La arquitectura AMD Zen – Actualizado - ProfessionalSAT

AMD quiere lanzar en 2016 su nueva micro arquitectura Zen en el proceso de manufactura FinFET de 14 nm. Como siempre en AMD, la fabricación con alta probabilidad será confiada a Global Foundries.

La teoría es que en Octubre de 2016 llegará Zen 8 cores, será un AMD FX de alta gama sin GPU. En 2017 llegarán las APUs con cores Zen Y GPU.

Se ha hecho eterno pero AMD, al fin, rompe con la línea de cores Bulldozer 32 nm y sus sucesivas derivativas Piledriver 32 nm, Steamroller 28 nm y Excavator 28 nm.

Todos ellos basadas en una micro arquitectura interna poco paralela y de alta frecuencia con algunos puntos débiles muy obvios:

Solamente 2 ALUs por INT core.

1 FPU compartida para 2 cores de enteros (INT cores).

Subsistema de caché lento y de alta latencia con tamaños L1 y L2 poco lógicos.

Elevada disipación térmica.

Baja eficiencia IPC.

Zen 14 nm pretende volver a la senda de diseños alto IPC (instrucciones procesadas por ciclo) y para ello ensanchará el core pasando de 2 a 3 ALUs, un diseño reminiscente de sus anteriores y exitosos cores Athlon, Athlon XP, Athlon 64 y Phenom X4 y X6.

2016 AMD Zen 8 core 14 nm SMT 16 threads

El plan inicial de AMD es ofrecer en 2016 una CPU FX dotada de 8 cores Zen sin GPU integrada que procesará 16 threads simultáneos, dos por core.

La FPU contendrá 3 pipelines, igual que la de la serie Bulldozer, pero en este caso doblarán su ancho a 256 bit. Habrá el doble de unidades FPU, por cada core. Potencialmente esto significa en pico 4 veces más potencia FPU al lado de un FX8350 por core.

Ni la caché L2 y ni la FPU serán compartidas como en Bulldozer con otros INT cores lo que las hará más eficientes por thread.

El tamaño L2 regresa a unos más racionales 512KB por core para un total de 4 MB L2 para el chip completo octa core. Al ser la L2 única para cada core reducirá mucho su latencia y aumentará notablemente la tasa de aciertos. Debemos recordar que cada L2 servirá a dos threads debido al SMT.

El tamaño L3 será presumiblemente de 8 MB y mejorará notablemente su latencia respecto a Bulldozer, sobretodo debido a ahorrar muchos ciclos en el L2 miss.

AMD anuncia un incremento de un 40% en IPC respecto a la actual microarquitectura Excavator 28nm, sería un logro excelente que avivaría la añorada competencia con el gigante de los microprocesadores, Intel.

Por último mencionar la inclusión en el core Zen SMT (2 threads/core), una primicia en AMD, al estilo del Hyper Threading de Intel. Veremos como gestiona AMD la gran complejidad de implementar y validar SMT en uno de sus cores.

Zen soportará desde un inicio RAM DDR4 en socket AM4 y habrán APUs basadas en cores Zen, de hecho, AMD pretende, en un futuro próximo eliminar su línea de cores CAT de bajo consumo y hacer homogéneas todas sus plataformas bajo una microarquitectura común: Zen 14 nm.

Con Zen, todo apunta a una exitosa arquitectura, si es así AMD saldrá de sus problemas financieros y podrá centrarse en su core business, el diseño de procesadores X86 de alto rendimiento y dejarse de experimentos de rentabilidad imposible en el ultracompetitivo mercado de cores ARM.

Conclusiones preliminares

Verdaderamente la serie Bulldozer no ha sido adecuada al momento que atravesaba la industria de semiconductores, me refiero específicamente a los nodos de 32 nm y 28 nm donde AMD se ha visto bloqueada hasta el día de hoy (y estamos casi en Agosto de 2015).

