하였다. 당시 AMD의 CEO인 리사 수는 최종 제품 라인업에 8개 이상의 코어가 탑재될 것이라고 예고하였다. 이어서 2019년 6월의 Computex에서 AMD는 Zen 2 아키텍처를 기반으로 최대 12코어를 지원하는 라이젠 3세대 'Matisse' 프로세서를 공개하였으며, E3 2019에서는 16코어를 지원하는 Ryzen 9 3950X를 발표하였다.

Zen 2 아키텍처는 Spectre 보안 취약점에 대한 하드웨어적 대응을 포함하고 있다. Zen 2 기반의 EPYC 서버 프로세서들은 여러 개의 CPU 다이(최대 8개)를 7nm 공정으로 제조한 후, 각 다이를 14nm I/O 다이와 결합하여 멀티칩 모듈(MCM) 형태로 구성되었다. 이를 통해 한 소켓당 최대 64개의 물리적 코어와 128개의 총 컴퓨팅 스레드(동시 멀티스레딩)를 지원할 수 있다. 이 아키텍처는 AMD의 고급 데스크탑용 프로세서인 Threadripper 3990X와 거의 동일한 레이아웃을 가지고 있다. Zen 2는 Zen 및 Zen+ 아키텍처에 비해 클럭당 명령어 처리 성능이 약 15% 향상되었으며, 이는 14nm 및 12nm 공정에서 제조된 첫 번째 및 두 번째 세대 라이젠에 비해 성능이 크게 개선되었음을 의미한다.

Zen 2 기반의 아키텍처는 스팀 덱, 플레이스테이션 5, 엑스박스 시리즈 X 및 시리즈 S와 같은 콘솔 게임기들에서도 채택되었으며, 각 시스템에 맞춘 고유의 수정 사항과 구성 요소들이 적용되었다. 이들 시스템에서 사용되는 칩은 AMD가 상용 제품으로 판매하는 APU들과는 다른 구현 방식을 채택하고 있다.

설계

Zen 2는 AMD의 이전 Zen 아키텍처인 Zen 및 Zen+와는 물리적인 설계 방식에서 큰 변화를 겪었다. Zen 2는 멀티칩 모듈(MCM) 설계를採用하며, CPU의 I/O 관련 구성 요소들이 별도의 다이에 배치되어, 프로세서 코어가 위치한 다이와 분리되어 있다. 이러한 분리는 확장성과 제조성에서 유리한 점이 많다. 물리적인 인터페이스가 공정 기술의 축소에 따라 잘 확장되지 않기 때문에, I/O 관련 구성 요소들을 별도의 다이로 분리함으로써 더 큰, 보다 성숙한 공정 노드에서 제조할 수 있다. CPU 다이(AMD는 이를 코어 컴플렉스 다이(CCD)라고 부른다)는 I/O 구성 요소가 다른 다이로 옮겨짐으로써 크기가 축소되었으며, 이 덕분에 더 적은 제조 결함을 가지게 된다. 또한 더 작은 다이는 한 웨이퍼당 더 많은 칩을 제조할 수 있게 해주며, I/O 다이는 여러 개의 칩렛을 지원할 수 있어, 더 많은 코어를 갖춘 프로세서를 구성하는 데 유리하다.

Zen 2에서 각 CPU 칩렛은 8개의 CPU 코어를 갖추고 있으며, 이들은 각각 4개의 CPU 코어로 구성된 두 개의 코어 컴플렉스(CCX)에 배치된다. 이 칩렛들은 TSMC의 7nm 공정으로 제조되며, 크기는 약 74~80mm²에 달한다. 각 칩렛에는 약 38억 개의 트랜지스터가 탑재되어 있으며, 12nm 공정으로 제조된 I/O 다이는 약 125mm²의 크기와 20억 9천만 개의 트랜지스터를 포함하고 있다. Zen 2 아키텍처에서는 L3 캐시 용량이 두 배로 증가하여, 각 CCX가 16MB의 L3 캐시에 접근할 수 있게 되었다. 이는 Zen 및 Zen+에서의 8MB에서 크게 향상된 부분이다. 또한 AVX2 성능은 실행 유닛의 폭을 128비트에서 256비트로 확장함으로써 크게 개선되었으며, 이는 FPU가 AVX2 계산을 단일 사이클로 처리할 수 있게 만드는 중요한 변화였다.

Zen 2 아키텍처는 인텔의 Cascade Lake 아키텍처에 비해 더 낮은 전력 소비로 더 높은 성능을 제공할 수 있다. 예를 들어, AMD Ryzen Threadripper 3970X는 140W의 TDP로 ECO 모드에서 165W TDP를 가진 인텔 Core i9-10980XE보다 더 나은 성능을 발휘한다.

