AMD Zen5架构深入解读：频率降低、性能却飞升的秘密找到了！

之前趁着参加AMD Zen5技术日活动，我们和大家分享过Zen5的架构设计特性，但和以往不同，当时公布的资料并不多，并未涉及到架构底层细节，也缺乏和Zen4的全面对比。最近，AMD更新了Zen5架构技术文档，终于公布了我们想要的大量细节，包括各个微架构模块的具体变化，包括桌面端、移动端的异同，包括Zen5、Zen5c的新理念，包括同样升级的RDNA 3.5 GPU、XDNA 2 NPU。

任何工作都要有目标，CPU架构设计当然也是如此。

Zen5的目标就很简单，核心就是继续大幅提升单核、双核性能，为未来奠定新的基础，同时实现满血版AVX-512，支持可配置的256/512位浮点数据路径，有助于大大提升AI能力。

令人唏嘘的是，Intel 12代酷睿开始采用异构混合架构，其中E核不支持AVX-512，导致整体不得不放弃。Zen5还有一个重要使命就是进一步普及紧凑版核心，也就是Zen5c，包括移动端和服务器端。

上一代其实就有了Zen4、Zen4c，并在数据中心端大放异彩，而在移动端只是非常低调地小试牛刀，这次要大面积普及。不过AMD明确表示，Zen5c这种设计在桌面端不会使用，原因后边再讲。另外，更灵活、更高的能效，4/3nm工艺支持，ISA指令集增强，也是Zen5的主要任务。

Zen5微架构总览，从前端到后端，从整数到浮点，从缓存到带宽，都进行了全面升级，后边会一一讲述。

缓存部分是大家经常见到也比较容易理解的。Zen5的一级指令缓存容量还是32KB，8路关联，每时钟周期两组32B拾取；一级数据缓存容量增至48KB，12路关联，每时钟周期4个内存操作。还有个特殊的操作缓存(Op-Cache)，支持6个指令，每时钟周期支持两组6个宽度的拾取。二级缓存容量还是1MB，16路关联。

分支预测与拾取部分做了极大的优化提升，比如支持“零泡沫”(zero-bubble)条件分支，意味着分支预测器在访问BTB(分支目标缓冲)时无需付出任何代价。L1、L2 BTB也提升了容量(1.5K/7K来到16K/8K)和精度，并增大了TAGE，这对有条件的间接分支都很关键。另外，每时钟周期拾取和解码指令数从32B翻番到64B，返回寻址堆栈从32个变为52个，每时钟周期支持最多3个预测窗口，指令缓存的延迟和带宽也都有所改善。

新的指令解码系统，配备了双解码流水线，可以独立并行处理指令流，每条每时钟周期4条指令。操作缓存(OpCache)关联路数增加1/3达到了16路，可存储最多6条指令，配合双流水线，每时钟周期就是12条指令。在开启SMT多线程的时候，每个线程都是一条流水线。另外还很关键的是，通往整数和浮点单元的分派队列宽度从6个增至8个宏操作(macro-op)，并支持操作融合，可以让来自某些指令的两个宏操作作为一个来处理。

整数单元本就是Zen架构的强项，现在更加“膨胀”，分派、重命名、引退达到了8个宽度。ALU整数逻辑单元从4个增至6个，包括3个乘法单元和3个分支单元，ALU调度器也从24个大幅增至88个。AGU地址生成单元从3个增至4个，每时钟周期可执行4次内存寻址，AGU调度器从48个独立、24个与ALU共享变为独立的56个。可以说，整数单元的大大强化，是锐龙9000系列在加速频率微增或不动、基准频率降低情况下取得性能大幅提升的关键所在。

矢量和浮点能力也显著增强，尤其是AVX-512指令集终于可以支持完整的512位数据路径，同时保留256位，非常灵活，可以兼顾高性能、高效率，也不至于让功耗失控。整个浮点执行单元的带宽和延迟都做了升级，包括4条浮点执行流水线(Zen4 3条)、3×38个浮点调度器(Zen4 2×32个)、2条载入存储与整数寄存器流水线、每时钟周期2个512位载入和1个512位存储、双循环FADD，等等。

一二级缓存部分的数据带宽全面扩充，尤其是一级数据缓存来到了12路48KB，4条载入/存储流水线每时钟周期可以执行4个载入(Zen4还是3个)和2个存储，4条整数载入流水线可以合并为2条。外还全面涉及TLB、实时窗口、数据预取等等部分。

指令新增加的不算很多，AVX-512仍是重点，包括拓展至VEX编码的VNNI/VEX、矢量配对为一对掩码寄存器的VP2INTERSECT[DQ]。另外就是PMC虚拟化，可为客户机提供更好的安全保障，以及异构拓扑，显然是为Zen5、Zen5c的组合准备的。

