10年代的最終樂章　即將來臨的平臺大升級

AMD第三代銳龍 性能為王

在整個市場即將迎來的巨大變化中，如果說產(chǎn)品、市場是廠商“玩家”們手里的一副牌（圖1），那么牌面應(yīng)該就是產(chǎn)品的能力、價格等因素，而在牌面之下，真正決定了牌面大小的，卻是一些核心技術(shù)，其中最突出的就是制程和架構(gòu)。

2019年下半年，“制程”將是新產(chǎn)品們特別吸引眼球的特性。AMD的CPU與GPU全面進(jìn)入7nm時代，而英特爾的10nm制程也終于成熟，相關(guān)產(chǎn)品都會在下半年逐步進(jìn)入市場。在同樣的架構(gòu)下，更精細(xì)的制程工藝可以讓晶體管更小巧，芯片面積、成本、功耗等都會隨之降低。

當(dāng)然，要想獲得更好的表現(xiàn)，還需要用更適合制程進(jìn)步的架構(gòu)設(shè)計。例如AMD的7nm CPU和GPU就分別采用了新的Zen 2和RDNA架構(gòu)，Intel也在首批10nm工藝CPU中使用新的Sunny Cove微內(nèi)核架構(gòu)，不過它在很長時間內(nèi)將是移動平臺的獨(dú)享。

借助新制程與新架構(gòu)，PC中最重要的兩個核心芯片——CPU和GPU都將在2019年下半年實(shí)現(xiàn)一次跨代。與之前的產(chǎn)品相比，這些引領(lǐng)我們進(jìn)入20年代的新產(chǎn)品，究竟有著怎樣的實(shí)力呢？

在進(jìn)入Zen架構(gòu)時代后，AMD CPU又一次有了與英特爾爭奪性能皇冠的實(shí)力，近幾年也屢次奪得了最強(qiáng)消費(fèi)級CPU的桂冠，雖然英特爾也屢次迅速反應(yīng)，重返性能寶座，但比Zen老得多的酷睿架構(gòu)卻逐漸露出了疲態(tài)。這一次的新架構(gòu)銳龍將更加難以應(yīng)對，甚至已經(jīng)展現(xiàn)出了長期霸占王座的能力。

在第二代銳龍推出時，很多人就在質(zhì)疑為何不采用改進(jìn)更大的Zen 2架構(gòu)，而是漸改架構(gòu)Zen+。而在第三代銳龍現(xiàn)身后，這一問題終于有了答案。很明顯，Zen 2在設(shè)計時就已經(jīng)考慮到使用更先進(jìn)的7nm制程，不僅提升核心效率，而且還結(jié)合新一代InfinityFabric互聯(lián)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更靈活的模塊化配置。

針對核心效率，Zen 2架構(gòu)的主要改進(jìn)包括分支預(yù)測改進(jìn)、整數(shù)吞吐提升、浮點(diǎn)模塊翻番、內(nèi)存延遲降低、三級緩存容量翻番、頻率大幅提高等，將代表核心效率的IPC（每時鐘周期指令數(shù)）再次提升了15%，單線程性能提升了多達(dá)21%。在消費(fèi)級市場中，核心效率的提升主要表現(xiàn)在游戲能力方面，同樣是8核心16線程，銳龍73800X相比于銳龍7 2700X，在主流游戲大作的幀速中可以提升少則10%、多則34%以上。而在之前的Zen、Zen+核心效率已經(jīng)接近英特爾酷睿的情況下，這一次的效率提升實(shí)際上也讓銳龍的單核性能達(dá)到了與酷睿并駕齊驅(qū)的水平。在已經(jīng)公布的很多測試中，第三代銳龍從單核到多核，也都確實(shí)表現(xiàn)出了與對手同等甚至更高的能力。

不過作為通用性極高的計算單元，它是否能在很多針對英特爾優(yōu)化的軟件中有更好的表現(xiàn)，或者獲得廠商的承認(rèn)，同樣進(jìn)行足夠的優(yōu)化，我們尚未可知，而在這方面，近期的一個例子就是最新版的Windows10終于修正了一個針對銳龍CPU的Bug，使得銳龍CPU的效率，特別是多核效率有了明顯提升。雖然這一示例對用戶來說是積極的，但在初代銳龍已經(jīng)上市兩年多之后才修正了這樣的Bug，也說明AMD的廠商優(yōu)化之路仍然很長。

