Améliorations architecturales AMD Zen 3: expliquées

Le 8 octobre^th,2020 AMD a annoncé ses tout nouveaux processeurs de bureau Ryzen série 5000 basés sur l'architecture Zen 3. Cette annonce était l'une des annonces matérielles PC les plus attendues de l'année. Depuis le lancement de l'architecture Zen originale en 2017, AMD est sur une trajectoire ascendante abrupte en termes d'améliorations architecturales annuelles. Cette année n'a pas été différente, AMD prétendant offrir le plus grand saut générationnel de l'histoire des processeurs Ryzen. Qu'est-ce qui rend cette nouvelle architecture si spéciale? Examinons en profondeur les améliorations architecturales apportées par Zen 3.

AMD a dévoilé son architecture Zen 3 le 8 octobre 2020 - Image: Wccftech

Les bases de l'architecture zen

Les processeurs Ryzen d’AMD utilisent une conception unique qui est très différente de celle que leur principal concurrent Intel utilise dans leurs processeurs de bureau. Les processeurs Ryzen sont en fait basés sur plusieurs petits puces, plutôt que sur une grande puce unique. Ces différents puces communiquent entre eux via une connexion appelée «Infinity Fabric». AMD décrit la structure Infinity comme un sur-ensemble d'hyper-transport qui permet une connectivité rapide entre différents chipsets dans les processeurs AMD. Cela signifie qu'au lieu d'une seule puce, il y a plusieurs petits puces sur le substrat qui communiquent entre eux via une liaison rapide.

Cette conception a ses avantages et ses inconvénients. Le plus grand avantage est l'évolutivité. Une conception de chipset signifie qu'AMD peut emballer plus de cœurs dans un package plus petit, permettant ainsi des options de nombre de cœurs élevé, même dans le segment budgétaire du marché des processeurs. Le principal inconvénient de cette conception est la latence. Les cœurs sont physiquement séparés les uns des autres, ce qui introduit un peu plus de latence en raison du temps nécessaire aux données pour traverser le tissu infini. Cela signifie que les performances dans les applications sensibles à la latence comme les jeux sont généralement inférieures à la conception à puce unique d'Intel.

Implémentation Zen 2

Les processeurs de la série Ryzen 3000 ont été un énorme succès sur le marché grand public des ordinateurs de bureau. Ces processeurs étaient basés sur l’architecture Zen 2 basée sur le processus 7 nm de TSMC, qui présentait des améliorations très intéressantes dans la conception de l’architecture Zen. Zen 2 a combiné les cœurs de processeur en complexes de base de 4 chacun, tout en divisant le pool de 32 Mo de cache L3 en deux plus petits pools de 16 Mo de cache chacun. Ces complexes centraux (CCX) étaient à la base de la gamme de processeurs Zen 2. Chaque complexe à 4 cœurs avait un accès immédiat aux 16 Mo de cache L3, ce qui était important pour améliorer la latence. Cela signifiait que Zen 2 était très compétitif par rapport à Intel dans les applications sensibles à la latence comme les jeux, tout en surpassant largement Intel dans les charges de travail multithread.

Les différentes unités CCX devaient encore être interconnectées via Infinity Fabric, donc une certaine latence était encore à prévoir. Néanmoins, Zen 2 offrait une amélioration de 15% de l'IPC (Instructions Per Clock) par rapport à Zen + et se vantait également d'avoir des horloges de base plus élevées. Cette génération était importante pour AMD, car ils ont maintenant récupéré leur place dans la concurrence avec Intel et ont un énorme potentiel d'amélioration en raison de leur innovation rapide et de la complaisance d'Intel.

Les processeurs de la série Ryzen 3000 basés sur AMD Zen 2 utilisaient une conception multi-CCX - Image: Hexus

Cibles pour Zen 3

AMD a décidé de développer Zen 3 avec un objectif très clair en tête. Comme ils dominent déjà le côté multithread de la concurrence, le seul domaine où ils sont encore un peu en retard sur Intel est le jeu. Aussi bon que soit le Zen 3, il ne pouvait pas voler la couronne de jeu à Intel en raison du design de l'équipe bleue qui offre des vitesses d'horloge extrêmement élevées et une faible latence. Pour les joueurs purs qui veulent le taux de rafraîchissement le plus élevé possible, la réponse était toujours Intel. Par conséquent, les objectifs d’AMD pour cette génération étaient clairs:

• Améliorez la latence de cœur à cœur
• Augmenter les vitesses d'horloge de base
• Augmenter les instructions par horloge (IPC)
• Augmenter l'efficacité (performances supérieures par watt)
• Augmentez les performances à un seul thread

Étant donné que Zen 2 était déjà très performant dans les applications multicœurs, il était facile pour AMD de se concentrer presque exclusivement sur les performances mono-thread pour cette génération de processeurs.