En este punto, la densidad de transistores por mm2 llegaba ya a un punto en el que había que vigilar la disipación térmica por core y por unidad de superficie con mucha más atención que en el nodo de 45 nm, en cambio AMD apostó al contrario.

AMD Bulldozer 4 módulos 32 nm.

Diseñó Bulldozer para frecuencias sobre los 5 GHz, fue un gran fallo estratégico. (Ya en esa época lo apunté en muchos artículos). Apostaron por un diseño que era imposible hacer competitivo con las alternativas Intel...

Zen, parece que será la alternativa razonable. Buscar alto IPC no resulta sencillo pero tiene mucho más sentido que hacer cores poco eficientes en consumo y en IPC y esperar que a base de frecuencias absurdamente elevadas puedas alcanzar a los cores de la competencia, una competencia, Intel, que quizás tenga 100 veces más presupuesto de i+d y de ingenieros dedicados.

Otro asunto destacable es el uso de memoria HBM en CPUs. Lo más probable es utilizarla en APUs, estoy convencido de que será cuestión de un año o año y medio.

AMD, memoria HBM RAM en APUs.

Otra cuestión es su uso en CPUs de alta gama. no lo veo probable, pues es mejor aumentar el número de cores que integrar HBM por tema de superficie.

Tengo esperanzas con AMD Zen, cosa que no pude decir de Bulldozer. Esperemos que sí llegue al mercado en 2016, AMD lo necesita y también la sana competencia.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium     

AMD Steamroller core. AMD Kaveri. Introducción. – LowLevelHardware

El 14 de Enero AMD sacó al mercado su tercera iteración de la micro arquitectura Bulldozer en la forma de la APU Kaveri fabricada por Global Foundries es el nodo Bulk SHP (Super High Performance) de 28 nm. En este caso se trata de una implementación de dos módulos con dos INT cores y una FPU compartida junto con una excelente GPU GCN 1.1 de 512 SPs.

La micro arquitectura AMD Bulldozer

Primero fue Bulldozer 32 nm HKMG, después Piledriver 32 nm HKMG y ahora Steamroller 28 nm Bulk SHP. Posteriormente, 2015, está previsto Excavator, la evolución final y que pondrá término a esta micro arquitectura. Después preveo que AMD, por fin, se centrará en diseñar cores de alto IPC y menor consumo para competir con mayor igualdad con los cores contemporáneos de Intel.

Como muchas veces ha sucedido con los diseños de AMD, en su primera versión.

En este caso Bulldozer 32 nm HKMG (AMD FX 8150) las prestaciones, consumo y disipación térmica no fueron las esperadas.

Piledriver 32 nm HKMG (AMD FX 8350) alivió ligeramente los problemas de consumo y mejoró las prestaciones.

AMD Steamroller 28 nm Bulk SHP

Con Steamroller AMD plantea un cambio mucho más profundo:

• Una evolución de la micro arquitectura mayor que en el caso de Bulldozer a Piledriver, con claras mejoras en algunos campos y otros cambios no tan claros en otros aspectos.
• Un nuevo nodo de fabricación: del ya antiguo nodo premium HKMG 32 nm de Global Foundries utilizado en Bulldozer y Piledriver se pasa al nodo de 28 nm Bulk SHP, más orientado a menor consumo y mayor densidad (más transistores por mm2), es decir menor coste por chip y menor TDP, es decir, mayor performance per watt.

En la segunda parte de esta serie de artículos detallaré las mejoras implementadas en Steamroller por AMD y lo que significan de cara a sus encarnaciones presentes:

La APU Kaveri y los futuros chips FX Steamroller de alto rendimiento del que parece que están preparando una versión con 8 módulos y 16 INT cores con controladoras PCIex 3.0 integradas en el die del chip (lo que permitiría deshacerse del  North Bridge del chipset) que probablemente funcionará a frecuencias conservadoras en carga full threaded aunque con agresivos modos Turbo.

