Architettura, caratteristiche tecniche e benchmark delle CPU AMD Ryzen di terza generazione

E' il momento di Zen 2 e Navi, nomi che in questi ultimi mesi abbiamo avuto occasione di citare in molte occasioni e che ora diventano realtà per AMD. Per Zen 2 si tratta dell'architettura di nuova generazione, evoluzione di quelle Zen e Zen+ adottate da AMD negli ultimi 2 anni, che sarà utilizzata nei processori Ryzen della serie 3000 oltre che nella prossima generazione di CPU della famiglia EPYC per sistemi datacenter.

Navi, come noto, è il nome in codice della nuova famiglia di GPU AMD destinate al mercato consumer. Al pari di Zen 2, anche per queste soluzioni AMD adotta tecnologia produttiva a 7 nanometri. Pensando alla genesi di sviluppo di processori e schede video che il mercato nel complesso ha registrato nel corso degli ultimi anni non si può restare indifferenti di fronte a quello che AMD si prepara a introdurre sul mercato. Zen 2 è una nuova architettura, per quanto derivata da quelle Zen e Zen+ presenti in commercio, costruita con una nuova tecnologia produttiva. Per Navi le novità sono due nello stesso tempo, con una architettura completamente nuova costruita con una nuova tecnologia produttiva a 7 nanometri.

E' evidente come AMD abbia preso decisioni potenzialmente rischiose nel momento in cui, vari anni fa, ha iniziato a delineare lo sviluppo che ha portato al debutto di Zen 2 e Navi. D'altro canto queste sono state scelte pressoché necessarie per l'azienda, alla ricerca di soluzioni adatte a meglio fronteggiare la pressione competitiva con le storiche rivali Intel e NVIDIA. In questo articolo analizzeremo le soluzioni Ryzen 3000 basate su architettura Zen 2; per gli annunci legati alle schede video della famiglia Navi rimandiamo a questo articolo di approfondimento.

Un paio di settimane fa AMD ha annunciato al Computex di Taipei la propria gamma di processori Ryzen 3000, con 5 modelli delle famiglie Ryzen 9, Ryzen 7 e Ryzen 5 che saranno in vendita a partire dal 7 luglio. La data non è stata scelta a caso: 7/7 per rimandare alla tecnologia produttiva a 7 nanometri che è al centro di questi prodotti. Quest'oggi, nel giorno che precede l'apertura ufficiale dell'E3 di Los Angeles, AMD annuncia una sesta CPU della famiglia Ryzen 3000 che sarà disponibile però dal mese di settembre.

Si tratta del modello Ryzen 9 3950X, che porta il numero totale di core a 16 con 32 threads che possono operare in parallelo: questo risultato è stato ottenuto implementando due distinti die Zen 2 con tutti gli 8 core abilitati in ciascuno. La cache totale sale a 72MB, con frequenze di clock che partono da un valore base di 3,5 GHz e arrivano sino a 4,7 GHz quale dato boost. Tutto questo è stato ottenuto mantenendo il TDP entro il valore di 105 Watt che è lo stesso della CPU Ryzen 9 3900X, dotata al proprio interno di 12 core e di frequenze di clock di fatto comparabili a quelle della CPU Ryzen 9 3950X.

Vedremo questo processore al debutto nel corso del mese di settembre, quindi 2 mesi dopo il debutto delle prime CPU Ryzen 3000: il prezzo comunicato da AMD è di 749 dollari.

AMD presenterà dal 7 luglio anche due processori Ryzen 3000 dotati di GPU Vega integrata. Si tratta di proposte basate su architettura Zen+, costruite con tecnologia produttiva a 12 nanometri e che quindi non implementano quanto AMD ha inserito all'interno delle CPU Ryzen 3000 basate su architettura Zen 2.

• Ryzen 3 3200G: 4 core, 4 threads; Radeon Vega 8; Clock 3,6GHz base 4GHz boost; 65W TDP
• Ryzen 5 3400G: 4 core, 8 threads; Radeon Vega 11; Clock 3,7GHz base 4,2GHz boost; 65W TDP

La versione Ryzen 5 3400G implementa metal TIM come le altre versioni di CPU Ryzen 3000 senza GPU integrata. Sono aumentate le frequenze di clock soprattutto per la componente GPU integrata, per un impatto sulle prestazioni quantificabile in media nel 10% grazie anche alla superiore frequenza di clock della memoria raggiungibile in overclock.