除了核心效率的提升之外，Zen 2的多芯片設(shè)計也更加靈活。毋庸諱言的是，7nm制程在目前仍然是比較困難的，而且對很多芯片來說也是并無必要的技術(shù)，所以第三代銳龍采用了I/O部分與CPU分開的設(shè)計（圖2），在I/O部分中仍然使用12nm制造工藝，也就是所謂的hiplet多芯片設(shè)計，或者說是俗稱的“膠水”芯片。不過這一設(shè)計還是相當(dāng)實(shí)用的，除了降低核心規(guī)模、提升良品率外，還可以更加靈活地組合CPU模塊，構(gòu)成更多核心，甚至升級為超多核心的霄龍（EPYC）CPU。

為了保證這樣的多芯片設(shè)計不會影響整體性能，AMD還使用了第二代InfinityFabric總線，提升模塊之間的通信帶寬，降低響應(yīng)延遲。它提升了帶寬，采用總線頻率、內(nèi)存頻率分離式設(shè)計，單位功耗降低了27%，可支持PCle 4.0標(biāo)準(zhǔn)，特別是為消費(fèi)級CPU應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化（圖3）。

第三代銳龍的基礎(chǔ)模塊仍然是合有4個物理核心的CCX（CPU Complex），兩個CCX組成一個CCD （CPU ComplexDie）獨(dú)立芯片。其中每個CCX的共用三級緩存增加至16MB，比第二代銳龍翻番，一級緩存也進(jìn)行了調(diào)整以提高效率。不過在大幅度增加緩存的情況下，得益于新架構(gòu)和新工藝，三代銳龍的每個CCX模塊面積卻從二代銳龍的60平方毫米縮小為31.3平方毫米，有利于在同樣封裝下集成更多核心（圖4）。

單獨(dú)的I/O Die集成了輸入輸出控制中心、一體化內(nèi)存控制器。每個CCD有各自的InfinityFabric PHY物理層，可直連I/O Die芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)總線（ Data Fabric）。不過各個CCD芯片之間沒有直接通道，通信必須經(jīng)過I/O Die，這樣可以保證不同核心、緩存之間的延遲是一致的，讓多線程性能提升幾乎達(dá)到了完全的線性。

Zen架構(gòu)的內(nèi)存延遲是比較明顯的，也一直是為人詬病且影響性能提升的問題。在第三代銳龍中，內(nèi)存延遲大幅降低，加上支持更高的DDR4內(nèi)存頻率、翻倍的三級緩存、更準(zhǔn)確的分支預(yù)測能力，使其性能有了明顯提升。

此外第三代銳龍在計算單元的設(shè)置、微指令、操作方式等方面也進(jìn)行了改進(jìn)，并且支持單操作AVX-256、更快的虛擬化安全、硬件增強(qiáng)安全防御等等，CPU模塊設(shè)計和操作方式上進(jìn)行了全面強(qiáng)化和革新。最后，Zen 2作為新的架構(gòu)，在設(shè)計中就已經(jīng)考慮到從硬件層面避免Meltdown、Spectre等CPU架構(gòu)漏洞，所以基于這一架構(gòu)的第三代銳龍也就成了一款相對安全且無需任何底層系統(tǒng)補(bǔ)丁，不會因此造成性能損失的CPU。

在市場方面，第三代銳龍的出現(xiàn)在高低兩方面對市場的推動最為明顯。低端方面將主流平臺的起始標(biāo)準(zhǔn)拉到了6核心12線程，這已經(jīng)超過了數(shù)年前的高端CPU，讓主流機(jī)型的應(yīng)用能力大幅提升。而在高端CPU中，它提供的12核心24線程配置則達(dá)到了之前專業(yè)級CPU的水平，在消費(fèi)級電腦中運(yùn)行專業(yè)軟件會成為很平常的事。