En múltiples entregas de LowLevelHardware y ProfessionalSAT he analizado en detalle el diseño interno de AMD FX Orochi 32 nm. Cito los más destacables:

AMD Bulldozer. Mi opinión personal. Parte 1. Actualizado – ProfessionalSAT

AMD Bulldozer. Frecuencias finales. Actualizado – LowLevelHardware

AMD Bulldozer- HotChips23 – LowLevelHardware

AMD Bulldozer. Perspectivas – LowLevelHardware

La L3 cache multibanco en AMD Bulldozer. Actualizado – LowLevelHardware

AMD AGLUs, Bulldozer INT cores. Actualizado – LowLevelHardware

AMD Bulldozer. Primeros benchmarks. Actualizado – LowLevelHardware

AMD Bulldozer – ProfessionalSAT

La micro arquitectura de AMD Bulldozer. Actualizado – LowLevelHardware

Novedades y expectativas 2010. Actualizado – LowLevelHardware

AMD Bulldozer. Prestaciones estimadas – LowLevelHardware

Micro arquitectura AMD Bulldozer 2011. Actualizado – LowLevelHardware

Previo AMD Bulldozer. Actualizado – LowLevelHardware

Análisis de Piledriver en mis Blogs:

AMD Vishera FX 8350. Primeras impresiones – ProfessionalSAT

AMD Piledriver core. Actualizado 04/03/2012 – LowLevelHardware

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Carlos Yus Valero – informaticapremium     

Nuevo socket LGA 2011 – ProfessionalSAT

Este año 2011 se caracterizará por ser uno de los en que mayor número de nuevas plataformas y con ello nuevos sockets saldrán al mercado.

Intel nos prepara el nuevo LGA 2011 para Sandy Bridge E y AMD hace lo propio con los nuevos sockets para Bulldozer y los nuevos APU.

Intel en 2011

Definitivamente parece que se abandona el socket LGA 1356 de triple canal DDR3 (sustituto del actual  LGA 1366) y se apuesta definitivamente por el más avanzado y potente LGA 2011 de cuatro canales DDR3.

Intel Roadmap 2011 – 2012.

En este nuevo socket Intel instalará los próximos procesadores Sandy bridge E.

A finales de este año entrarán en el mercado de sobremesa estas nuevas CPUs, sus precios empezarán sobre los 300 € para los modelos quad core y se extenderán de ahí hasta los 1000 € aproximadamente.

A finales de este año 2011 llegará LGA 2011.

En Q4 2011 compartirán gama con los Sandy Bridge de la serie 2600K y 2700K para sustituirlos en Q1 2012 en el momento que entrarán los nuevos Ivy Bridge de 22 nm.

Estos procesadores contarán, además de los 4 canales DDR3, con dos conexiones PCIe de 16X para GPUs y normalmente 8 DIMMs por socket. No será raro ver configuraciones con 32 GB de RAM.

CPU de socket 2011.

En este mismo socket llegarán las versiones estrella de Ivy Bridge 22 nm:

 

Ivy Bridge será un escalado a 22 nm de Sandy bridge con algunas mejoras menores, mayor números de cores y más cantidad de caché L3, probablemente hasta los 2.5 MB por core.

Los núcleos cambiarán poco:

• Algunas mejoras en el procesamiento AVX y sobretodo cambios en la GPU integrada, esta vez DirectX 11, y en el hardware de coding y decoding de video (Intel Quick Sync).
• Lo que sí será notoria será una masiva reducción en el consumo y disipación térmica desde los valores ya excelentes de Sandy Bridge.
• También espero mejoras en la gestión y margen de frecuencia de los Turbo Modes.

En el siguiente artículo analizaré los nuevos sockets que AMD lanza este año 2011 y haré un somero análisis de los procesadores que se instalarán en ellos, AMD Bulldozer y Llano.

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Carlos Yus Valero – informaticapremium     

Algunos datos extra sobre AMD Bulldozer. Actualizado – ProfessionalSAT

Cada día salen a la luz algunas nuevas informaciones sobre los nuevos procesadores destinados a servidores y la gama alta de sobremesa y estaciones de trabajo, los nuevos Bulldozer.