I processori Ryzen 3000 con architettura Zen 2 implementano un controller memoria rinnovato, sempre di tipo DDR4 dual channel. La frequenza di clock massima certificata è pari a 3.200 MHz, con la possibilità di spingersi oltre con relativa facilità ottenendo frequenze ben più elevate di quanto non fosse possibile con i processori di precedente generazione. Spingendosi oltre la frequenza di clock di 3.733 MHz per la memoria di sistema il processore passa automaticamente ad utilizzare un divisore 2:1 per la frequenza di clock della tecnologia Infinity Fabric, contro quello 1:1 adottato fino a 3.733 MHz di clock della memoria. Questo porta ad un lieve incremento della latenza di accesso, che può essere in parte mitigato aumentando la frequenza di clock mantenendo invariati per quanto possibile i timings di accesso della memoria. AMD indica come le memorie DDR4-3600 rappresentino al momento attuale la scelta preferibile per i processori Zen 2, in virtù del costo ridotto e della disponibilità di moduli con valori di latenza contenuta (CL16).

In termini di overclock della memoria AMD ha indicato come sia possibile ottenere con relativa facilità un funzionamento stabile sino alla frequenza di clock di 4.200 MHz per le memorie DDR4 abbinate a CPU Ryzen 3000, ovviamente a condizione di servirsi di memorie certificate per questa frequenza. In overclock spinto è stato sino ad ora raggiunto un tetto massimo di 5.100 MHz di clock.

AMD ha fornito alcune indicazioni sulle prestazioni velocistiche attese dai vari modelli di CPU Ryzen 3000 a confronto con le proposte concorrenti Intel della famiglia Core. Interessante notare come il primo dato sia quello della metrica più sfavorevole alle proposte Ryzen di precedente generazione, cioè il dato con applicazioni single threaded. Utilizzando il test a singola CPU del benchmark Cinebench R20 emerge il netto balzo in avanti ottenuto in questo ambito, figlio sia delle innovazioni a livello di architettura rispetto a quanto offerto da quella Zen+ del processore Ryzen 7 2700X, sia della superiore frequenza di clock ottenibile grazie alla tecnologia a 7 nanometri.

Il primo confronto è quello tra processore AMD Rysen 9 3900X con architettura a 12 core e il modello Intel Core i9 9900K, con architettura a 8 core e costo comparabile. Con una serie di giochi, alla risoluzione di 1920x1080 pixel, la proposta AMD è di fatto allineata a quella Intel riuscendo a fare di meglio in alcuni casi e venendo superata in altri: in generale si evidenzia un maggiore allineamento rispetto a quanto ottenibile in passato con le proposte Zen e Zen+.

Passando ad applicazioni multithreaded la forza dei 12 core si fa nettamente sentire, con prestazioni che sono superiori a quelle offerte dal processore Intel. Non solo: la tecnologia a 7 nanometri permette di registrare un consumo complessivo del sistema inferiore, pur con prestazioni più elevate in ambito multithreaded.

Il secondo confronto è ta CPU Ryzen 7 3800X, con architettura a 8 core, e modello Intel Core i7 9700K sempre a 8 core ma senza tecnologia HyperThreading. Anche in questo caso le prestazioni tra i due processori sono molto vicine, con un lieve margine di vantaggio medio per la soluzione Intel ma con quella AMD che mostra valori ben più elevati rispetto a quelli delle proposte di precedente generazione.

Anche in questo caso lo scenario di utilizzo multithreaded vede la CPU Ryzen 7 3800X avantaggiata in modo netto, in grado inoltre di far registrare un valore di consumo del sistema solo leggermente superiore pur a fronte di prestazioni ben più elevate.

A chiudere il confronto troviamo la CPU Ryzen 5 3600X, con architettura a 6 core, a confronto con il modello Intel Core i5-9600K con lo stesso numero di core ma sprovvisto di supporto alla tecnologia HyperThreading. Anche in questo caso il comportamento dei due processori è di fatto pressoché coincidente in media, ad evidenziare i passi in avanti fatti da AMD con il core Zen 2 in ambiti di elaborazione che non sono multithreaded.

Rimane il forte divario a favore della CPU AMD in ambito multitasking, con il processore Ryzen 5 3600X che sfrutta la sua capacità di gestire ben 12 threads in parallelo, mentre il consumo superiore della CPU AMD è compensato proprio dal passo in avanti in termini di superiore velocità nelle elaborazioni dei dati.

