AMD Zen4架构深入揭秘！49％性能提升从何而来？「zen4 cpu」

AMD锐龙7000系列的性能大家都见识过了，提升幅度可能没有预想得那么猛，但依然诚意十足。锐龙9 7900X作为次旗舰，就足以碾压12代酷睿顶级灰烬版i9-12900KS。主流的锐龙5 7600X更是再次展现爆款潜质，直接让i5-12600K抬不起头来。

至于和Intel 13代酷睿究竟鹿死谁手，还要到这个月底才能见分晓了。

按照AMD的官方数据，Zen4相比于Zen3，同等性能下功耗可降低至多62％，同等功耗下性能可提升至多49％！

今天，我们就来深入了解一下Zen4架构、平台的革新之处，看看如此巨大的提升是从而来的。

一、全新的Zen4内核：前端大变、不一样的AVX-512

先从Zen架构的历史讲起

Zen4已经是AMD Zen系列架构的第四代(Zen/Zen+算作一代)，对比来看它的改革、提升幅度都不是最大的，更多的是在Zen3基础上的一次深度优化增强，并在新工艺的加持下大幅提升频率，最高加速频率不但首次突破5GHz，而且跨越性地达到了5.7GHz！

对比四代架构，初代Zen的变革、提升幅度最猛(当然主要是推土机实在太弱了)，Zen2是一次优化升级，尤其chiplet设计奠定未来基础，Zen3则是再一次革命性的大变，19％ IPC提升也非常感人，Zen4再来个小步快跑就非常符合情理和逻辑了。

按照AMD的说法，Zen4架构的设计目标有三个方面：

一是性能，IPC(每时钟周期指令数或同频性能)和频率提升幅度都要达到两位数(超过10％)；

二是延迟，通过增大二级缓存、改进缓存有效性，大幅降低平均延迟；

三是能效，在整个TDP(热设计功耗)范围内，显著降低动态功耗。

为了达成以上目标，Zen4对整个微架构体系进行了升级优化，包括前端、执行引擎、载入/存储单元、缓存、指令集等等，后边我们会一一讲到。

整体而言，Zen4架构的核心升级点包括：改进分支预测、增大OP指令作缓存、增大指令退役队列、增大整数/浮点寄存器文件、加深核心缓冲吞吐、浮点单元支持AVX-512指令、改进载入/存储单元、增大二级缓存。

前端部分变化较大，这里包括指令缓存、分支预测、解码器、指令缓存、微指令队列等模块。

Zen4架构重点改进了分支预测部分，包括每时钟周期预测两个跳转分支、一级缓存BTB(分支目标缓冲)增大50％达到1.5K条目、二级缓存BTB扩容从6.5K略增至7K。

另外，指令缓存(Op Cache)增大了约68％达到6.75K条目，每时钟周期可以完成多达9个宏指令(增加1个)。

不变的则是解码器每时钟周期发出4条指令、微指令队列每时钟周期分派6个整数＋浮点指令。

执行引擎部分变化较小，尤其是每时钟周期10次整数、6次浮点的指令分派保持不变。

指令退役队列或者说ROB(重排序缓冲)从256条目增大25％至320条目，整数寄存器从192个增至224个，浮点寄存器从160个增至192个，缓存与核心之间的吞吐能力也提升了。

载入/存储单元部分，载入队列从72个增大至88个(22％)，存储队列维持64个不变，二级缓存DTLB(数据页表缓冲)从2K条目增大了多达50％至3K条目，另外还减少了数据缓存端口的冲突几率。

也许有同学会问，很多模块都是不断增大、再增大，为什么不一步到位，从设计之初就做个大容量呢？

一方面，谁也无法精准预测每个模块多大容量下效率最好，而且不同模块之间需要彼此协调配合；

另一方面，更大容量意味着更多晶体管、更大核心面积、更高功耗、更高成本，需要在性能、能效之间做出妥协、寻求平衡。

缓存体系也做了优化，尤其是二级缓存，不但容量翻了一番，每核心来到1MB，还提升了速度。

同时，从二级缓存到三级缓存、从三级缓存到内存，都支持更多命中失败(outstanding miss)，可以减少流水线的停顿，增加缓存回填带宽，提升整体效率。

不过整体缓存架构没变，一级缓存依然是32KB+32KB的每核心容量组合，三级缓存则继续每8个核心一组共享32MB。

AVX-512指令集或许是大家对Zen4最感兴趣的地方之一，毕竟在以往这是Intel处理器的专属技术，而且争议非常大，有人觉得它非常有用，有人觉得它只是徒增功耗，甚至成为极限烤机专用