當(dāng)然，這樣的設(shè)計會進(jìn)一步推動對手的CPU不斷增加核心/線程，同時消費(fèi)級應(yīng)用軟件的多線程利用率也必須提升，才能適應(yīng)CPU的發(fā)展趨勢。

AMD?Navi核心 意料之外的新架構(gòu)

基于7nm新工藝的AMD Navi核心一直被認(rèn)為仍繼承GCN架構(gòu)，因此很多人對其性能也就不太看好。不過隨著它的正式公布，全新的RDNA架構(gòu)（圖5）突然出現(xiàn)在世人面前，隨之而來的還有出乎很多人預(yù)料的性能。

要知道，隨著GPU架構(gòu)日益復(fù)雜，現(xiàn)在設(shè)計一個新的GPU架構(gòu)甚至要比設(shè)計一個新的CPU架構(gòu)還要難，本次的RDNA架構(gòu)就花費(fèi)了長達(dá)四年的時間進(jìn)行研發(fā)。它仍采用統(tǒng)一著色器方式，但標(biāo)量和矢量單元走向融合，支持SIMT（單指令多線程）、ILP（指令集并行）、SlMD（單指令多數(shù)據(jù)流），使得單線程性能和指令集執(zhí)行效率都大大提升。它同時集成了GCN架構(gòu)的指令以保持向下兼容，所以很多基于GCN的技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計在RDNA架構(gòu)上也可以得到支持。

已經(jīng)公布的Radeon R×5700/5700XT（圖6）采用的是Navi10核心，集成了103億個晶體管，比Vega 64的125億個少了大約18%，核心面積更是小了近一半，只有251平方毫米，但性能卻比Vega 64提升了14%，同時功耗降低了23%，因此單位面積性能提升了足足1.3倍，能效比則提升了50%（圖7）。

除了RDNA新架構(gòu)，Navi核心還有支持GDDR6顯存、PCle 4.0總線、Radeon媒體引擎、Radeon顯示引擎等全新特性。不過它卻沒有內(nèi)置硬件光線追蹤引擎，這也說明了GPU開發(fā)的復(fù)雜性，畢竟在4年前預(yù)測現(xiàn)在的游戲引擎需求是非常困難的事情。

RDNA架構(gòu)的設(shè)計理念主要有四個方面，性能上要滿足現(xiàn)代游戲的需求，能效上要充分優(yōu)化功耗和帶寬利用率，功能上要壯大生態(tài)，擴(kuò)展性上要從移動到桌面到云端通吃。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，RDNA架構(gòu)主要從CU計算單元、緩存、流水線三大方面進(jìn)行了變革。

以目前已經(jīng)公布的Navi10核心為例，它擁有40組新型計算單元，每組有2個標(biāo)量處理器、64個流處理器、4個64位雙線性過濾單元。雖然每一組的流處理器數(shù)量沒有變化，但執(zhí)行延遲更低，單線程性能更強(qiáng)，緩存效率更高，整體計算能效比GCN架構(gòu)有著巨大的提升。從實(shí)際游戲測試看，RX 5700（圖8）和RX5700 XT（圖9）相對于類似價位的對手，在游戲性能方面都擁有比較明顯的優(yōu)勢。

RDNA的整個圖形引擎也作了重新調(diào)整，更加順暢高效，包括幾何引擎、64個紋理單元、4個異步計算引擎（ACE），負(fù)載分配更加均衡，可以在更低的功耗下達(dá)成更高的頻率，能效比更高。它帶有位于不同模塊的多個零級緩存、512KB一級緩存、4MB二級緩存。多級緩存一致性可以帶來更低的延遲、更高的帶寬、更低的功耗。

RDNA支持Delta數(shù)據(jù)壓縮，可提高傳輸率。它還對色彩壓縮算法進(jìn)行了改進(jìn)，不僅可供顯示引擎直接讀取，也能被著色器直接讀寫而無需解壓和重新壓縮。

最后，它在AMD著力推廣的異步計算能力方面也有加強(qiáng)，可以在DX12、Vulkan API下表現(xiàn)更好，更精準(zhǔn)地實(shí)時控制其他模塊。它還借鑒了Zen架構(gòu)設(shè)計的一些先進(jìn)理念，比如在時鐘門控方面提升效率和能效比，同時減少了邏輯層級以達(dá)到更高的頻率。

