Zen: il punto di svolta per le architetture x86

Caratterizzata da un elevato livello di scalabilità, la nuova microarchitettura Zen di AMD rappresenta un nuovo punto di riferimento nel campo delle architetture x86. Essa assicura sensibili incrementi in termini di prestazioni, efficienza energetica e performance/W ed è destinata in prima istanza al mondo dei server e dei desktop. Ma le sue potenzialità possono essere sfruttate efficacemente anche in un gran numero di applicazioni embedded

Pubblicato il 28 novembre 2017

I processori realizzati con la nuova microarchitettura Zen di recenti introdotti da AMD si distinguono per l’elevatissimo incremento in termini di efficienza. A livello di prestazioni single-thread l’aumento in termini di IPC (Instruction Per Clock) è del 52% rispetto alla precedente architettura Excavator[i], mentre a livello di prestazioni/W l’aumento percentuale è stato del 270%. Come è prassi comune nel segmento consumer, gli esperti hanno verificato la veridicità di questi risultati ed analizzato in dettaglio le caratteristiche dei nuovi processori.

Nella foto: La CPU Complex (CCX) dei processori basati sulla microarchitettura Zen

Un nuovo protagonista per le applicazioni office e gaming

Il nuovo processore AMD Ryzen 5 1600X, per esempio, è caratterizzato da prestazioni di elaborazione superiori dell’87% rispetto al processore Intel Core i5-7600K[ii]. I benchmark di transcodifica video (basato su Handbrake) e di rendering dell’immagine (basato su Blender), che richiedono prestazioni particolarmente spinte, hanno evidenziato che una CPU Ryzen a 8 core di AMD è in grado di eguagliare, se non addirittura superare, le prestazioni del processore Core i7-6900K di Intel – anch’esso un processore a 8 core e 16 thread – nell’esecuzione di numerosi compiti (task) complessi. In queste prove il processore Core-i7-6900K operava alla velocità di clock base con modalità boost attivata (e un TDP di 140W) mentre la frequenza di clock del processore Ryzen era di 3,4 GHz senza boost (con un TDP di 95W).

Nel benchmark Cinebench R15 (utilizzato per confrontare le prestazioni), il processore Ryzen 7 1800X di AMD ha ottenuto un punteggio di 1601,43, un risultato migliore del 9% rispetto a quello fatto registrare dal Core i7-6900K Extreme di Intel che ha raggiunto quota 1473,79[iii]. Ma le prestazioni rappresentano solo un lato della medaglia. L’altro è rappresentato dall’efficienza. Sotto questo aspetto i miglioramenti ottenuti con i processori Ryzen di AMD sono decisamente interessanti. Nel benchmark Cinebench R15 il processore AMD Ryzen 7 1700 ha fatto segnare un incremento, in termini di prestazioni/W, superiore al 18,22% rispetto a Intel Core i7-6900K.

Il processore di AMD in questa prova comparativa ha consumato 115W per raggiungere un punteggio di 1.410, mentre il dispositivo di Intel ha consumato 142W per totalizzare un punteggio di 1473 (in termini di efficienza energetica ciò si traduce in 12,26 punti per Watt il mod. 1700 (14120/115W) contro i 10,37 punti per Watt per il mod. 6900 (1.473/142W))[iv]. I benchmark appena segnalati sono molto importanti per i mercati dei desktop, delle workstation e del gaming su PC.

Oltre a ciò la microarchitettura Zen è facilmente scalabile in modo da poter soddisfare le esigenze di applicazioni che richiedono la disponibilità di 16 o più core. Ciò è dimostrato dai processori della serie Threadripper di AMD. In base ai risultati ottenuti da prove condotte da terze parti relative a benchmark quali Cinebench R15, il processore AMD Ryzen Threadripper 1950X assicura un incremento delle prestazioni pari al 34% rispetto al processore Intel Core i9-7900X[v].

Maggiore efficienza per I server

Analizzando i carichi di lavoro a livello di datacenter – elaborazioni ad alte prestazioni, cloud computing virtualizzato, machine learning (apprendimento automatico), Big Data e altri compiti di analisi per i quali è richiesta la codifica – i punteggi ottenuti dai processori realizzati sfruttando la nuova microarchitettura Zen sono di assoluto rilievo. Il nuovo SoC (System-on-Chip) EPYC 7601 di AMD ha stabilito quattro nuovi record a livello mondiale per le CPU stand-alone relativamente ai benchmark SPEC CPU 2006 per i server a doppio e singolo socket.

Nel caso dei server dual-socket, la proposta di AMD assicura un incremento in termini di prestazioni di calcolo su numeri interi e in virgola mobile (floating point) fino al 25 e al 59% rispettivamente rispetto al processore Xeon E5-2699A V4 di Intel. Nel caso dei server di tipo single socket i risultati sono ancora migliori con aumenti di prestazioni fino al 32% (calcoli su numeri interi) e al 66% (calcoli in virgola mobile)[vi].