새로운 기능들

Zen 2는 여러 새로운 명령어 집합 확장을 도입하였다. 예를 들어, WBNOINVD, CLWB, RDPID, RDPRU, MCOMMIT와 같은 명령어들이 추가되었으며, 각 명령어는 고유의 CPUID 비트를 사용한다. 또한 Zen 2는 Spectre V4 사전 예측 저장 우회 취약점에 대한 하드웨어적 완화 기능을 제공한다. 이 외에도 문서화되지 않은 제로 지연 메모리 미러링 최적화와 같은 기능이 존재한다. 또한, 부동 소수점 코프로세서에서 실행 유닛과 로드/스토어 유닛의 폭이 128비트에서 256비트로 확장되었으며, 이로 인해 부동 소수점 연산 성능이 크게 향상되었다.

Zen 2: AMD's Microarchitecture for Computer Processors

Zen 2 is AMD's microarchitecture for computer processors, serving as the successor to the previous Zen and Zen+ architectures. This architecture is manufactured using TSMC's 7nm MOSFET process and powers various products, including AMD's Ryzen 3000 series processors (codename 'Matisse'), mobile Ryzen 4000U/H series (codename 'Renoir'), Ryzen 5000U series (codename 'Lucienne'), high-end desktop systems like the Threadripper 3000 series, and the Ryzen 4000G series Accelerated Processing Units (APUs). The Ryzen 3000 series launched on July 7, 2019, Zen 2-based Epyc server processors (codename 'Rome') launched on August 7, 2019, and the Ryzen 9 3950X was released in November 2019.

At CES 2019, AMD showcased an engineering sample of its Zen 2-based 8-core, 16-thread Ryzen 3rd gen processor. AMD's CEO, Dr. Lisa Su, hinted at the final product lineup supporting 8 or more cores. At Computex 2019, AMD unveiled the Ryzen 3rd gen 'Matisse' processors based on Zen 2, with a maximum of 12 cores, and later at E3 2019, the Ryzen 9 3950X with 16 cores was announced.

Zen 2 architecture includes hardware mitigations against the Spectre security vulnerability. Zen 2-based EPYC server processors utilize multiple CPU dies (up to 8) manufactured on the 7nm process, combined with a 14nm I/O die to form a multi-chip module (MCM). This allows for up to 64 physical cores and 128 simultaneous threads (SMT) per socket. This architecture has a layout similar to AMD's high-end desktop Threadripper 3990X.

Zen 2 provides approximately 15% improvement in instructions per clock (IPC) over the previous Zen and Zen+ architectures, which were manufactured using 14nm and 12nm processes. This results in significantly better performance compared to the first and second-gen Ryzen processors.

The Zen 2 architecture has been adopted in gaming consoles such as the Steam Deck, PlayStation 5, Xbox Series X, and Series S, with customizations and modifications to fit each system's needs. The chips used in these systems have different implementations compared to AMD's commercially available APUs.

Design

Zen 2 introduces significant changes in physical design compared to AMD's previous Zen architectures. Unlike Zen and Zen+, Zen 2 adopts a multi-chip module (MCM) design, where the I/O components are placed on a separate die, distinct from the CPU core die. This separation offers advantages in scalability and manufacturability. Since the physical interface doesn't scale well with shrinking process nodes, separating the I/O components allows them to be manufactured on a more mature, larger process node. This reduces the overall size of the CPU die (referred to as the core complex die or CCD) and leads to fewer manufacturing defects. Smaller dies also enable more chips to be produced per wafer, and I/O dies can support multiple chiplets, making it easier to build processors with more cores.

Each CPU chiplet in Zen 2 contains 8 cores, which are grouped into two core complexes (CCXs) with 4 cores each. These chiplets are manufactured using TSMC's 7nm process and are about 74-80mm² in size. Each chiplet contains about 3.8 billion transistors, while the 12nm I/O die is about 125mm² with 2.09 billion transistors. Zen 2 also doubles the L3 cache, allowing each CCX to access 16MB of L3 cache, a significant improvement over the 8MB L3 cache in Zen and Zen+. Additionally, AVX2 performance is greatly improved by expanding the execution units from 128-bit to 256-bit, enabling the FPU to process AVX2 instructions in a single cycle.

Zen 2 offers better performance at lower power consumption compared to Intel's Cascade Lake architecture. For instance, the AMD Ryzen Threadripper 3970X, with a 140W TDP in ECO mode, outperforms Intel's Core i9-10980XE with a 165W TDP.

New Features

Zen 2 introduces several new instruction set extensions, including WBNOINVD, CLWB, RDPID, RDPRU, and MCOMMIT, each with its own CPUID bit. It also provides hardware mitigations for the Spectre V4 speculative store bypass vulnerability. Other undocumented optimizations, such as zero-latency memory mirroring, are also present. Additionally, the floating-point co-processor's execution and load/store unit widths have been expanded from 128-bit to 256-bit, significantly improving floating-point performance.

