Feature: AMD's Zen-Architektur im Detail

Der monatelange Benchmark-Poker hat nun ein Ende. Am zweiten März war es soweit und AMD gab den offiziellen Startschuss für die neuen Prozessoren - welche bei einigen Händlern sogar umgehend ausverkauft waren. Wir haben uns für euch die neue Plattform genauer angesehen.


Wir schreiben den zweiten März 2017, AMD veröffentlicht nach der Jahrelangen Durststrecke der FX-Prozessoren die Ryzen CPU‘s in Kombination mit einem gänzlich neuen AM4-Unterbau. Ryzen ist die erste an Privatkunden gerichtete Generation, welche auf der Zen- Mikroarchitektur basiert. Es werden also noch andere Prozessoren folgen. Ein Beispiel hierfür ist „Naples“, welche für Workstations konzipiert wird. Ebenfalls wird eine weitere Produktreihe für Laptops und Lüfterlose PC‘s entwickelt, selbige is jedoch bis jetzt nicht namentlich genannt. Doch zurück zu Ryzen. AMD startet mit dem R7 1800X ein Kopf-an-Kopf Rennen mit Intels High-End CPU‘s.


AMD hatte allen Grund, eine komplett neue Architektur zu designen, denn „Bulldozer“ war Intels Pendants in allen Bereichen unterlegen. Die von dem Konkurrenten angewendete Mikroarchitektur war schneller, effizienter und eleganter als die von AMD. Dies soll sich künftig ändern und so hat man rund fünf Jahre und unzählige Arbeitsstunden in die Entwicklung von Zen investiert. Man hoffte, dadurch wieder mit Intel konkurrieren zu können.
Eine Schlüsselstelle in der Architektur ist die Branch-prediction-Unit (dt. Sprungvorhersageeinheit). Sie sorgt dafür, dass die Rechenkerne möglichst gleichmäßig ausgelastet werden.  In der Grafik ist diese der Einfachheit halber Hellblau dargestellt. Jeder Baustein in diesem Bereich der CPU sorgt dafür, dass selbige möglichst effizient funktioniert. AMD hat hier einiges gegenüber dem Vorgänger verbessert. Die BPU muss erahnen können, welchen Weg der Verarbeitung die Information nehmen wird. AMD hat diese Einheit nun mit einem selbstlernenden Algorithmus ausgestattet, welcher Aufgrund von vorherigen Verhaltensmustern die Information auf optimalem Wege verarbeiten kann. Neu ist auch das von AMD so genannte „Smart prefetch“. Durch die optimierte Software können Daten schneller in den Cache geladen werden als zuvor.


Die Königsdisziplin bei der Entwicklung neuer Prozessoren ist die Verbesserung der IPC (Instructions per Clock), also wie viele Informationen die CPU pro Taktzyklus verarbeiten kann. Dies sorgt ebenfalls für eine gesteigerte Gesamteffizienz, da man mehr Informationen in der selben Zeit verarbeiten kann, ohne den Takt anheben, sprich, mehr Energie aufwenden zu müssen. Zen ist in der Lage, bis zu vier Befehle pro Taktzyklus zu verarbeiten. Man sieht schon, AMD schlägt einen anderen Weg ein als noch vor einigen Jahren. Mike Clark, Leitender Ingenieur des Zen-Projekts sagte, das primäre Ziel sei eine ausbalancierte Architektur und das Eindämmen von Flaschenhälsen. Um das zu erreichen wurden fast sämtliche Kernelemente wie „Arithmetic Logic Units“ (ALUs), „Address Generation Units“ (AGUs) und Registerordner vergrößert.


Wichtig dabei war, ein performantes Verhältnis zwischen ALUs und AGUs zu finden. Mit Zen ist man in der Lage, genau wie Intel, pro logischem Kern alle vier ALUs anzusprechen: Doppelt so viele wie bei der Bulldozer-Architektur. Generell ähnelt die Zen Architektur in ihrer Gesamtheit eher einem aktuellen Intel Chip als vor einigen Jahren. Um auch die Multi-Thread-Performance zu steigern, entschied man sich dazu, auf echtes SMT zu setzen. Das bei Bulldozer verwendete Clustered Multi-Threading (CMT) hätte nur dann Sinn gemacht, wenn Software speziell dafür geschrieben wird. Dies blieb jedoch aus.


Ebenfalls unvorteilhaft bei Bulldozer war die Bauweise des Caches. Und je näher der Cache an der CPU ist, desto wichtiger ist dessen Geschwindigkeit. Hier hat AMD eine gute Schippe draufgelegt und Zen‘s L1 und L2 Cache bekamen einen satten Geschwindigkeitsschub. Mike Clark spricht von doppelter Geschwindigkeit gegenüber dem Vorgänger. Auch am L3 Cache wurde Hand angelegt. Er arbeitet nun mit der Geschwindigkeit des schnellsten Kerns. Hier ist die Geschwindigkeit sogar fünf mal höher als bei Bulldozer.


