全面解读AMD Zen构架，风光无两背后到底靠的啥优势？

在AMD发布新一代Zen处理器之前，说它打造的桌面处理器不算特别成功也并不为过。

2011年发布的推土机（Bulldozer）的设计最多也只能说 很有特点 。AMD在推土机身上下了三个赌注：通用计算会继续向多线程发展；浮点计算会越发倾向GPU驱动；巨幅提升时钟速度是可行的。

据此，AMD制造的处理器具有大量的同时多线程，较长的管线，较窄的管线和较少的浮点资源。这里的原理在于时钟速度和GPU会弥补管线较窄和浮点计算力较低的缺陷。那么AMD就得祈祷所有的线程都能不停地工作才行。

每个推土机模块能够同时运行两个线程，每个模块内有两个独立的整数线程和一个共享的浮点线程。已发布的桌面处理器版本有搭载两个、三个或四个模块的，分别共有四个、六个或八个线程。与上一代K10相比，推土机每个整数管线都很窄：两个算术逻辑单元（ALU）和两个地址生成单元（AGU），而K10各有三个。浮点管线也是一样，两个128位的乘法累加单元（FMA）配对执行单个256位的AVX FMA指令集。AMD设计的处理器的基础时钟速度为4.4GHz。

推土机？都是扯淡吧
AMD的赌注最终仍是失败。搭载四个模块八个线程的高级桌面处理器有大量的整数线程富余。但大多数用户的工作量仍然没法被平均分配到八个线程上去。单线程的运行依旧是重头戏。另一方面，浮点单元的共享意味着充满浮点算术的应用程序就没有足够的运行资源。虽然基于GPU的计算在一些特定工作中非常重要--比如科学超级计算--但主流应用程序还是更依赖CPU来做浮点运算。

若是时钟速度能够达标的话，这些问题也算可以勉强忍受。每时钟周期指令完成数（IPC）低的处理器如果能以足够高的时钟速度运行那也还凑合，但是AMD连它的基础目标4.4GHz都没有做到。搭载四个模块的最高配置处理器的基础速度仅为3.6GHz. 在工作量减少的情况下也只能冲上4.2GHz。这与设计目标还差得十万八千里。

结果，第一代推土机处理器在很多工作上都比它的前辈K10处理器运行得更缓慢，而且价格更高。这和同时期的英特尔处理器完全没法比。

AMD的确做了产品迭代。推土机的第二代打桩机（Piledriver）最高配置版本把基础时钟速度提至4.7GHz，最高速5.0GHz. 再结合一些内部改良，打桩机比最高配的推土机要快上40%。然而这也带来了更高的能耗成本：为了时钟速度的达标，打桩机处理器的功率为220W，而推土机只要125W。

第三代处理器压路机（Streamroller）在IPC上有了进步，比打桩机高出9%。第四代处理器挖掘机（Excavator）又在压路机的IPC基础上提高了15%。然而，不管是压路机还是挖掘机，谁也没有被用在高级桌面处理器上。桌面市场依然是英特尔的地盘。

AMD的确在一些加速处理单元（APU）上使用了压路机和挖掘机，也就是说，CPU与GPU的集成。但就算是在这块领域，推土机家族还是能力有限。面向移动端的APU在10-25W区间只有一个挖掘机模块（两个线程）。它的性能比同功率的英特尔芯片要差很多，而且英特尔成功在它的低功率处理器上挤进了四个线程（尽管只有双核）。

至于在超低功率3-7W区间，AMD的推土机家族更是没有任何对应的产品。他们曾经的确有过超低功率芯片，但那些用的都是山猫（Bobcat）处理器的衍生品。这是一种完全不一样的处理器设计，是专门为了移动操作和低功率操作而开发的。山猫的衍生版本还被用在PlayStation 4， PlayStation 4 Pro， Xbox One 和 Xbox One S上。

相比之下，英特尔的处理器实现了全领域覆盖（尽管发布日程很磨蹭）；它的Broadwell产品线包含从双核四线程3.5W超低功率的移动处理器，一直到22核44线程145W的服务器芯片（或时钟速度更高的12核24线程160W处理器）。

是时候新起炉灶了
2013年，AMD终于放弃了对推土机处理器的希望。他们必须开发出一种新的架构。AMD的目标是：新的处理器架构必须在高端桌面市场有足够的竞争力，而且至少要比挖掘机的IPC高40%。

就像之前的英特尔一样，AMD也希望打造全领域覆盖的产品线，从无风扇的移动端到服务器和高端桌面。所以改良后的IPC需要与同样经过改良的功率效率结合。但AMD还不打算彻底抛弃推土机：公司依然坚信未来是属于大量同时多线程的，而且AMD的一些设计决策也暗示了它仍把GPU当做浮点运算的核心。

经过四年的闭门造车，Zen处理器作为该理念指导下的成果终于浮出水面。关于推土机没有达成的IPC目标，AMD说Zen已经远远超出了提高40%的预设指标。在单线程运行速度3.4GHz的Cinebench R15测试中，Zen跑分比挖掘机高出58%，比打桩机高出76%。就IPC提高而言，与挖掘机相比Zen进步了52%。而且这一切是在大幅降低的功率下做到的：在多线程Cinebench R15测试中，Zen的效能功耗比是打桩机的两倍还多。

与推土机家族相比，Zen有了全方位地提升，如果说不完全算是公平竞争的话，至少英特尔现在有了一个有趣的对手。跟完全不在一个量级上的英特尔比性能是AMD以前想都不敢想的事情，这么多年过去了，AMD凭借Zen终于可以与之媲美。