Como sabréis, Bulldozer supone un cambio importante para AMD y en general para el mundo X86, una verdadera revolución en el diseño dado que se comparten entre cores algunas estructuras de procesamiento, en este caso la unidad FPU y el FP scheduler.

Un módulo Bulldozer consta de dos cores de enteros.

Bulldozer module:

Cada módulo de Bulldozer se compone de dos cores de enteros con sus:

• Schedulers de enteros
• ALUs
• AGUs
• Caché L1d

En cambio la FPU es compartida por cada dos cores de enteros junto con su propio scheduler. También parece que la caché L1i (instrucciones) será compartida entre los dos cores dentro de cada módulo.

La FPU tiene capacidad de 256 bit por ciclo o 2 operaciones de 128 bit por ciclo, estas dos operaciones de 128 bit pueden ser de dos threads diferentes (ejecutados cada uno por uno de los INT cores del módulo) o de un solo thread ejecutado por uno de los INT cores.

Las cachés L2 son unificadas (datos e instrucciones) y son compartidas cada dos INT cores y la FPU (una L2 por módulo). No creo que sean de gran tamaño, sería más beneficiosa una muy baja latencia sobre los 10 ciclos y sobre 512 KB o 1 MB. Aunque siguiendo la tradición de AMD es probable que se decanten por un diseño de 2 MB y alta latencia (rondando los 15 ciclos).

Como pegas a un tamaño tan grande (2 MB) veo la dificultad en compaginarlo con una arquitectura de caché exclusiva con la L3, que forzaría un tamaño de L3 mayor de 8 MB.

La caché L3 es compartida por todo el procesador y su tamaño debe de ser importante, veo lógico como mínimo 8 MB en el proceso de 32 nm y 8 INT cores, aunque lo deseable serían unos 12 MB y lo óptimo 16 (2 MB por INT core).

Claro es que con tamaños de caché tan elevados, se iría la superficie de die a terrenos peligrosos en lo económico y también para conseguir buenos yields de fabricación.

Una notable reducción del consumo en 32 nm permitirá a AMD modos Turbo más agresivos.

Según las ideas actuales AMD integrará en Bulldozer modos Turbo mucho más agresivos para acelerar las prestaciones single thread. Con este dato en mente es posible que logre superar a los cores Phenom II de 32 nm que aparecerán la APU Llano en 2011 en este aspecto IPC por core

AMD en 2011, Bulldozer para el mercado de sobremesa:

AMD lanzará dos versiones para sobremesa de Bulldozer, un quad core y un octal core, ambos contarán con dos controladoras DDR3 de 64 bit y hasta 1866 MHz.

AMD octal core Zambezi 32 nm SOI.

Según los directivos de marketing de AMD en declaraciones del día 8 de Agosto, clock for clock y core for core, Bulldozer superará a Phenom II (45 nm) en un 10% en IPC.

En proceso single thread aseguran que la diferencia será mayor gracias a modos Turbo mucho más optimizados (más frecuencia con menor voltaje).

Y el rendimiento por socket aumentará más notablemente gracias a:

• Un 33 % más de cores por socket (8 vs. 6 cores)
• Un 10 % más de velocidad por core y por clock.

Esperan mejoras del 50% sobre un AMD Thuban hexacore a la misma frecuencia en proceso multithread de saturación (100% de carga).

Por último puntualizar que el 24 de este mes AMD hará pública la microarquitectura Bulldozer con motivo del Hot Chips 22.

De 5:00 a 6:30 h por fin conoceremos los nuevos Bulldozer.

También ese mismo día se hablará de los nuevos cores Bobcat de bajo consumo. Os mantendré informados de todos los detalles.

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Intel Sandy Bridge. Introducción – ProfessionalSAT

Sandy Bridge es el nombre en clave de la próxima microarquitectura de Intel. Será el sustituto de Nehalem, que nos acompaña desde 2008, y estará fabricado en el nodo de 32 nm.