Améliorations Zen 3

AMD a parlé de ses nouveaux processeurs et de l'architecture Zen 3 dans sa diffusion en direct «Where Gaming Begins» le 8 octobre^e. AMD affirme que Zen 3 est le plus grand saut générationnel de l'histoire de l'architecture Zen. Les nouveaux processeurs Ryzen 5000 sont toujours basés sur le processus 7 nm de TSMC, mais présentent un bon nombre d'améliorations architecturales sous le capot.

Conception complexe à 8 cœurs

La plus grande amélioration de la nouvelle architecture était sans doute la toute nouvelle disposition. AMD a supprimé la conception multi-CCX de Zen 2 et a plutôt opté pour une conception complexe unique à 8 cœurs dans laquelle tous les 8 cœurs ont accès à l'ensemble des 32 Mo de cache L3. Cette refonte a d'énormes implications dans les applications sensibles à la latence comme les jeux.

Avec un complexe à 8 cœurs repensé, l'intégralité du cache L3 de 32 Mo est désormais disponible pour chaque cœur - Image: AMD

Avec chaque cœur en contact direct avec le cache et les autres cœurs, cela améliore considérablement la latence car les données n'ont pas la traversée de la matrice entière pour passer d'un côté à l'autre. Cette refonte améliore également la latence mémoire effective de la puce, ce qui se traduit par des performances accrues pour les tâches à un seul thread.

Amélioration de l'IPC

L'amélioration de la disposition du complexe central n'est pas la seule amélioration apportée par Zen 3. AMD revendique une amélioration de l'IPC de 19% par rapport à Zen 2, ce qui est un chiffre énorme. IPC ou Instructions Per Clock indique la quantité de travail que le CPU peut effectuer par cycle d'horloge. L'amélioration de 19% est le plus grand bond que nous ayons vu dans l'IPC depuis le lancement de Ryzen en 2017. La génération précédente de processeurs Zen 2 a également apporté une amélioration IPC assez massive de 15% par rapport à l'architecture Zen +.

Cette amélioration de l'IPC signifie qu'AMD peut rivaliser avec les horloges à cœur extrêmement élevées d'Intel en restant même en dessous de 5 GHz en termes d'horloges boost. AMD a également décrit les contributeurs à cette augmentation massive de l'IPC. Selon le matériel promotionnel, les principaux facteurs contributifs sont:

Une amélioration de 19% de l'IPC est le plus grand saut générationnel d'AMD à ce jour - Image: AMD

• Prérécupération du cache
• Moteur d'exécution
• Prédicteur de branche
• Cache micro-op
• L'extrémité avant
• Charger / stocker

Efficacité améliorée

En raison de l’incroyable densité du processus 7 nm de TSMC, AMD a été en mesure d’introduire encore plus de puissance dans les puces Ryzen tout en conservant la même consommation d’énergie moyenne. AMD affirme que les puces de la série Ryzen 5000 sont construites sur le même processus 7 nm que la série 3000, mais le processus a été affiné et les puces résultantes sont donc plus efficaces.

Avec une impressionnante amélioration des performances par watt de 2,4 fois, AMD a maîtrisé la consommation d'énergie - Image: AMD

AMD a également affirmé audacieusement que les Ryzen 9 5900X et 5950X consommeraient respectivement la même quantité d'énergie que les 3900X et 3950X de dernière génération, malgré des horloges de suralimentation plus élevées et un IPC amélioré. Le matériel promotionnel d'AMD mentionnait une amélioration de «2,4 fois les performances par watt» par rapport à l'architecture Zen d'origine. Ce nombre correspond aux affirmations d'AMD concernant la consommation électrique de 5900X et 5950X, car ils ont maintenant des horloges plus élevées mais ont toujours les mêmes numéros TDP que leurs prédécesseurs.

Silicium raffiné, horloges supérieures

À la fin de la vie de la série Ryzen 3000, AMD a publié un rafraîchissement qui a ajouté 3 processeurs à la série avec la marque «XT». Les Ryzen 5 3600XT, Ryzen 7 3800XT et Ryzen 9 3900XT étaient exactement les mêmes processeurs que les modèles de base, mais avec des vitesses d'horloge plus élevées. À la fin de la durée de vie d’un produit, le processus de fabrication devient mature et la qualité du silicium s’améliore. Cela signifie que le silicium produit des processeurs qui peuvent augmenter plus haut et tenir les horloges plus longtemps. C'est exactement ainsi que la gamme de processeurs XT est devenue possible.