 La nuova microarchitettura Zen

Per raggiungere i risultati appena sopra esposti AMD ha apportato significative migliorie alla nuova microarchitettura Zen. Per realizzare una piattaforma efficiente per vari casi d’uso dell’architettura x86 (o in altre parole una microarchitettura scalabile in grado di soddisfare tutte le esigenze del mondo del computing, dal notebook senza ventole al supercomputer), AMD ha abbinato 4 core Zen in una CCX (CPU Complex) con un massimo di 16 MB di cache L3, dove ogni core può accedere all’intera cache con la medesima latenza.

I core della microarchitettura Zen sono realizzati con un processo da 14 nm che utilizza transistor FinFET per integrare un maggior numero di transistor su un die di dimensioni inferiori e ottenere quindi chip più densi ed efficienti in termini di consumi. Il design, di concezione decisamente innovativa, è ottimizzato per fornire elevate prestazioni nelle applicazioni single-thread mentre, per garantire migliori funzionalità multi-tasking, quelli in microarchitettura Zen sono i primi processori AMD in grado di supportare un multi-threading simultaneo al fine di incrementare il throughput: ciò significa che per la prima volta due thread possono essere elaborati in parallelo su ogni core.

L’adozione di tecnologie innovative contribuisce a ottimizzare prestazioni, consumi di potenza e dissipazione di calore nelle applicazioni reali. La nuova tecnologia Pure Power consente di ottimizzare ulteriormente valori di tensioni, frequenza di clock e modalità di funzionamento per minimizzare il consumo di energia. Tra le altre funzionalità presenti da segnalare Precision Boost, per ottimizzare la velocità di clock per ciascun core ed Extended Frequency Range che permette di aumentare la frequenza di clock al di sopra di quella prevista dalle specifiche in funzione del margine termico disponibile.

Oltre a ciò i core Zen integrano una rete neurale denominata Neural Net Prediction che analizza in real time il comportamento del processore e in base agli eventi passati cerca di prevedere il migliore percorso all’interno della CPU. Basata su sofisticati algoritmi di apprendimento, la funzionalità Smart Prefetch, traccia il comportamento del software per prevedere le richieste di un’applicazione e preparare i dati necessari in anticipo.

La scelta migliore per le applicazioni embedded

Grazie a tutte le nuove funzionalità appena elencate e all’ottimo rapporto performance/W, l’architettura Zen rappresenta la soluzione ideale per numerose applicazioni nel settore embedded. AMD, ad esempio, ha di recente annunciato che le APU per il segmento mobile saranno disponibili sulla base della nuova architettura: dotate di un chip grafico Vega, le APU Raven Ridge sono state progettate per dispositivi 2-in-1, notebook ultra-sottili e prodotti per il gaming. Questi processori si proporranno come una valida soluzione per tutte le applicazioni embedded a elevate prestazioni, come ad esempio slot machine per casinò, panel e box PC industriali e sistemi medicali.

I futuri processori headless (senza interfaccia utente) con i nuovi core di elaborazione basati sulla microarchitettura Zen possono essere visti come engine di elaborazione a elevate prestazioni per i vari edge e fog server ubicati alla periferia della rete IoT e non in server room a temperatura controllata. Questi processori sono in grado di gestire tutte le nuove applicazioni nei settori delle telecomunicazioni, dell’automazione industriale, medicale e relative a Industry 4.0 che richiedono prestazioni tipiche dei data center disponibili però localmente, ovvero in prossimità delle applicazioni stesse.

Questi processori abbinati a una scheda grafica embedded ad alte prestazioni, possono rappresentare la piattaforma ideale per le workstation usate in ambito medicale che devono fornire visualizzazioni di elevata qualità con risoluzione superiore a 4k ed elevata gamma dinamica (HDR) così come per le applicazioni di cartellonistica digitale (digital signage) di fascia alta che prevedono il supporto 12 (o più) display indipendenti in modo da assicurare una fruizione migliore da parte dell’utilizzatore.

Grazie alla connettività PCIe scalabile, i nuovi processori AMD basati sulla microarchitettura Zen potrebbero rappresentare la soluzione più idonea per le applicazioni di visualizzazione di fascia alta nel settore medicale, come ad esempio i sistemi di back-end per MRI (Magnetic Resonance Imaging) che utilizzano più schede GPGPU per elaborare immagini e/o flussi video in tempi molto rapidi.

Tutte le applicazioni di machine learning per i robot collaborativi e i veicoli autonomi usati nel campo della logistica interna possono trarre grandi benefici dalle caratteristiche dei nuovi processori per server AMD con GPGPU in termini di maggiori prestazioni di elaborazione, design semplificato del server di tipo “single socket” e connettività migliorata. La scalabilità della microarchitettura Zen, inoltre, può soddisfare le più complesse esigenze dei veicoli autonomi che richiedono un numero ancora maggiore di core e di engine per l’elaborazione parallela.