He publicado algunos datos adicionales en un artículo de LowLevelHardware: Intel Sandy Bridge versus Westmere die – LowLevelHardware. En este breve artículo solo esbozaré algunas características generales para servir de guía a otros futuros en los que entraré más a fondo en los detalles.

La microarquitectura será una importante evolución del diseño ya conocido en Bloomfield y recientemente en Gulftown (la versión hexacore de 32 nm de Nehalem). Por fín incorporará en el die la GPU integrada que será una derivativa de las actualmente integradas en los actuales Core i3 e i5 de 32 nm.

El próximo Tock de Intel: Sandy Bridge.

Los cores de Sandy Bridge

Los motores de proceso de Sandy Bridge incorporan principalmente nuevas FPU capaces de trabajar con datos de 256 bit de precisión gracias al nuevo juego de instrucciones AVX. Igualmente contarán con un Turbo Boost mejorado e HyperThreading.

Die del quad core Sandy Bridge. Fuente: canardpc.com

Por otro lado, y como Intel acostumbra, habrá refinamientos en multitud de características como Branch Prediction, reducción de latencias cachés L1, L2 y L3…

El Uncore de Sandy Bridge

Intel ahora lo llama System Agent, pero identifica toda la superficie del die que no comprende los cores o núcleos de ejecución con sus L1 y L2 privadas.

Algunos datos preliminares en una Intel secret slide.

La clave reside en la implementación de un ring bus de 256 bytes ciclo para comunicación de los diferentes componentes del die.

El System Agent o Uncore de Sandy Bridge comprende lo siguiente:

• Hasta cuatro controladoras de memoria DDR3 de 64 bit.
• La caché L3 compartida por los cores y también por la GPU integrada.
• El bus PCIe 3.0 con 8 GT/s (el doble del actual PCIe 2.0).
• Para conexión con el chipset P6X (serie 6) el bus DMI de 2 GB/s junto con 4 lanes PCIe 3.0.

Los voltajes del Uncore serán muy inferiores a Nehalem 45nm (1.2 V) y a Lynnfield 45 nm (1.1 V), se barajan valores de 0.85 V lo que paralelamente implicará frecuencias limitadas.

Sandy Bridge estará fabricado con transistores de 32 nm.

Como vemos se deja de utilizar rapidísimo bus QPI de 6.4 GT/s que equipan los Core i7 y Xeon de triple channel DDR3 ya que no es necesario por haber integrado totalmente el North Bridge en el die de 32 nm.

El chip, encapsulado y TDP

Obviamente y por el uso de 4 canales de memoria de 64 bit, será necesario un número de pads elevado (superior a 2000, en concreto 2011 pads) para conectar el procesador con la placa base. Seguiremos con el habitual formato LGA.

El TDP máximo se mantendrá con gran seguridad en los 130W de los procesadores de alta gama actuales.

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AMD Turbo CORE en AMD Phenom II X6 - ProfessionalSAT

Hace un par de meses escribí varios artículos sobre la próxima microarquitectura de AMD en LowLevelHardware. En el primero de ellos comenté la necesidad de que AMD integrase un “turbo Boost” para incrementar la frecuencia de los cores cuando están en uso un número limitado de ellos.

AMD Turbo CORE.

Extraído de Microarquitectura AMD Bulldozer 2011. Actualizado – LowLevelHardware, publicado el 21 de febrero de 2010 en mi blog de microarquitectura: LowLevelHardware:

“ Especulación 7, AMD necesita urgentemente “Turbo Boost”:

Una característica diferenciadora de los actuales procesadores Intel es su capacidad para aumentar la frecuencia de los cores activos siempre que haya margen hasta el TDP (Thermal Design Power).

La Ley de Amdahl estipula que la aceleración obtenida por un sistema multiprocesador siempre estará limitada por los fragmentos de código secuencial o no paralelizable (single-threaded).

Aumento de velocidad con el número de cores y según el porcentaje de código paralelizable.

AMD planea integrar algo similar en todos sus futuros procesadores, pues aunque resulte incómodo reconocerlo, el proceso single-thread domina la velocidad y responsividad de una máquina en los sistemas operativos actuales.