在集成顯示輸出和多媒體處理核心方面，它支持HDMI 2.0/DisplayPortl.4，只需一根數(shù)據(jù)線即可輸出最高4K@240Hz、8K@60Hz的畫面。同時它也優(yōu)化了VR頭顯顯示輸出，提供了標(biāo)準(zhǔn)HDR和FreeSync 2 HDR畫面輸出能力，并針對高分辨率HR顯示器進(jìn)行了優(yōu)化。

RDNA架構(gòu)集成的Radeon多媒體引擎大大改進(jìn)了視頻編解碼，增加了新的H.265 HDR/WCG編碼器，全面支持H.264?1080P@600Hz、4K@150Hz、8K@30Hz解碼和1 080P@360Hz、4K@90Hz編碼，H.2651080P@360Hz、4K@90Hz、8K@24Hz解碼和1080P@360Hz、4K@60Hz編碼，VP9 4K@90Hz、8K@24Hz解碼，整體編碼速度加快40%。

雖然目前的第一代RDNA架構(gòu)沒有專門的硬件光線追蹤加速能力，不過AMD面向?qū)I(yè)應(yīng)用的ProRender早就提供了RadeonRays光線追蹤功能（圖10），面向內(nèi)容創(chuàng)作渲染和游戲開發(fā)，將其轉(zhuǎn)移到消費(fèi)級產(chǎn)品中應(yīng)該并非不可能。據(jù)稱在下一代RDNA架構(gòu)上，AMD就會通過硬件單元支持光線追蹤效果，不過AMD認(rèn)為將其全部交給本地硬件處理的效率低下，未來會更多借助云計算來實(shí)現(xiàn)全場景的光線追蹤，這一點(diǎn)與英偉達(dá)的DLSS抗鋸齒技術(shù)有幾分相似。

除了基于產(chǎn)品自身能力的性能、能耗、功能方面改進(jìn)之外，RDNA架構(gòu)還擴(kuò)展到了移動市場上，授權(quán)給三星移動CPU使用，這一新興的市場也許會讓AMD顯示技術(shù)獲得更大的發(fā)展。同時AMD GPU也被新一代游戲主機(jī)繼續(xù)采用，作為在PC之外的市場獲得了廣泛支持的顯示架構(gòu)，AMDGPU在未來的跨平臺游戲、云游戲等應(yīng)用模式中應(yīng)該能取得一定的先機(jī)。

雖然從功耗、特效支持等角度看，第一代RDNA還算不上成熟，但作為第一款使用7nm制程的消費(fèi)級GPU，它還是給我們帶來了不少新體驗(yàn)，例如超高的圖像輸出、視頻處理能力等。而對玩家來說，細(xì)看其游戲測試就會發(fā)現(xiàn)，這是一款已經(jīng)完全為1440P（2K分辨率）游戲優(yōu)化的GPU和顯卡，會推動這一分辨率成為新的游戲主流設(shè)置。這一趨勢也影響到了對手的產(chǎn)品，隨后推出的英偉達(dá)RTXSuper系列GPU中，面向最主流用戶的RTX 2060Super就將顯存增加到了更適合1440P分辨率的8GB。

英特爾Ice Lake 管窺未來架構(gòu)

與前面提到的另外兩款產(chǎn)品不同，英特爾新制程、新架構(gòu)的lce Lake CPU，或者說是第十代酷睿是面向移動平臺的產(chǎn)品，不僅推出時間更晚，也很可能不會有相應(yīng)的桌面級產(chǎn)品。所以我們對它的了解，只能說是對英特爾未來架構(gòu)的一種管窺，希望能夠窺一斑而知全豹，但免不了有所遺漏。

在各種場合介紹lce Lake的同時，英特爾特別強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)就是改變定位，它不是獨(dú)立的CPU產(chǎn)品，而是英特爾六大技術(shù)支柱綜合戰(zhàn)略的一部分。而六大支柱則指的是制程和封裝、架構(gòu)、內(nèi)存和存儲、互聯(lián)、安全、軟件（圖11），它們將幫助英特爾從晶體管為中心轉(zhuǎn)型到數(shù)據(jù)為中心，并且成為未來發(fā)展的基礎(chǔ)。