L’introduzione della nuova architettura Zen da parte di AMD rappresenta un punto di svolta nel campo delle architetture x86. Nel momento in cui è in atto l’evoluzione del concetto di elaborazione, che sta diventando sempre più istintiva e immersiva, è necessario poter disporre di potenze di calcolo sempre maggiori abbinate a prestazioni grafiche via via più spinte come quelle offerte dai processori Ryzen ed EPIC. Sotto questo punto di vista, la tecnologia Zen rappresenta la risposta ideale.

Poiché AMD è l’unica azienda in grado di offrire sia CPU che GPU, essa si trova in una posizione privilegiata per soddisfare le nuove richieste provenienti dal mercato. Visto il notevole impegno profuso nell’ultimo decennio da AMD nel settore embedded, è ragionevole supporre che saranno introdotte versioni di questa microarchitettura destinate a questo comparto. Secondo alcune indiscrezioni queste novità potrebbero essere presentate a Embedded World 2018: per i produttori di schede questo sarebbe dunque il momento ideale per preparare le schede destinate a ospitare le nuove soluzioni targate AMD.

Note

[i] https://www.amd.com/en/technologies/zen-core

[ii] Testing by AMD Performance labs as of March 23, 2017 on the following systems: Socket AM4: Ryzen™ 5 1600X processor (6c12t), Ryzen™ 5 1500X processor (4c8t), Fatal1ty AB350 GAMING K4, NVIDIA GeForce GTX 1080 graphics adapter, 16GB (2x8GB) DDR4-2933 RAM, Samsung 850 PRO 512GB SSD, Windows 10 RS2 operating system, Graphics driver 21.21.13.7878. Socket 1151: Core i5-7600K processor (4c4t), Core i5-7500 processor (4c4t), B250 GAMING M3, NVIDIA GeForce GTX 1080 graphics adapter, 16GB (2 x 8GB) DDR4-2400 RAM, Samsung 850 PRO 512GB SSD, Windows 10 RS2 operating system, Graphics driver 21.21.13.7878. The Core i5-7600K (4c/4t, $240 on Newegg.com as of March 3/2017) achieved a score of 662.7 in the Cinebench multi-thread test; a score of 179.5 in the Cinebench single-threaded test; a score of 1657.5 in the PoVRay nT test; a rating of 18043.5 MIPS in 7-Zip benchmark; and completed the handbrake 1080p h264 45Mbps to 1080 AppleTV3 test in 580 seconds. The Ryzen 5 1600X (6c/12t, $249 SEP) achieved a score of 1239.1 in the Cinebench multi-thread test; a score of 161.2 in the Cinebench single-threaded test; a score of 2582.7 in the PoVRay nT test; a rating of 31814.7 MIPS in 7-Zip benchmark; and completed the handbrake 1080p h264 45Mbps to 1080 AppleTV3 test in 344 seconds. The Core i5-7500 (4c/8t, $205 on Newegg.com as of March 3/2017) achieved a score of 596.6 in the Cinebench multi-thread test; a score of 161.9 in the Cinebench single-threaded test; a score of 1492.5 in the PoVRay nT test; a rating of 16280 MIPS in 7-Zip benchmark; and completed the handbrake 1080p h264 45Mbps to 1080 AppleTV3 test in 642 seconds. RZN-26

[iii] Performance labs as of February 10, 2017. PC manufacturers may vary configurations yielding different results. Cinebench R15 nT is used to simulate multi-threaded CPU performance; the AMD Ryzen™ 7 1800X scored 1601.43, while the Intel Core i7-6900K Extreme scored 1473.79 for a benchmark score comparison of 1601.43/1473.79 = 1.09× or 9% more. System Configurations: AMD Ryzen™ 7 1800X: Myrtle AM4, Ryzen™ 7 1800X processor, with NVIDIA TITAN X (Pascal) 12GB graphics adapter, 16GB (2 x 8GB) DDR4-2400 RAM, Windows 10 RS2operating system, Graphics driver 21.21.13.7633 :: 12/11/2016. Core i7-6900K Extreme: STRIX X99 GAMING, Core i7-6900K Extreme processor, with NVIDIA TITAN X (Pascal) 12GB graphics adapter, 16GB (2 x 8GB) DDR4-2400 RAM, Windows 10 RS2 operating system, Graphics driver 21.21.13.7633 :: 12/11/2016. RZN-9

[iv] http://www.amd.com/en-us/press-releases/Pages/ryzen-7-2017feb22.aspx

[v] https://www.heise.de/newsticker/meldung/AMD-Ryzen-Threadripper-1950X-schlaegt-Core-X-3797231       .html?artikelseite=all

[vi] http://www.amd.com/system/files/2017-06/AMD-EPYC-SoC-Sets-4-World-Records.pdf

Filippo Fossati



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