Zen (Mikroarchitektur)

Zen ist eine Prozessor-Mikroarchitektur (x86-64) des Unternehmens AMD. Die Markteinführung der ersten Zen-basierten Prozessoren unter dem Markennamen Ryzen [] (Codename Summit Ridge) war am 2. März 2017. Im Juni 2017 folgte die Server-Baureihe Epyc als Multi-Chip-Modul aus 4 Zen/Zeppelin-Einzelchips mit je acht Kernen (Codename Naples) und im Oktober 2017 die Prozessoren mit integrierter Grafik (Accelerated Processing Unit – APU) für mobile Geräte (Codename Raven Ridge). Prozessoren mit Grafik für Desktop-Computer kamen im Februar 2018 hinzu.

Im April 2018 wurde eine optimierte Ausgabe von Zen, genannt Zen+, vorgestellt. Zen+ wird im Gegensatz zu Zen in einem 12-nm-LP-Prozess bei Globalfoundries hergestellt. Zusammen mit Cacheoptimierungen, höheren Basis- und Turbo-Taktfrequenzen und schnellerem DDR4-Arbeitsspeicher wird eine Steigerung der Leistung um ca. 10 % erreicht.

2019 kamen die ersten Prozessoren der Nachfolgearchitektur Zen 2 auf den Markt, am 8. Oktober 2020 wurde deren Nachfolger Zen 3 vorgestellt. Am 23. Mai 2022 wurde wiederum die neue Generation Zen 4 vorgestellt, für die erstmals der Sockel AM5 in LGA-Bauweise genutzt wird. Seit Juli 2024 ist Zen 5 auf dem Markt. Für Ende 2026 bis Anfang 2027 ist die Einführung von Zen 6 geplant.

Architektur Laut AMD war das vorrangige Ziel der Entwicklung die Verbesserung der Single-Core-Performance anstatt der Multithreading-Performance oder einer Erhöhung der Anzahl der CPU-Kerne. Aussagen von AMD während der Entwicklung wiesen darauf hin, dass die Core-Multithreading-Architektur CMT zugunsten der Technik Simultaneous Multithreading (SMT) aufgegeben wurde. Der Konkurrent Intel nutzt SMT in der heutigen Form seit Core i. Es wurde davon ausgegangen, dass die Umstellung eine starke Verbesserung der Effizienz zur Folge haben würde, möglicherweise zu Lasten einer Vergrößerung der Chipfläche.

Die Zen-Prozessoren werden im 14-nm-FinFET-Prozess von Globalfoundries hergestellt. Die vorige Prozessorgeneration AMD Fusion basierte noch auf den Strukturgrößen 32 nm und 28 nm. Mit der Architektur Zen sind sowohl reine CPUs (Summit Ridge) als auch APUs mit integrierter Grafikprozessoreinheit (Raven Ridge) verfügbar. Beide verwenden den erstmals für diese Prozessoren genutzten neuen Sockel AM4. DDR4-Speicher wird unterstützt. Neben den Modellen für Desktop-Computer sind auch solche für den mobilen Betrieb verfügbar.

mini|hochkant=1.5|Blockschaltbild von Ryzen-CPUs: aufgebaut mit demselben Grundbaustein: einem 4-CPU-ComplexEin Zen-Kern enthält vier Integer-ALUs, zwei als Lade-/Speicher-Einheiten ausgelegte AGUs sowie eine in vier Pipelines aufgeteilte Gleitkomma-Einheit. Die Gleitkommaeinheiten sind als 128-Bit-SIMD-Einheiten ausgelegt und unterstützen AVX-Instruktionen sowie FMA-Operationen. Die beiden AVX-Einheiten können zusammengeschaltet werden und führen dann eine 256-bittige AVX-2-Instruktion aus. Der L1-Cache ist 32+64 kB (Daten+Instruktionen) und der L2-Cache 512 kB groß; der L3-Cache ist bei den Vierkernern 8 oder 16 MB und bei den Sechs- und Achtkernern 16 MB groß.