Zen5、Zen4技术规格细节对比，也是对上边所讲的一个概括。注意所有列出的参数都变了，从前端到执行单元到缓存，因此可以说Zen5是一次全面性的架构翻新，即所谓的“大改”，这才有了频率下来了但性能上去了的神奇结果。

Zen5、Zen5c二者架构设计、IPC性能、ISA指令集都是完全相同的，也都支持多线程，对于操作系统和应用软件而言是透明和等价的，基本上不需要特别考虑调度问题，这和Intel的异构大小核天然不同。Zen5的追求是尽可能高的单核频率与单核性能，还有足够大的三级缓存。Zen5c则降低了频率，提高了能效，同时精简了部分三级缓存。

Zen5 CCX模块的核心与缓存体系结构图。一级指令缓存基本没变，还是32KB容量，8路关联。一级数据缓存容量增大一半来到48KB，12路关联也增多了一半，并且带宽翻番，与CPU核心之间每时钟周期支持4个载入与2个存储。二级缓存容量还是每核心1MB，但是关联路数翻了一番达到16路，带宽也翻了一番，与一级缓存之间是每时钟周期翻番到64B，与三级缓存之间是每时钟周期32B，双向都是如此。三级缓存每CCX 16MB，16路关联，但是降低了延迟，提高了命中率。

Zen5架构在桌面台式机、移动笔记本、服务器数据中心三大领域采取了不同的产品设计和试实现方式，都非常有针对性。桌面上，经典chiplet设计，一个或两个CCD(等同于CCX)，外加完全延续上代设计的IOD，架构上是纯粹的Zen5，不会用Zen5c。笔记本上，继续单芯片，双CCX组合成一个CCD。全部是Zen5、Zen5c的组合，最多分别4个、8个。服务器上(包括嵌入式)，设计更加灵活，CCX有的更大有的更小，Zen5、Zen5c都会有，但应该会和Zen4、Zen4c一样发展各自的产品线，不会混合使用。

代号Granite Ridge的桌面版锐龙9000系列的裸片、核心布局图。和之前基本一致，每一组CCX/CCD里有8个核心、8MB二级缓存、32MB三级缓存，但注意两种CCX/CCD是不互通的，所以哪怕12/16核心型号有64MB三级缓存，但每个核心最多也只能访问自己所在CCX/CCD里的32MB。当然理论上可以通过IF总线跨越访问，但是带宽太低、延迟太高，没法用。IOD部分和锐龙7000系列上是一样的，因此同样有2个RDNA2架构的GPU CPU单元、128位双通道DDR5-5600内存控制器、28条PCIe 5.0总线、5个USB接口、四组显示输出。

代号Strix Point的移动版锐龙AI 300系列的裸片、核心布局图。

变化还是挺大的，上一代Zen4、Zen4c组合只在两款低端型号上低调尝试，这次变成了标准的Zen5、Zen5c组合。

注意看左上角，分了两个黄色框图，4个Zen5核心和对应的16MB三级缓存是一组，8个Zen5c核心和对应的8MB是另一组，也就是和桌面上类似甚至更极端，Zen5、Zen5c三级缓存各用各的，没法互通，24MB也只是个总容量。

GPU部分是RDNA3.5架构，8组WGP也就是16个CU，1024个流处理器。NPU部分是48阵列的XDNA 2架构。这俩大家都很熟悉了。

IO部分，支持128位LPDDR5X-7500/DDR5-5600内存、16条PCIe 4.0、8个USB接口，包括两个USB4。

RDNA 3.5架构的GPU在纹理子系统、着色器子系统、光栅子系统、显存/内存子系统等各个方面做了优化和增强，采样率等部分指标性能翻番，可以和LPDDR5X内存更好地搭配，压缩率也更高。

当然规模也增大了，12个CU变16个CU，4个渲染后端(RB+)，最高频率提升至2.9GHz，理论性能提升了大约30％，只是由于驱动还不到位，目前在游戏性能上还没释放出来。

XDNA2架构的NPU AI引擎，号称第一个为“Win24”做好准备的x86处理器NPU，不过现在能用到NPU的应用还是太少了，无论AMD还是Intel。

总的来说，Zen5作为一次大规模的架构升级，从目前表现来看是相当成功的，无论笔记本上的锐龙AI 300系列，还是桌面上的锐龙9000系列，性能、能效都提升巨大、可圈可点，服务器上的第五代EPYC同样值得期待。

Intel方面即将拿出对位的Arrow Lake，错失一代之后终于回归高性能之争，又一场好戏开始了！