AMD ha lavorato negli ultimi mesi in stretta collaborazione con Microsoft per ottimizzare il funzionamento del sistema operativo Windows 10 alla luce delle caratteristiche tecniche delle CPU Ryzen. Il sistema operativo, nell'aggiornamento di Maggio 2019, implementa una migliore gestione dei threads dei processori facendo in modo che i threads siano inviati ad un singolo CCX che deve essere saturato nelle sue risorse prima che altri threads vengano processati dagli altri CCX. Microsoft ha inoltre implementato una migliore gestione del clock ramping, con un passaggio dai 30 millisecondi richiesti per il passaggio alla frequenza di clock superiore a un dato compreso tra 1 e 2 millisecondi ottenuto con l'aggiornamento dell'OS. Queste novità hanno permesso di ottenere un boost prestazionale quantificato nel 15% con Rocket League alla risoluzione Full HD con impostazioni qualitative low, oppure un +6% nella velocità di avvio delle applicazioni misurata con il benchmark PCMark 10.

Quali sono le innovazioni architetturali implementate in Zen 2 che hanno permesso ad AMD un aumento medio dell'IPC pari al 15%, nel passaggio da Zen a Zen 2? Le novità sono diverse e possiamo riassumerle nei seguenti elementi:

• ottimizzazione della microarchitettura;
• incrementi nelle dimensioni delle cache, soprattutto quella L3;
• implementazione del design basato su chiplets;
• vantaggi in termini di consumi e frequenza di clock ottenuti con la tecnologia produttiva a 7 nanometri.

A livello microarchitettuale, con Zen 2 AMD ha introdotto due unità di calcolo in virgola mobile raddoppiando di fatto le prestazioni complessive e implementando un nuovo supporto AVX-256. Il branch predictor è stato rivisto e ottimizzato nel funzionamento, mentre le 4 integer units adottano uno spazio di rename ampliato con 180 registri implementando 3 AGU, address generation unts, contro le 2 presenti in Zen e Zen+. Tutto questo ha portato ad un miglioramento di circa il 30% dei mispredict, cioè delle operazioni di predizioni errate generate dal branch predictor nel suo funzionamento. Ulteriori ottimizzazioni sono state implementate nella gestione del load/store, con un incremento della coda di entry sino a 48 contro le 44 precedenti, miglioramenti nelle latenze della cache L2, un aumento della bandwidth di load/store da 16B/clk a 32B/clk.

La cache L3 integrata nei processori è raddoppiata, arrivando a toccare i 64MB della CPU Ryzen 9 3950X che implementa al proprio interno ben 16 core, dato condiviso con il modello Ryzen 9 3900X che al pari della soluzione a 16 core integra due die ciascuno dotato al proprio interno di 8 core e di 32MB di cache L3. L'aumento della dimensione della cache L3 porta un incremento della latenza, ma si tratta di una dinamica naturale in questi casi; d'altro canto una cache più grande permette di avere una minore dipendenza delle prestazioni dal sottosistema memoria, che in ogni caso è stato migliorato con frequenze di clock della memoria più elevate. Ogni core implementa 512 Kbytes di cache L2 esclusiva, assieme ad una partizione da 4MB di cache L3 che è condivisa con gli altri core a livello di CCX o Core Complex; ogni core è inoltre dotato di cache per le istruzioni da 32k a 8 vie e medesima cache L1 per i dati. Le TLBs gestiscono 64 entries per la cache L1 per istruzioni e dati, mentre la cache L2 512 istruzioni e 2000 dati.

Tra le novità a livello microarchitetturale è da segnalare che le CPU Zen 2 implementano varie migliorie in termini di gestione della sicurezza, con integrazione a livello hardware dei fix per vulnerabilità Spectre e Speculative Store Bypass che erano state corrette nelle CPU Zen e Zen+ con fix nel sistema operativo e aggiornamenti del firmware delle CPU.

I processori Zen 2 implementano un nuovo design di tipo multichip, che vede affiancati i core Zen 2 e il chip dedicato all'I/O con un design a chiplets. La scelta di questo tipo di design permette di sfruttare la migliore tecnologia produttiva a seconda del tipo di prodotto: è adottata quella a 7nm per i core Zen 2, mentre per il chip di I/O il processo produttivo utilizzato è quello a 12nm. Questo design permette di integrare nei processori Ryzen 3000 sino a 2 distinti die, presenti nelle versioni Ryzen 9 3900X e Ryzen 9 39050X rispettivamente a 12 e 16 core. Per gli altri modelli AMD implementa un singolo die Zen 2, in quanto dotato al proprio interno come massimo di 8 core.