盡管CPU作為一款產(chǎn)品，在新戰(zhàn)略中的地位有所下降，但它卻仍然是綜合了六大支柱的能力的典型代表。以lce Lake為例，它采用全新的Sunny Cove架構(gòu)及Gen11核顯（圖12）、10nm制程、支持高達(dá)3733MHz的LPDDR4內(nèi)存和傲騰技術(shù)、集成雷電3和Wi-Fi 6，并且進(jìn)行了安全及軟件優(yōu)化，幾乎涵蓋了六大支柱的所有方面，是一款可以綜合反映英特爾未來戰(zhàn)略的產(chǎn)品。

首先是制程和封裝，僅從14nm再到1 0nm的提升，就使得晶體管密度提升了2.7倍，達(dá)到了1億個晶體管/平方毫米，為提升計算能力打下了基礎(chǔ)。而在封裝方面，lceLake也是用了更靈活的I/O控制模塊與CPU模塊分離的設(shè)計，并使用了釕等新材料（圖13）。英特爾未來還將引入3D封裝技術(shù)Foveros，讓設(shè)計人員可以在同一封裝內(nèi)“混搭”不同的計算單元、存儲芯片和I/O配置功能模塊，甚至其他各種功能模塊，讓芯片架構(gòu)從二維走向三維，將帶來指數(shù)級的性能和功能增長。

對英特爾來說，架構(gòu)創(chuàng)新仍然是整體戰(zhàn)略的主要驅(qū)動力，其中當(dāng)然也包括lce Lake使用的SunnyCove架構(gòu)。在內(nèi)部計算能力的增強(qiáng)方面，其做法與AMD的Zen 2架構(gòu)有異曲同工之妙，同樣調(diào)整了緩存，將L1緩存增加了50%，L2緩存翻倍，同樣提高了分支預(yù)測精度，降低了延遲，也大幅提升了支持的內(nèi)存頻率。此外Sunny Cove架構(gòu)的尋址單元從4個增加到5個，執(zhí)行單元接口從8個增加到10個，提高了微架構(gòu)的并行性能，這顯然也是針對核心規(guī)模不斷增長作出的調(diào)整。除此之外，它還提升了一些特定應(yīng)用的能力，比如通過增加新的AES、SHA-NI指令提高了加解密性能等。所有這些調(diào)整的綜合效果使IPC效能增長達(dá)到了18%，是自第六代酷睿推出以來最大的性能提升。

不過lce Lake的通用計算能力增長與其核顯的能力增長相比就不算什么了，它采用的核顯升級到了Gen11架構(gòu)，EU單元從目前Gen 9/10的最高24個提升至64個，在1.1GHz頻率下，浮點(diǎn)性能高達(dá)1.12TFLOPS，F(xiàn)P16半精度更是高達(dá)2.25TFOPS。在游戲能力方面，它已經(jīng)可以達(dá)到甚至超過銳龍7 3500U內(nèi)置顯示單元的水平（圖14），可以在全高清分辨率下保證主流網(wǎng)游流暢運(yùn)行，甚至運(yùn)行3A大作時也可以達(dá)到30FPS以上的速度。

此外，Gen 11核顯在解碼、視頻輸出、垂直同步技術(shù)上大幅升級，雙解碼單元支持HEVC、VP9硬解，可使用DPl.4、HDMI 2.Ob接口進(jìn)行三屏獨(dú)立輸出，最高可輸出8K@30Hz、5K@60Hz、4K@120Hz的10-bit畫面，而且還支持AdaptiveSync自適應(yīng)垂直同步技術(shù)，防止高速畫面出現(xiàn)撕裂的問題。

至于存儲方面，LPDDR4-3733MHz內(nèi)存以及DDR4-3200內(nèi)存可大幅提升外部數(shù)據(jù)交換能力，并且一舉改變英特爾CPU在內(nèi)存頻率支持方面的短板。傲騰內(nèi)存則擁有遠(yuǎn)高于一般SSD，更接近DDR4內(nèi)存的讀寫性能，可以彌補(bǔ)內(nèi)存與SSD之間的性能鴻溝。