Zen 2：AMDのコンピュータープロセッサのマイクロアーキテクチャ

Zen 2は、AMDのコンピュータープロセッサのマイクロアーキテクチャで、前世代のZenおよびZen+アーキテクチャの後継モデルです。このアーキテクチャは、TSMCの7nm MOSFETプロセスを使用して製造され、AMDのRyzen 3000シリーズプロセッサ（コードネーム「Matisse」）をはじめ、モバイル向けのRyzen 4000U/Hシリーズ（コードネーム「Renoir」）、Ryzen 5000Uシリーズ（コードネーム「Lucienne」）、高性能デスクトップ向けのThreadripper 3000シリーズ、そしてRyzen 4000Gシリーズのアクセラレータ処理ユニット（APU）など、さまざまな製品を駆動します。Ryzen 3000シリーズは2019年7月7日に発売され、Zen 2ベースのEpycサーバープロセッサ（コードネーム「Rome」）は2019年8月7日に発売され、さらにRyzen 9 3950Xは2019年11月に発売されました。

2019年のCESで、AMDはZen 2ベースの8コア16スレッドのRyzen 3世代エンジニアリングサンプルを公開しました。AMDのCEO、リサ・スー博士は最終製品ラインアップに8コア以上のプロセッサが搭載されることを予告しました。2019年6月のComputexで、AMDはZen 2アーキテクチャを基に最大12コアのRyzen 3世代「Matisse」プロセッサを発表し、その後2019年E3では16コアをサポートするRyzen 9 3950Xを発表しました。

Zen 2アーキテクチャは、Spectreセキュリティ脆弱性に対するハードウェアベースの緩和措置を含んでいます。Zen 2ベースのEPYCサーバープロセッサは、最大8つのCPUダイを7nmプロセスで製造し、14nmのI/Oダイと組み合わせてマルチチップモジュール（MCM）を構成しています。これにより、1ソケットあたり最大64個の物理コアと128スレッドの同時処理（SMT）をサポートできます。このアーキテクチャは、AMDの高性能デスクトップ向けThreadripper 3990Xとほぼ同じレイアウトを持っています。

Zen 2は、前世代のZenおよびZen+アーキテクチャと比較して、クロックあたりの命令処理性能が約15％向上しており、14nmおよび12nmプロセスで製造された第1世代および第2世代のRyzenプロセッサに比べて大幅に性能が向上しています。

Zen 2アーキテクチャは、Steam Deck、PlayStation 5、Xbox Series X、およびSeries Sなどのゲームコンソールにも採用されており、各システムに合わせたカスタマイズや変更が行われています。これらのシステムで使用されるチップは、AMDの商業用APUとは異なる実装方式を採用しています。

設計

Zen 2は、AMDの前世代Zenアーキテクチャと比較して、物理的な設計において大きな変化をもたらしました。ZenおよびZen+とは異なり、Zen 2はマルチチップモジュール（MCM）設計を採用しており、I/OコンポーネントがCPUコアダイとは別のダイに配置されています。この分離により、スケーラビリティや製造性において多くの利点があります。物理的なインターフェースはプロセス技術の縮小とともにうまく拡張できないため、I/Oコンポーネントを別のダイに分離することで、より大きく、成熟したプロセスノードで製造することができます。この結果、CPUダイ（AMDはこれをコアコンプレックスダイ（CCD）と呼びます）のサイズが小さくなり、製造上の欠陥が減少します。さらに小さなダイは、1ウェハーあたりにより多くのチップを製造することを可能にし、I/Oダイは複数のチップレットをサポートできるため、より多くのコアを持つプロセッサの構築が容易になります。

Zen 2では、各CPUチップレットに8つのコアが搭載され、これらはそれぞれ4つのCPUコアを持つ2つのコアコンプレックス（CCX）に配置されています。これらのチップレットはTSMCの7nmプロセスで製造され、サイズは約74〜80mm²です。各チップレットには約38億個のトランジスタが搭載されており、12nmプロセスで製造されたI/Oダイは約125mm²のサイズで、20億9000万個のトランジスタを含んでいます。Zen 2ではL3キャッシュ容量が倍増し、各CCXが16MBのL3キャッシュにアクセスできるようになり、ZenおよびZen+の8MBから大幅に向上しました。さらに、AVX2性能は実行ユニットの幅を128ビットから256ビットに拡張することで大きく改善され、FPUはAVX2命令を単一サイクルで処理できるようになりました。

Zen 2は、IntelのCascade Lakeアーキテクチャと比較して、より低い消費電力で高い性能を提供できます。例えば、AMD Ryzen Threadripper 3970Xは、ECOモードで140WのTDPを持ち、Intel Core i9-10980XE（165W TDP）よりも優れた性能を発揮します。

新しい機能

Zen 2は、WBNOINVD、CLWB、RDPID、RDPRU、MCOMMITなどの新しい命令セット拡張を導入しています。各命令は独自のCPUIDビットを使用します。また、Zen 2はSpectre V4予測ストアバイパス脆弱性に対するハードウェアによる緩和措置を提供します。さらに、未文書化のゼロレイテンシーメモリミラーリング最適化などの機能も存在します。また、浮動小数点コプロセッサの実行ユニットとロード/ストアユニットの幅が128ビットから256ビットに拡張され、浮動小数点演算性能が大幅に向上しました。