全面解读AMD Zen构架，风光无两背后到底靠的啥优势？

引爆点
Zen的基本构件是核心复合体（CCX）：四核为一个单元，同时跑八个线程。恰好印证了AMD在桌面处理器的设计上对多核多线程的信仰的是，第一代锐龙Ryzen 7系列处理器搭载两个CCX，共八核十六线程。有三个版本即将发布：1800X，速度3.6-4.0GHz， 售价 $499/￡490； 1700X，速度3.4-3.8GHz ，售价 $399/￡390，以及1700， 速度3.0-3.7GHz，售价 $329/￡320 。

Zen的核心复合体

第二季度中，锐龙Ryzen 5也将面世。R5 1600X是六核十二线程的芯片，以3.6-4.0GHz运行（两个CCX各关闭一核），1500X是四核八线程的芯片，以3.5-3.7GHz运行（只有单个CCX）。

Zen也会扩大规模。如AMD的服务器处理器，代号"那不勒斯（Naples）"，搭载八个CCX，32核，64线程。

不同的设计决策已经让AMD和英特尔分道扬镳了。英特尔的处理器性能分布被岔开得很奇怪，它最新的处理器是Kaby Lake，但Kaby Lake只有双核和四核，有些有同时多线程（SMT）而有些没有。四核以上你又不得不回到前一代处理器架构了：Broadwell。

2014年9月首次面世的Broadwell是英特尔14纳米工艺的芯片，上一代Haswell架构的微缩版。目前，任何大于四核八线程的主流桌面或移动处理器都是基于Broadwell。这不仅包括面向发烧友的Broadwell-E处理器，搭载了六核、八核或十核以及12、16或20线程；还包括Broadwell-EP服务器处理器，直到两周前刚发布的Xeon E7-8894V4。这是8个插口24核48线程的芯片，定价在9000美元且不会有过多浮动。

第一代锐龙处理器刚好横跨英特尔产品线的断裂点。R7 1700多多少少会和Kaby Lake i7-7700K正面竞争。后者利用了英特尔14纳米工艺以及最佳单线程性能的最新架构，运行速度为4.2-4.5GHz. 但1800和1800X将迎击Broadwell架构，分别是六核12线程3.6-3.8GHz的i7-6850K处理器（约$620/￡580 ），以及八核16线程3.2-3.7GHz的i7-6900K处理器（约$1，049/￡1，000）。到了更高核数，英特尔就会迫使你放弃最新的核和最高的电源效力，从而不得不换回更老的、更新频率比较低的芯片集（目前的X99早在2014年底就发布了）。

更大更强悍的内核

这些新的核都比推土机搭载了更多的运行资源。在整数管线上，Zen有4个算术逻辑单元（ALU）和两个地址产生单元（AGU）。浮点管线上，共享浮点单元的概念被废弃了：现在每个核都有一对独立的128位乘法叠加运算单元（FMA）。浮点单元内有分开的加法和乘法管线，用于在不进行乘法累积运算时应对更多样的混合指令。但256位AVX指令集还是得分开在两个FMA单元上执行，并动用所有的浮点单元。

这是推土机之后的巨大飞跃，从本质上讲，每个核可动用的整数和浮点运算资源都翻了个倍。然而与Broadwell和Skylake相比就不好说了。AMD的四个ALU虽然相似但不完全一样，所以有些指令必须在特定单元内处理（只有一个会算乘法，另一个会算除法），就算有其他的闲置单元也不能跨界运行。英特尔的就更加多样化，所以对于一些混合指令来说，英特尔的四个ALU实际上可能比AMD的要少。

更加复杂的是，AMD说总共六个指令可以在每周期中被发送到核的十个管线中（4个ALU，2个AGU，4个FP）。而Broadwell和Skylake都可以每周期发送八个指令。其中4个发送到AGU--Skylake有两个通用AGU和两个专用的。另外四个运算一些算数，要么整数要么浮点。

英特尔把所有功能单元分组分到四个发送端口下，编号0，1，5，6. 所有四个端口都包含一个普通的整数ALU，但端口0还含有一个AVX FMA单元、一个除法单元和一个分支单元。端口1有另一个AVX FMA单元但没有除法单元。端口5和6既没有FMA也没有除法单元。这意味着在一个周期内，处理器可以同时安排两个AVX FMA操作或是一个除法和一个AVX FMA操作，但没法同时做一个除法和两个FMA。

大体上，这说明在一个周期内，Zen可以发送四个整数运算和两个浮点运算。Skylake可以发送四个整数运算，但这需要动用所有四个端口，导致没法进行任何浮点运算。另一方面，Skylake和Broadwell都能在一个周期内同时发送四个整数运算和四个地址操作。Zen只能容纳两个地址操作。

推土机的弱点依旧如影随形
撇开区别不谈，我们就没法直接衡量这些设计的好坏。尽管如此，还是有些设计在个别方面的优势极其显著。英特尔的两种芯片都具备两个能同时启用的全256位AVX FMA单元。对于可以利用这一优势的代码来说，Skylake和Broadwell的性能都应该可以做到Zen的两倍。多年以来，AMD一直在尽力让GPU成为运行这种高强度浮点并行运算的最优选。所以某种意义上说这种差距也可以理解--但重度依赖AVX指令集的程序就会毫不犹豫地选择英特尔芯片了。

比如这在Geekbench的浮点测试SGEMM中就非常明显。这是一个矩阵乘法测试，为了最佳性能会调用AVX和FMA指令集。在单线程上，6900K管理着大约每秒900亿单精度浮点指令（90 gigaflops）。相比之下，1800X的处理速度只有53 gigaflops。虽然1800X相对更高的时钟速度有点用，但英特尔芯片在每个周期内能完成其两倍的工作量。高出来的几百兆赫不足以抵消架构区别带来的劣势。

当然，这种工作量从某种角度证明了AMD的观点：由GPU加速的相同矩阵乘法运算可以达到800以上gigaflop。如果你的计算需求包含大量的矩阵乘法，你是决不会想用慢吞吞的CPU来完成这项工作的。

AMD长期以来的难题，也是通用GPU计算的难题，就是当只有部分运算工作适合用GPU完成时该怎么办。把数据在CPU和GPU上搬来搬去会消耗额外的资源，而且这要求开发者在开发工具和编程语言间进行切换。虽然解决方法是有的，比如AMD的异构系统架构和OpenCL，但目前还没有被行业广泛采纳。

有一个Geekbench子测验从另一个角度显示了突出的优势。Geekbench有关于目前主流处理器用到的所有密码指令集的测试。在一个单线程性能测试中，锐龙碾压Broadwell-E，解码速度为4.5GB/s比2.7GB/s。锐龙有两个AES单元，都位于处理器的浮点部分。Broadwell只有一个，让AMD大大领先了。

但从单线程转到十六线程时情况就突然逆转：英特尔系统能跑到24.4GB/s而AMD只有10.2GB/s。这说明该测试在高线程数时会带宽受限，使得6900K的四存储渠道领先于1800X的双存储渠道。尽管锐龙具备更多的计算资源来进行这种运算，但当处理器干坐着等待数据传输时再多计算资源也无济于事。

至于单线程性能上，他们都输给了Kaby Lake i7-7700K。鉴于它更高的IPC和更快的时钟速度，Broadwell-E和Zen都是远远追不上的。