Der grundlegende Baustein für alle bis Juni 2017 erschienenen Summit Ridge- und Naples-Chips ist ein Komplex (CCX: Core CompleX) aus 4 Kernen mit zugehörigen Cache-Bereichen. Zwei dieser Komplexe werden auf einem Zeppelin genannten Die integriert, die beiden Komplexe werden mit einem Infinity Fabric genannten Bündel aus seriellen Verbindungen verschaltet. Mit derselben Verbindungstechnik werden mehrere Dies auf den Multi-Chip-Modulen für die Threadripper- und die Naples/Epyc-Baureihen sowie auch im Serverbereich die beiden SP3-Socket genannten Fassungen verschaltet. Das Zwei-Chip-Modul der Threadripper-Baureihe nutzt eine Abwandlung der Serverfassung SP3 (genannt TR4), ein Land Grid Array mit 4097 Kontakten, auch als Socket 4094 oder LGA 4094 bezeichnet. Die hohe Anzahl von Kontakten wird benötigt, um insgesamt 8 DDR4-Speicherkanäle, bis zu 128 PCIe-3.0-Lanes je Sockel und die Infinity-Fabric-Leitungen nach außen führen zu können. Mit einem Chip und zwei Fassungen (AM4 und SP3) können somit Systeme von 4 bis 32 Kernen realisiert werden.

Auf der Computex 2017 stellte AMD ein Multi-Chip-Modul aus zwei 8-Kern-Zeppelin-Dies für Hochleistungs-Desktops mit dem Markennamen Threadripper vor.

Im Serverbereich werden vier Zeppelin-Dies zu einer 32-Kern-Naples-CPU vereint (als Multi-Chip-Modul). Der Codename Naples wurde durch den Markennamen Epyc ersetzt, der der Nachfolger der Opteron-Server-CPU-Baureihe ist.

Ryzen profitiert besonders von schnellem Arbeitsspeicher, weil die Taktrate des Infinity Fabric direkt vom Speichertakt abhängt. Schnellerer Arbeitsspeicher bedeutet dadurch auch schnelleren Datenaustausch zwischen zwei Core Complexes. Aktuelle AM4-Mainboards unterstützen hierfür in Kombination mit Zen oder Zen+ CPUs maximal DDR4-3200. Für höhere Taktraten, die auf modernen Socket-AM4-Mainboards mit x570-Chipsatz angegeben werden, ist entweder ein Betrieb außerhalb der Spezifikation (übertakten) erforderlich oder eine CPU der Nachfolgegeneration mit der Zen 2 Mikroarchitektur erforderlich.

Entwicklungsgeschichte Die Planungen für Zen begannen kurz nachdem der Chefentwickler Jim Keller 2012 erneut bei AMD eingestellt wurde. Er hatte bereits von 1998 bis 1999 für AMD gearbeitet, war an der Entwicklung der K7-Architektur beteiligt und leitete die Entwicklung der K8-Architektur. Keller verließ AMD im September 2015 wieder.

Ursprünglich sollte der auf der ARM64-Architektur basierende K12-Kern vor den Prozessoren mit Zen-Architektur erscheinen. Am Finanzanalystentag im Mai 2015 wurde jedoch bekanntgegeben, dass die K12-Architektur zugunsten der Zen-Architektur verschoben wird, um für Zen im Laufe des Jahres 2016 die Marktreife zu erreichen.

Im November 2015 sagte ein ehemaliger Angestellter von AMD, die Zen-Technik habe bei Tests „alle Erwartungen erfüllt“ und es seien „keine signifikanten Flaschenhälse gefunden“ worden.

Die Markteinführung der ersten Zen-Modelle mit 8 Kernen unter dem Namen Ryzen 7 erfolgte am 2. März 2017. Die kleineren Modelle mit der Bezeichnung Ryzen 5 (4 bis 6 Kerne) folgten im April 2017; die leistungsschwächeren und günstigeren Modelle Ryzen 3 (4 Kerne) erschienen dann im Juli 2017.

