超越 i9-10900K！AMD Ryzen 5000系列處理器Zen 3架構分析

來源：EETOP整理自techbang 作者：李文恩

在過去很長的一段時間中，AMD一直無法在桌面處理器的單核心性能領先Intel，只能靠著在單一處理器封裝塞入更多核心，以及設定較低的價格，與對手在市場相互拼搏，然而AMD卻透過Ryzen 5000系列處理器反轉此一情況，就讓我們一起來看看Zen 3架構的改變之處。

重新設計整體架構

AMD在2017年的時候就曾宣示，他們將提供世界上最好的桌面處理器（We wanted to deliver the best desktop processors in the world andchange the industry along the way.），如今他們透過Zen 3架構的Ryzen 5000系列處理器達成這一目標，我們通過性能實測，看到Ryzen 9 5900X的性能確實能超越其主要競爭對手Intel Core i9-10900K。

繼AMD先前推出的Zen與Zen 2架構後，Zen 3的是款完全重新設計（Ground-up Redesign）的處理器架構，包含強化前端、執行引擎、存取、SoC架構等部分都經過改善，並帶來了顯著的性能與功能提升。

強化前端的目標為增加大量分枝的大型程序預取（Fetching）性能，尤其在大量分枝的大型程序，將L1分枝預測的緩衝區加倍至1024個，並增加分枝預測器的通道寬度，增加預測錯誤的回覆速度，提升循序預取性能，並讓切換cache流水線的粒度更細。

在執行引擎部分，新架構的設計目標為縮短延遲並加大架構以提高指令等級平行化（ILP，Instruction-Level Parallelism）的能力，在整數數據取用器、整數窗口、浮點數通道寬度、浮點數乘積累加運算等部分也都進行最佳化與性能提升。

存取方面的改良目標為擴大架構並強化預取能力，以滿足執行引擎所需的更大量數據吞吐量，數據讀取與寫入的時鐘頻率較Zen 2皆有所提升。

Zen架構的旅程始於2017年，到現在已經進入Zen３世代。

Zen３改進的重點為提升IPC/單核心性能、降低延遲、提升功耗效率。

Zen３重新設計整個處理器，前端、執行引擎、存取、SoC架構都有改進。

預取與解碼區塊的架構也有所更新，以降低分支預測的延遲。

Zen 3透過多項功能改善，達到IPC平均提升19%的成就。

這19%來自Cache預取、執行引擎、分枝預測、微指令Cache、前端、存取等各項性能改進的貢獻。

打破CCX屏障

Zen 3的另一項重大改進，就是改進了SoC架構，目標同樣以降低延遲為主，同時縮短處理器核心對核心、核心對Cache、主存儲器等數據存取的延遲，並將L3Cache叢集增大1倍。

在Zen 2架構的設計中，單一處理器封裝最多可以容納2組CCD（Compute Die，運算裸片）與1組IOD（Input/Output Die，輸出入裸片），每組CCD最多可以容納2組CCX（Core Complexes，核心複合體），而每組CCX最多可以容納4個處理器核心。舉例來說，可以透過2組具有4個處理器核心的CCX，組成1組CCD，達成8核心處理器配置。

而Zen 3則將CCX可以容納的核心數提升至8個，每組CCD則只能容納1組CCX。因此8核心處理器會有1組具有8個處理器核心的CCX，組成1組CCD。

這樣最大的好處是可以把原本每組叢集只能容納4個核心的架構，改變為可以容納8個核心，且把原本的2組16MB L3 Cache存儲器，合併為1組32MB的組態。

如此一來可以縮短處理器核心之間通訊的延遲，例如在Zen 2架構中如果位於不同CCX的處理器核心的需要溝通，則某核心需透過Infinity Fabric將數據傳至IOD，再由IOD交至另一核心，將會因為傳輸延遲而影響性能，若處理器核心位於同一CCX則無此問題。

另一方面，統一的32MB L3 Cache存儲器也比拆分為2組16MB更具效率，且能容納更大筆的數據，有助於提升遊戲性能表現。

在製程方面，Zen 3的CCD採用與Zen 2一樣的臺積電7nm節點製程，並繼承在Ryzen 3000XT系列處理器所納入的設計改良，因此能再次推升最高時脈。IOD則完全延用先前12nm製程與設計，並讓處理器相容於先前推出的500、400系列晶片片組。

Zen 3大改了CCX的組態，將原本只能容納4個處理器核心的限制提升至8個，也讓2組16MB L3 Cache存儲器合併為統一32MB區塊。

這樣的改變也讓8個處理器核心能共享同一塊L3 Cache存儲器，有助於提升多工性能表現。

以8核心的Ryzen 5000系列處理器為例，處理器封裝中包含CCD（其中有1組CCX）與IOD各1組。

16核心部分則有2組CCD與1組IOD。

首波推出的4款Ryzen 5000系列處理器價格從美金299元至799元不等，其中只有Ryzen5 5600X附上Wraith Stealth散熱器。

相較前代的Ryzen 3000XT系列處理器，Ryzen 5000系列處理器的同級產品皆漲價美金50元。

整體而言，Ryzen 5000系列處理器的「歷史定位」在於單核心性能超級Intel旗艦產品，且依然維持核心較多的優勢，因此無論在單核心或多核心程序表現都能追上或超越Intel（也需考慮軟體、編譯器、指令集等最佳化因素造成的性能影響），在遊戲、電競、美術設計、影片編輯、電腦輔助製造（CAM）、電腦輔助設計（CAD）等應用上都能帶來性能優勢。

比較可惜的是，Ryzen 5000系列處理器較同級的Ryzen 3000XT貴了50美元（如Ryzen 5 5600X與Ryzen 5 3600XT相比），這樣的定價策略當然可以解釋為新款處理器帶來更大的性能提升，但仍與消費者的期望相左。

有趣的是，在AMD發表Ryzen5000系列處理器的消息後，Intel也不甘示弱，以RocketLake-S處理器反擊，並不小心把牙膏擠太大力，對於消費者而言，這樣一來一往的競爭往往能讓產品的性能、價格更加親民，或許雙方未來都會陸續更貼近市場需求以得到消費者的青睞。