Avec les processeurs Zen 3, AMD a utilisé le même processus de fabrication mature et le silicium de meilleure qualité pour construire les processeurs de la série 5000 sur le même nœud 7 nm. Cela a permis à AMD de pousser les horloges de suralimentation beaucoup plus haut que même la série XT de la dernière génération. Des horloges de suralimentation plus élevées, associées à un IPC plus élevé et à une refonte de la disposition du cœur signifiaient qu'AMD était prêt à relever le défi des performances à un seul thread. Les vitesses d'horloge annoncées des 4 processeurs de la série Ryzen 5000 sont les suivantes:

Spécifications annoncées pour les 3 processeurs Ryzen série 5000 - Image: AMD

• AMD Ryzen 5 5600X: 3,7 GHz de base, 4,6 GHz Boost
• AMD Ryzen 7 5800X: 3,8 GHz de base, 4,7 GHz Boost
• AMD Ryzen 9 5900X: 3,7 GHz de base, 4,8 GHz Boost
• AMD Ryzen 9 5950X: 3,4 GHz de base, 4,9 GHz Boost

Avantages de la conception Chiplet

De nombreux facteurs ont permis à AMD de faire un bond intergénérationnel aussi important. L'un des plus importants est la conception des puces elle-même, à savoir la disposition «Chiplet Style» des matrices de processeur. Cette conception offre de nombreux avantages clés en matière d'améliorations générationnelles:

• Évolutivité: En raison du fait que les noyaux sont disposés à l'intérieur des puces sur le substrat, il est possible pour AMD d'entasser plus de noyaux dans un emballage similaire sans risque de surchauffe. La conception concurrente d'Intel place tous les cœurs très proches les uns des autres, ce qui peut avoir de graves problèmes thermiques s'ils ne sont pas configurés correctement. AMD, d'autre part, a réussi à utiliser cette conception de chipset pour fabriquer des processeurs à 6 cœurs, 8 cœurs, 12 cœurs et même 16 cœurs sur la plate-forme de bureau grand public. Cela signifie qu'AMD a établi une domination du nombre de cœurs grâce à cette conception.
• Facilité de développement: Un autre gros avantage de cette conception est apparemment sa facilité de développement. Au cours du processus de développement de l'architecture Zen 3, AMD a utilisé exactement le même design de base que Zen 2, puis l'a modifié. Cela signifiait que la conception était déjà perfectionnée dans une certaine mesure et qu'il était facile pour AMD de s'améliorer dans les domaines clés qu'ils ciblaient.
• Développement simultané de 5 nm: AMD a également souligné que leurs projets futurs pour les processeurs Ryzen basés sur l'architecture 5 nm étaient également sur la bonne voie. En effet, l'architecture de conception de chiplet permet à AMD d'exécuter plusieurs flux de développement simultanément. AMD était convaincu que leur processus 5 nm arriverait comme prévu, tout comme les architectures Zen 3 et Zen 2 basées sur le processus 7 nm.

AMD affirme que son processus 5 nm est également en cours de conception - Image: AMD

Résultats attendus

Les processeurs de la série Ryzen 5000 basés sur Zen 3 promettent d'être les leaders de l'industrie non seulement dans les charges de travail multithread, mais aussi dans les jeux. Pour la première fois depuis 2006, AMD a officiellement détrôné Intel dans la course aux meilleures performances de jeu absolues (selon les affirmations d’AMD). AMD a également affirmé avoir les performances à un seul thread les plus élevées de toutes les puces de bureau avec le Ryzen 9 5950X, suivi de près par le Ryzen 9 5900X. Jetons un coup d'œil aux résultats attendus des améliorations architecturales apportées par Zen 3.

Leadership dans le jeu

Avec une énorme amélioration de l'IPC de 19%, des horloges de cœur accrues et un système complexe de cœur repensé, AMD a fait un bond gigantesque dans les performances de jeu de cette génération. Alors que Zen 2 était raisonnablement compétitif avec les offres d'Intel, Zen 3 prévoit de battre carrément Intel dans toutes les charges de travail de jeu. AMD affirme que le Ryzen 9 5900X est en moyenne environ 26% plus rapide que le Ryzen 9 3900X dans les jeux. C'est un saut gigantesque à faire en une seule génération.

De plus, AMD a également affirmé que le Ryzen 9 5900X était plus rapide que le Core i9-10900K dans les jeux. C'est une nouvelle assez énorme pour les fans d'AMD et pour les passionnés de PC en général. Cela signifie désormais que les meilleurs processeurs AMD battent les meilleurs processeurs Intel dans les applications de jeu et multicœurs. Le fait qu’Intel soit toujours bloqué sur l’architecture archaïque 14 nm et leurs processeurs Rocket-Lake de nouvelle génération sont également censés être sur 14 nm. Pendant ce temps, AMD tire sur tous les cylindres avec ses offres 7 nm dans Zen 2 et Zen 3, tout en travaillant simultanément sur les plans 5 nm qui sont apparemment également sur la bonne voie. Cela peut avoir de sérieuses implications pour la part de marché des processeurs Intel de bureau.