在lce Lake平臺中，40Gbps速率的雷電3接口、近10Gbps的Wi-Fi6無線標(biāo)準(zhǔn)都會成為內(nèi)置標(biāo)配。在這個數(shù)據(jù)為王的時代，更快速地連接海量數(shù)據(jù)也將帶給lce Lake巨大的優(yōu)勢。關(guān)于這兩個技術(shù)及其應(yīng)用、產(chǎn)品我們已經(jīng)進(jìn)行過比較詳細(xì)的介紹，這里就不贅述了。

至于軟件優(yōu)化、安全性等方面的表現(xiàn)，lceLake及其配套芯片的表現(xiàn)同樣會更加優(yōu)秀。為了簡化開發(fā)者的難度，Intel將推出One API的戰(zhàn)略，可以簡化跨CPU、GPU、FPGA、人工智能加速器等各種計算引擎的編程。該項(xiàng)目包括一個全面、統(tǒng)一的開發(fā)工具組合，以將軟件匹配到能最大限度加速軟件代碼的硬件上。以Al加速為例，使用新的高效率Al指令后，lce LakeCPU的AI性能相比八代酷?？商嵘?-2.5倍。

其他

盡管除了CPU平臺和顯卡之外的各種產(chǎn)品，在2019年甚至2020年中并不會有形態(tài)方面的巨大改變，不過一些相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品卻已經(jīng)呼之欲出了。在這些新平臺中，PCle 4.0標(biāo)準(zhǔn)、雷電3、USB 4、Wi-Fi 6等技術(shù)將會造就更多強(qiáng)大的產(chǎn)品，雖然這些產(chǎn)品進(jìn)入主流可能尚需時日，但它們對PC使用體驗(yàn)的提升將是非常巨大的，甚至可能會改變很多PC的傳統(tǒng)應(yīng)用模式。

以PCle 4.0為例，AMD的第三代銳龍及其X570芯片組將提供帶寬倍增的PCle 4.0通道，同時基于Navi GPU的顯卡也將支持這一標(biāo)準(zhǔn)。雖然從目前來看，主流獨(dú)立顯卡對外部帶寬的需求遠(yuǎn)沒有達(dá)到PCle30的極限，只有目前最強(qiáng)的旗艦級顯卡在組建多顯卡模式（PCle 3.0 x8通道）的時候，才會有外部帶寬不足的問題。不過在顯卡之外，目前另一個PCle通道的主要用戶——M.2 SSD卻已經(jīng)迫切地呼喚著帶寬的突破了，支持PCle 4.0的SSD主控芯片和相關(guān)產(chǎn)品（圖15）已經(jīng)進(jìn)行了展示，而傳輸速度則突破了5GB/s，將徹底改變目前數(shù)據(jù)存儲作為PC中最主要“瓶頸”的尷尬地位。

解決目前的瓶頸之后，我們會發(fā)現(xiàn)基于PCle 4.0×4通道的SSD速度已經(jīng)非常接近內(nèi)存，那么存儲系統(tǒng)只作為一個數(shù)據(jù)存儲的空間使用就有些浪費(fèi)了，一些新的應(yīng)用方式將出現(xiàn)在新的PC中。比如可以將高速SSD融入CPU-內(nèi)存體系中，讓一些原先易失性的數(shù)據(jù)在SSD上獲得半永久的保存，關(guān)機(jī)后內(nèi)存數(shù)據(jù)并不會丟失，下次開機(jī)后就能直接進(jìn)入關(guān)機(jī)前的運(yùn)行狀態(tài)，例如QQ直接在線、所有工作可繼續(xù)進(jìn)行等。而在筆記本電腦耗盡電力、臺式機(jī)突然斷電的情況下，這一能力更會為用戶帶來前所未有的便利與安全。

這樣的愿景還遠(yuǎn)非這次平臺升級帶來的最大變化，因?yàn)槲覀兗磳⒂瓉淼倪@次PC平臺升級影響將極為深遠(yuǎn)，很可能會在20年代帶給我們完全不一樣的PC設(shè)計和使用體驗(yàn)，讓大家進(jìn)入一個全新的PC時代。