Jetzt haben wir über ALUs, AGUs, Taktzyklen, Kerne und SMT gesprochen, kommen wir nun also zu dem Gerüst, was alles zusammenhält: Dem CCX. AMD spricht bei Zen von „CPU Complexes“, kurz CCX. Ein CCX beinhaltet vier Kerne mit 2MB L2 Cache (4x512kB) und 8MB L3 Cache, welcher sich in vier 2MB Bereiche aufteilt. Wie mittlerweile üblich, hat jeder Kern Zugriff auf seinen eigenen L2 Cache, der L3 Cache hingegen ist ein gemeinsamer Zwischenspeicher für alle Kerne eines CCX. Im Umkehrschluss bedeutet das für Ryzen Prozessoren mit 8C/16T, dass der DIE zwei CCX-Einheiten im Verbund besitzt. Die Verbindung zwischen beiden Einheiten betitelt AMD als „Infinity Fabric“. Über die Latenzen der Verbindungsstelle ist noch nichts bekannt, AMD beteuert aber, sie seien „minimal“. Alles in Allem hat man sich für Zen das ein oder andere Mal bei Intels Trickkiste bedient, aber auch einige Eigenkreationen zugefügt. So wird Zen zu einer formidablen Mehrkern-Recheneinheit im Privatkunden- und vielleicht auch im Server/Workstation-Bereich.


Jetzt haben wir einiges über die Hardware und die Mikroarchitektur an sich aufgezeigt. Widmen wir uns nun einmal den Softwarelösungen. Den Anfang hierbei macht gleich ein ganzes Trio, welches „Presicion Boost“ getauft wurde. Fast 1.000 Sensoren befinden sich innerhalb der Recheneinheit. Ihr Job ist es, Detailmessungen zu Stromstärken, Spannungen, Wattagen und Temperaturen aufzunehmen. Ganze 1.000 mal pro Sekunde werden Milliwatt, Millivolt, und Temperatur an die Infinity Fabric und deren Auswerteeinheit gesendet. Daraus ergibt sich, dass die aufgenommenen Werte und die daraus resultierende Leistung der CPU von Chip zu Chip unterschiedlich ist, da es bei jedem Herstellungsprozess kleinste Schwankungen gibt. Presicion Boost, als weitere Neuerung ist nun in der Lage, die Taktfrequenz in 25MHz-Schritten anzugleichen. Verglichen mit den sonst üblichen 100MHz-Schritten geschieht hier die Anpassung des Taktes viel feinfühliger, sodass es dem Benutzer in den meisten Fällen gar nicht auffällt. So wird je nach Temperatur immer die optimale Spannung und Taktung gewählt.


Dann wäre da noch AMD‘s Extended Frequency Range (XFR). Dieser Modus aktiviert sich selbstständig, wenn eine potente Kühlung vorhanden ist, also ein qualitativer Luftkühler, Wasserkühlung oder ähnliches. Die Software entscheidet dann, ob die CPU nochmals den Takt über den Nominalwert anhebt. Dies ist abhängig vom Chip, der Kühlung usw. Wir erwarten aber weitere 100 MHz, welche in den erwähnten 25 MHz Schritten geregelt werden. Eine Faustformel, welche Kühllösung jetzt gut genug ist, oder welche die Beste ist, gibt es nicht. Bei einigen Chips wird es sich früher aktivieren, bei anderen später. Übertakter können aber beruhigt sein: XFR wird inaktiv, sobald man im Bios die Auto-Settings umstellt. Neu ist auch das Ryzen Master Utility. Mit dem ist es möglich, die CPU direkt von der Windowsoberfläche aus zu übertakten. Das einstellen im Bios und das Pokern um den nächsten Boot könnte so der Vergangenheit angehören.


Zum Launch stehen insgesamt drei Modelle von Ryzen zur Verfügung: R7 1700, R7 1700X und R7 1800X. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Modellen sind jedoch nur marginal. Alle drei haben je 8C/16T, die selbe Anzahl an Transistoren, den selben Sockel und unterstützen den selben Ram. In der Tabelle sticht einzig der R7 1700 heraus, denn seine TDP liegt mit 65W ganze 30W unter dem Wert seiner Kollegen. Außerdem wurde sein XFR auf die Hälfte beschnitten. Bei Betrachtung der Ausstattung kann man davon ausgehen, dass sich der R7 1700X als Preis/Leistungsschlager etablieren wird. Nicht nur, dass die Leistung mit der von Intels 8 und 10-Kern Modellen mithalten kann, hinzu kommt noch das Preisargument. Denn die Ryzen CPU‘s kosten bei ähnlicher Leistung gerade mal halb so viel wie die Modelle von Intel. Als Beispiel: Der Ryzen R7 1800X kostet mit Rund 560 Euro gerade einmal halb so viel wie Intels Core i7-6900K. Der R7 1700 hingegen kostet in etwa so viel wie ein aktueller Core i7-7700K, bietet jedoch doppelt so viele Kerne und Threads - allerdings bei niedriger Taktgeschwindigkeit.


Wer bis hierhin gelesen hat, bekundet eindeutig massives Interesse an Ryzen. Ob Fanboy, Student, Ottonormalverbraucher oder Enthusiast: Ryzen könnte für jeden von den Nutzergruppen etwas sein. Wir fassen zusammen: Nachdem sich AMD mit Bulldozer selbst ins Aus geschossen hat, begann die fünf Jahre dauernde Durststrecke und Entwicklung einer gänzlich neuen Plattform. Die aufgebrachte Zeit und investierte Arbeit hat sich sichtlich gelohnt, denn die neuen Prozessoren attackieren aus dem Stand Intels Topmodelle. Zwar ist die Single-Thread Performance noch ein wenig unter Intel-Niveau, aber die gute Multi-Thread Performance, sowie das ungeschlagene Preis-Leistungsverhältnis machen diesen Umstand wieder wett. Wer also plant, einen neuen PC zu kaufen oder vor dem Aufrüsten auf den Release von Ryzen gewartet hat, kann zuschlagen. Zusätzlich verspricht AMD für die nächste Zeit weitere Optimierungen, die insbesondere positiven Einfluss auf die nicht ganz so starke Gaming-Performance nehmen wird.

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