Zen4支持的AVX-512并非直接将Intel那套技术照搬过来(也不允许)，而是选择了不一样的实现方式。

Intel处理器执行AVX-512指令时，是完整的512-bit通道(这也是该指令集命名的来源)，但是AMD走的是256-bit通道，也就是砍了一半，因此遇到512-bit的指令就需要拆分成两个256-bit指令来执行。

事实上，AMD推土机家族、Zen家族在执行AVX-2 256-bit指令的时候，也是拆分成两个128-bit。这都是一脉相承的

AMD表示，这么做可以节省芯片面积，并且避免执行AVX-512指令时发热过大、频率下降的情况出现(峰值性能确有轻微损失)，因为真正长达512-bit的指令并不多，就像以前256-bit的指令不够多。

Zen4支持的AVX-512指令一览并不是把Intel的全都搬了过来，而是选择性地加入，除了一些基础指令，特别值得注意的是用于AI加速的VNNI、BF16，这也是Intel之前宣传的重点。

VNNI是面向AI模型推理的矢量指令，可将多个8-bit或16-bit整数串联成512-bit，提升卷积神经网络常用的MAC(乘法累加)的速度。

另一个是BF16，面向AI加速，将双精度浮点FP32中的23位小数减少到7位，并保留1位符号、8位指数，结果与FP32相比范围相同，只是精度较差，但仍远高于单精度FP16。

按照AMD的说法，加入AVX-512指令集后，Zen4架构的FP32浮点推理多线程性能可提升1.31倍，VNNI INT8整数推理多线程性能可提升2.47倍！

另外，Zen4还增加了一些虚拟化、安全性方面的新指令，就不赘述了。

以上是Zen4、Zen3的具体变化对比，可以看到其中不少都维持不变，其他很多则只是数量/容量上的扩充，因此说Zen4就是个放大优化版的Zen3也没什么毛病。

值得注意的是，Zen4二级缓存、三级缓存的延迟甚至还略微加大了。

AMD宣称，Zen4 IPC平均提升了13％，这是在固定4GHz八核心情况下，通过22个项目对比Zen3得出的几何平均结果。

当然不同项目的变化幅度差异很大，比如说CPU-Z单线程只提升了1％(所以这个测试项目跑分变化不大)，寒霜引擎游戏、《GTA V》、PUBG吃鸡、CineBench R23单线程这些项目提升也有限。

wPrime 1024M是变化最大的提升幅度达惊人的39％，另外像是Dolphin Web测试和《看门狗：军团》、《F1 2022》、《杀出重围：人类分裂》、《地铁：离去》等游戏的提升也很喜人。

13％的提升进一步划分，可以看到前端架构改进带来的提升幅度最大，其次是载入/存储单元、分支预测单元，而来自执行引擎、二级缓存的贡献相对较小。

这和前边架构分析的变化幅度是相符合的。

IPC提升之外，锐龙7000系列的频率也达到了前所未有的高度，旗舰锐龙9 7950X最高可以加速到5.7GHz(还有个5.85GHz fMax频率但官方一直保持缄默)。

当然，5.7GHz的频率只有单核心加速可以做到，AMD也公布了锐龙9 7950X在不同核心/线程下的最高加速频率，可以看到2核心可以到5.6GHz，8核心可以接近5.4GHz，16核心全开也能到5.2GHz。

13％ IPC提升，加上频率拉到最高5.7GHz，锐龙7000的单线程性能提高了最多29％。

一个很容易被忽略的点，就是锐龙7000系列支持Eco模式，运行在更低的TDP，比如170W的可以低至105W或者65W，105W的可以低至65W。

AMD宣称，锐龙9 7950X 65W Eco模式下的性能，依然可以超过正常的锐龙9 5950X。

Eco模式未来会集成在主板BIOS的超频模块，可一键开启，还会集成在锐龙Master软件中。

有趣的是，得益于新的架构和工艺，Zen4单个核心加二级缓存总面积仅为3.84平方毫米，相比于Intel 7工艺的12代酷睿的7.46平方毫米，小了几乎一半，能效则高了几乎一半。