Markterfolg Die Markteinführung der Ryzen-Modelle im Frühjahr 2017 verhalf AMD zu einer deutlichen Verbesserung seiner Wettbewerbsposition gegenüber Intel, dem einzigen Rivalen im Bereich der Desktop-Prozessoren: So gewann AMD laut einem Bericht von Extremetech.com ab März 2017 bei den Verkaufszahlen des großen deutschen Online-Händlers Mindfactory.de jeden Monat 5 bis 9 Prozentpunkte Anteil hinzu. Im August 2017 übertraf AMD den Rivalen Intel dann sogar bei den Verkaufszahlen und verbuchte einen Anteil von rund 56 Prozent für sich (Intel: rund 44 Prozent). Diese Zahlen sind jedoch nicht repräsentativ für den Gesamtmarkt.

Modelle Sockel AMD AM4 Modellnummer AufbauLink zum Bild(Bitte Urheberrechte beachten) Die Modellbezeichnungen der Ryzen-Prozessoren von AMD lehnen sich stark an die von Intel an. So sind die Ryzen-7-Modelle als äquivalent zu den Intel-Core-i7-CPUs zu sehen, die Ryzen 5 konkurrieren entsprechend mit Core i5 und die Ryzen-3-Modelle sind das Pendant zu Intels Core i3.

Server ohne Grafikeinheit

Epyc 7001 mini|hochkant=1.5|Blockschaltbild AMD-Epyc-CPU:Multi-Chip-Modul mit 4 Zeppelin-Chips

Am 20. Juni 2017 präsentiert AMD den Serverprozessor mit Codenamen Naples, welcher den Handelsnamen Epyc erhielt. Es handelt sich dabei um ein 4-Chip-Modul, welches aus Zeppelin-Einzelchips aufgebaut ist. Es werden Varianten für Ein- oder Zwei-Sockel-Systeme angeboten.

Die große Anzahl an I/O-Verbindungen bzw. PCIe-Lanes und die hohe Speicherbandbreite durch 8 Speicherkanäle übertreffen zu diesem Zeitpunkt das Konkurrenzprodukt Intel Xeon (Broadwell). Epyc ist damit im Servermarkt konkurrenzfähig, Motherboards mit PCI-Express-OcuLink-Verbindern, die jeweils 4 PCIe-Lanes zum Anschluss von schnellen NVMe-Solid-State-Drive-Massenspeichern nutzen, werden angeboten.

Marke | ModellCode-nameKerne/ThreadsTaktrate (GHz)TDPAnzahlRAM-KanäleAnzahlSockel Basis BoostEpyc7601 Naples32 / 64 2,2 3,2180 W827551 2,0 3,07551P 17501 155/170 W27451 24 / 48 2,3 3,2 180 W 7401 2,0 3,0155/170 W 7401P 17351 16 / 322,4 2,9 27351P 17301 2,2 2,727281 7251 8 / 16 2,1 2,9 120 W

Epyc 3001 Im Februar 2018 brachte AMD eine weitere Baureihe von Serverprozessoren unter dem Markennamen Epyc heraus, die mit den Xeon-D Prozessoren von Intel konkurrieren. Sie bestehen aus einem oder zwei (auf einem Multi-Chip-Modul) Zeppelin-Chips, die in einem neuen BGA-Lötsockel integriert werden. Es wird eine lange Verfügbarkeit von 10 Jahren versprochen, bis zu acht 10-Gbit-Ethernet-Kanäle sollen integriert sein. Die hohe Ein-/Ausgabe-Performance durch die 64 bzw. 32 PCIe-3.0-Lanes wird besonders beworben. Gedacht sind diese Prozessoren für sogenannte Edge Server oder Embedded Server, kleine Ein-Sockel-Systeme für IoT-Anwendungen.