Les processeurs AMD Ryzen série 5000 sont plus rapides dans les jeux que les offres d'Intel - Image: AMD

Amélioration des performances à filetage unique

AMD a de meilleures performances multicœurs depuis un certain temps maintenant, mais cela ne se traduit pas nécessairement par de meilleures performances de jeu en raison du fait que les jeux modernes n'utilisent pas efficacement tous les cœurs. De nombreux jeux ont un fil conducteur, souvent appelé «fil du monde», qui est le plus largement utilisé. Le thread mondial est extrêmement sensible à la latence et aux performances monocœur. Grâce à la refonte architecturale d'AMD, la latence a été massivement réduite, améliorant ainsi massivement les performances de ce thread dominant. Cela a permis à AMD de prendre la tête des scénarios de jeu.

Cela signifie également que les performances mono-thread d'AMD sont désormais largement supérieures à celles d'Intel. En fait, AMD a montré un score Cinebench monocœur impressionnant de 640 pour le Ryzen 9 5950X, suivi de près par le score de 631 par le Ryzen 9 5900X. Ces améliorations sont également possibles en raison de la refonte du complexe architectural central, de la latence réduite et des horloges boost plus élevées de l'architecture Zen 3. En savoir plus sur les performances mono-thread des processeurs Ryzen série 5000 dans Cet article.

L'AMD Ryzen 9 5900X détient un score monocœur record de 631 dans Cinebench - Image: AMD

Performances multi-thread encore plus élevées

Poursuivant sa domination sur le segment des performances multithreads, AMD a de nouveau montré des chiffres impressionnants pour ses processeurs de la série Ryzen 5000 basés sur Zen 3. En particulier, les Ryzen 9 5900X et Ryzen 9 5950X à 12 cœurs offrent des performances inégalées dans les charges de travail lourdes. AMD a également apporté quelques modifications sous le capot, ce qui a permis au 5950X d'être le processeur de bureau le plus rapide pour le travail de CAO, pour la première fois. AMD l'a considéré comme le meilleur processeur de jeu ET le meilleur processeur pour la création de contenu, et il est difficile de contester cette affirmation. AMD a revendiqué des performances impressionnantes de 12% en plus dans le rendu des charges de travail par rapport au 3950X. Cela fait de ce processeur une bête absolue pour ceux qui recherchent le meilleur de l'informatique de bureau.

Des sonnettes d'alarme pour Intel?

Il ne fait aucun doute qu'AMD a amélioré sa gamme de processeurs Ryzen à un rythme presque aveuglant. Ils ont offert d'énormes améliorations de performances de génération en génération et Zen 3 promet d'être leur plus grand saut à ce jour. Alors que les processeurs de la série Ryzen 3000 offraient un excellent rapport qualité-prix en termes de nombre de cœurs et de prix, ils étaient toujours derrière Intel dans une charge de travail principale: les jeux. AMD avait établi une solide avance dans presque tous les autres aspects du marché des ordinateurs de bureau, qu'il s'agisse du rendu, de l'encodage, de la production vidéo ou du streaming, mais ils devaient dépasser Intel dans le jeu pour être vraiment le meilleur processeur incontesté de sa catégorie.

Grâce à la conception architecturale étonnante des processeurs Ryzen, au processus 7 nm de TSMC et à la brillante planification et exécution par l'équipe de développement AMD, ils l'ont finalement fait avec Zen 3. Ce lancement doit sonner l'alarme au siège d'Intel. Intel est une grande entreprise et il n'y a aucun moyen de ne pas y répondre, mais ils ont certainement pris du retard par rapport à AMD en ce qui concerne la vitesse de développement. Le principal obstacle qu'Intel doit surmonter est son processus vieilli de 14 nm qu'il utilise depuis Skylake.

Feuille de route architecturale d'Intel - Image: Wccftech

Intel a eu des problèmes bien documentés avec son processus 10 nm et ne peut donc pas encore déployer des puces de bureau basées sur cette architecture. Cependant, les marées pourraient changer bientôt, car Intel a sorti avec succès ses récents processeurs portables nommés «Tiger Lake», basés sur l'architecture 10 nm. Ces puces pour ordinateurs portables offrent de grandes améliorations en termes de performances et d'efficacité par rapport à la dernière génération, et il est plausible qu'Intel travaille pour porter ce processus sur les processeurs de bureau. Si Intel parvient à rendre son processus 10 nm fonctionnel, les années à venir seront très intéressantes pour les amateurs de performances CPU.