Turbo Boost en Core i7 serie 800 Lynnfield quad core.

Por ejemplo, un Core i7 870 de 3.06 GHz nominales puede, mientras mantiene 3 cores a 1.2 GHz y un voltaje inferior a 1V (sobre 0.80 V) y en estado power-gated (con un consumo virtualmente cero), tener uno de sus núcleos procesando al 100% de carga a 3.6 GHz efectivos. E incluso, con dos núcleos activos en cálculo al 100% de carga, mantiene en ellos frecuencias de proceso de 3.46 GHz.

AMD necesita urgentemente algo similar y parece ser que así será. En próximos procesadores integrará capacidades de power gating por core para deshabilitar y cerrar el suministro de corriente a los cores inactivos reservando TDP.

Este margen se utilizará para el proceso de los núcleos que lo demanden por su carga de trabajo. De este modo podrá así aumentar su frecuencia y su voltaje sin superar el TDP estipulado por el diseño. “

A día de hoy ya hay información definitiva del modo en que AMD implementará tal tecnología. Siendo sincero le es en la actualidad absolutamente necesario para competir con Intel en el mercado sistemas de sobremesa y espero que en breve lo aplique a sus series Opteron para servidores.

Especialmente en los Magny Cours de 12 cores serie 6000 para socket G34 donde podría demostrar un potencial altísimo.

AMD Magny Cours 12 cores. Un MCM compuesto de dos dies Istambul.

Funcionamiento de AMD Turbo CORE:

En principio esta tecnología se va a aplicar a la nueva serie Phenom II serie T:

La nueva gama Phenom II con Turbo CORE.

Como vemos todos los modelos son hexacore nativos con 6 MB de L3 excepto un quad. Los procesadores de 6 núcleos de AMD son novedad en el mercado de sobremesa aunque ya hace tiempo que se comercializan sus versiones Opteron.

AMD ha previsto incrementos de frecuencia de hasta 500 MHz con tres cores activos (de los seis totales) en los modelos hexacore y 400 MHz en los quadcore

AMD Istambul 6 cores (izquierda) frente a Shanghai 4 cores (a escala).

La tecnología Turbo CORE solo necesitará de una actualización de BIOS y en principio todas las placas AM3 serán compatibles con esta nueva tecnología.

Detalles de AMD Turbo CORE.

La entrada del procesador en los estados Turbo CORE, es decir en frecuencias superiores a la nominal, vendrá marcado por dos consideraciones:

• La carga de trabajo se aplique como máximo a tres cores.
• Estar por debajo del TDP (Thermal Design Power) en W.
• Mantener una temperatura moderada.

Crípticamente AMD lo explica en la siguiente presentación:

Modo de actuación de AMD Turbo CORE.

Si un número superior a tres cores se encuentra con una carga de procesamiento elevada, la frecuencia máxima disponible será la nominal: Turbo CORE permanecerá inactivo.

AMD Turbo CORE se aplica a un máximo de tres cores.

Siendo crítico y sabiendo de las preferencias del software actual por las potencias de dos en cuanto a multithreading (uso de 2, 4, u 8 cores) habría preferido que Turbo CORE tuviese un segundo escalón para un modo Turbo de cuatro cores. Recordando la tabla anterior:

Por ejemplo, en el modelo superior Phenom II X6 1090T con una frecuencia nominal de 3.2 GHz con carga de 6 cores y 3.6 GHz con 1, 2 ó 3 cores activos sería deseable un segundo grado de Turbo CORE de 3.4 GHz con 4 cores activos.

Conclusiones:

En resumen, un eficaz y oportuno movimiento en la dirección correcta de AMD; una compañía que bajo la dirección de Dirk Meyer ha sabido siempre tomar las mejores decisiones para competir eficazmente con su poderosísimo rival: Intel corp.

No podía ser de otro modo tratándose del arquitecto jefe del proyecto AMD Athlon…

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