Marke | ModellCodenameKerne/ThreadsCPU-Takt (GHz)L3-CacheTDPAnzahlRAM-Kanälemax.RAM-Takt(MHz)PCIe3.0-LanesTj Base AllCoreBoost max.BoostEpyc3451 Snowy Owl 16 / 32 2,15 2,453,0032 MB 100 W4DDR4-2666× 64 95 °C3401 16 / 16 1,85 2,25 85 W 105 °C3351 12 / 24 1,90 2,75 80 W95 °C3301 12 / 12 2,00 2,15 65 W 3251 8 / 16 2,503,1016 MB 50 W2× 32 105 °C3201 8 / 8 1,50 30 W DDR4-213395 °C3151 4 / 8 2,702,90 45 WDDR4-2666 3101 4 / 4 2,10 8 MB 35 W

Desktop ohne Grafikeinheit

Ryzen Threadripper mini|hochkant=1.5|Blockschaltbild AMD-Threadripper-CPU:Multi-Chip-Modul mit 2 Zeppelin-Chips Am 10. August 2017 erschien die High-End-Desktop-Modellreihe Ryzen Threadripper im LGA-Package für den Sockel TR4. Dabei sind die Pins nicht mehr wie bei AMD-Prozessoren üblich am Prozessor, sondern auf dem zugehörigen Sockel zu finden. Vier Modelle kamen im August 2017 auf den Markt: Der Ryzen Threadripper 1950X mit 16 Kernen und 32 Threads kostete 999 US-Dollar, während der kleinere Prozessor Ryzen Threadripper 1920X mit 12 Kernen und 24 Threads 799 US-Dollar, jeweils vor Steuern, kostete. Der 1920X läuft mit 3,5 GHz Basistakt und 4,0 GHz Turbo-Takt. Die Basistaktfrequenz des 1950X liegt bei 3,4 GHz und damit 0,1 GHz niedriger, die Turbo-Taktfrequenz beträgt jedoch ebenfalls 4,0 GHz. Außerdem kamen noch die Modelle 1900X und 1920 auf den Markt. Das Modell 1900X hat 8 Kerne und 16 Threads sowie 16 MB L3-Cache. Das Modell 1920 hat 12 Kerne und 24 Threads mit 32 MB L3-Cache in einer wie vom Ryzen 5 und 7 bekannten Non-X-Variante mit niedrigerem Basistakt und eingeschränktem XFR. Der Sockel TR4 ist mit dem Epyc/Naples-Sockel SP3r2 eng verwandt. Er verfügt über 64 PCIe-Lanes, 4 DDR4-Hauptspeicherkanäle und unterstützt bis zu 2 TB Arbeitsspeicher und verwendet den (mit dem X370-Chipsatz verwandten) X399-Chipsatz.

Zuvor war über acht verschiedene Modelle unter dem angenommenen Namen Ryzen 9 von 16- über 14- und 12- bis zu 10-Kern-CPUs spekuliert worden. Jedoch basierten diese Spekulationen auf Falschmeldungen und erhärteten sich nicht. 10- oder 14-Kern-CPUs könnten demnach nicht produziert werden, da die Kerne auf den vier verwendeten CPU-Complexes (CCX) immer symmetrisch abgeschaltet werden müssten.

Am 6. August 2018, fast ein Jahr später, stellte AMD die 2. Generation der Ryzen-Threadripper-CPUs vor. Das neue Top-Modell Ryzen Threadripper 2990WX hat 32 Kerne und 64 Threads. Die Threadripper-2000-Serie basiert jetzt ebenfalls auf der Zen+-Architektur wie die Ryzen-2000-Serie und kann in bestehenden TR4-Mainboards mit X399-Chipsatz betrieben werden. Die WX-Modelle, die im Gegensatz zu den anderen Varianten aus einem MCM mit 4 Chips (statt wie bisher 2) bestehen und damit weitgehend dem Epyc-Server-Prozessor entsprechen, benötigen ob der auf 250 W gestiegenen TDP eine Freigabe durch den Mainboardhersteller.