Si tratta dello stesso tipo di approccio utilizzato per la seconda generazione di processori della famiglia EPYC, basati per l'appunto su architettura Zen 2 e attesi al debutto nel corso del terzo trimestre dell'anno. Per queste CPU AMD prevede versioni che integreranno sino a 8 die Zen 2, così da offrire ben 64 cores su un singolo socket. Cuore di questo design è l'utilizzo di Infinity Fabric di seconda generazione, alla quale si devono le comunicazioni tra i diversi componenti.

Il passaggio a tecnologia produttiva a 7 nanometri ha permesso non solo di incrementare le frequenze di clock massime, ma anche di contenere i consumi a pieno carico rispetto a quanto ottenibile con i processori Zen+. Il miglioramento dell'efficienza di funzionamento è uno degli elementi cardine delle CPU Ryzen 3000 ed è stato ottenuto da AMD in controtendenza rispetto alla dinamica alla quale si assiste in genere con l'utilizzo di una tecnologia produttiva più sofisticata. E' tipico, in questo caso, osservare una riduzione delle frequenze di clock o al limite un loro mantenimento in quanto gli shrink di tecnologia produttiva hanno storicamente sempre portato ad una riduzione della tensione di alimentazione massima applicabile alla CPU: la riduzione del voltaggio limita il raggiungimento di frequenze di clock più elevate ma questo non si è verificato con Zen 2, che raggiunge in condizioni d'uso normali un picco massimo di 4.600 MHz contro i 4.350 MHz delle soluzioni Zen+ e i 4.100 MHz di quelle Zen.

C'è spazio anche per guardare al futuro, con una roadmap che certifica i piani di sviluppo dei prossimi anni. AMD conferma che l'architettura Zen 3, basata su tecnologia produttiva 7nm+, è al momento attuale on track quindi allineata alle tempistiche interne indicate dalla roadamp di sviluppo futuro. Non solo: è confermato che dopo Zen 3 avremo core Zen 4 che al momento sono nella fase di design interno. Non sono trapelate informazioni a riguardo ma pare possibile che con Zen 3 AMD possa mantenere lo stesso socket AM4 adottato per le proposte Zen, Zen+ e Zen 2 sempre presentando accanto alle future nuove CPU anche nuovi chipset in grado di sfruttarne al meglio le peculiarità architetturali.

Gli annunci odierni confermano le caratteristiche architetturali, nonché le capacità prestazionali, dei processori Ryzen basati su architettura Zen 2. Non resta ora che attendere il prossimo 7 luglio, giorno in cui questi processori saranno ufficialmente in vendita assieme alle schede madri basate su chipset AMD X570. Queste sono l'ideale complemento per le nuove CPU, in virtù del supporto ufficiale al controller PCI Express Gen 4.0 integrato nelle nuove CPU AMD, ma rimane sempre possibile utilizzare le CPU Ryzen della serie 3000 anche con schede madri socket AM4 di precedente generazione a condizione di essere state aggiornate con un bios adeguato. Manca poco meno di un mese, al termine del quale potremo finalmente provare queste CPU e conoscerne le effettive potenzialità al confronto con le soluzioni concorrenti. Siamo certi che Intel stia programmando una propria risposta competitiva alle soluzioni Zen 2 di AMD, ma questa almeno sino all'inizio del prossimo anno non sarà basata su architettura a 10 nanometri della famiglia Ice Lake. Le prime CPU di questo tipo, anticipate al Computex 2019 di Taipei, arriveranno in commercio solo nella seconda metà dell'anno e saranno inizialmente destinate ai soli sistemi notebook.

Ripensando al mercato dei processori degli ultimi 10 anni e a come questo si sia trasformato con il debutto dei primi processori Ryzen della serie 1000, risalente al mese di marzo 2017, non si può restare indifferenti di fronte allo sforzo tecnologico portato avanti e ai risultati raggiunti da AMD con le soluzioni Ryzen. Dal 7 luglio i cambiamenti saranno ancora più evidenti, a tutto vantaggio di appassionati e consumatori finali.

A questo indirizzo è pubblicata la nostra analisi di approfondimento sulle schede Radeon RX 5700XT e Radeon RX 5700 annunciate da AMD all'E3, le prime basate su GPU della famiglia Navi.