AMD Zen cumple cinco años: Pasado, presente y futuro

Sé lo que estás pensando, que el debut comercial de la arquitectura Zen se produjo en el primer trimestre de 2017, y que por tanto todavía no se han cumplido exactamente cinco años desde que se puso a la venta el primer procesador basado en dicha arquitectura. Tienes razón, pero AMD no ha partido de esa fecha para celebrar el quinto aniversario de Zen, sino que se ha remontado a una etapa anterior de desarrollo por la importancia que esta tuvo dentro de la compañía, y esta nos lleva a la segunda mitad de 2016.

No es casualidad, como sabrán muchos de nuestros lectores, Zen estuvo en desarrollo durante varios años, y vivió dos momentos críticos en 2015, fecha en la que fue revelada dicha arquitectura, y 2016, cuando la compañía confirmó que había logrado fabricar con éxito los procesadores Ryzen de primera generación utilizando el proceso de 14 nm. GlobalFoundries fue el encargado de «cocinarlos», pero AMD indicó que podría recurrir a Samsung si era necesario (por un tema de alta demanda).

Cuando AMD anunció que estaba trabajando en Zen no generó demasiadas expectativas. En aquel momento esto era totalmente normal, solo tenemos que recordar que, para entonces, la compañía de Sunnyvale se encontraba en una situación muy delicada tras el batacazo de la arquitectura Bulldozer, y arrastraba una sequía importante en el sector CPU. No tenía nada con lo que competir de forma directa con Intel, ni en el mercado de consumo general ni en el sector portátil, y tampoco en la categoría profesional.

Como ya os hemos contado anteriormente, la situación en la que se encontraba AMD era tan complicada que incluso se llegó a hablar de su posible compra por parte de algún gigante  del sector tecnológico. Curiosamente, Samsung sonó con mucha fuerza, y puede que ese hubiese sido el destino de la firma de Sunnyvale si no hubiese logrado encontrar el camino correcto con Zen, una arquitectura que superó todas las expectativas, y que marcó el inicio de una recuperación meteórica que, todavía a día de hoy, resulta sorprendente.

Pasado: Zen y la apuesta por un diseño MCM

AMD era consciente de que no se encontraba en una situación apropiada para afrontar los problemas, y los costes, que representaba desarrollar una arquitectura CPU de alto rendimiento, compleja y basada en un diseño de núcleo monolítico, no solo por todo lo que ello representaba en su etapa de diseño, sino también por lo que suponía a la hora de trasladarlo a la oblea. Necesitaba un diseño que le permitiera volver a competir con Intel, pero que al mismo tiempo pudiera afrontar de una manera más sencilla, y con unos costes inferiores. La respuesta vino de la mano de Jim Keller, y fue un diseño MCM.

Los diseños MCM permiten combinar chips relativamente simples para crear «súper chips» más complejos. No es un concepto nuevo, pero AMD fue la primera que se atrevió a trasladarlo de forma directa al sector de procesadores x86 de consumo general y alto rendimiento. Obviamente es más fácil, y más barato, diseñar y producir chips sencillos y combinarlos para dar forma a un procesador más potente que crear, directamente, ese «súper chip» y llevarlo a la oblea.

Sin embargo, esto planteaba también un desafío importante, y es que, al combinar chips más sencillos para crear un procesador más potente, debes encontrar la manera de interconectar esos chips, y de afinar al máximo las comunicaciones y la manera de trabajar de cada uno de ellos para evitar errores y problemas de latencia. Por otro lado, al situar recursos tan importantes como la caché de nivel 3 en encapsulados distintos, se limita la cantidad total disponible para todos los núcleos.

Al final, AMD logró dar forma a una arquitectura muy competitiva. Zen no pudo alcanzar el nivel de IPC que ofrecía la arquitectura Skylake de Intel, pero superó holgadamente a Bulldozer, logró superar a Haswell. Esa importante mejora del IPC, unida a la alta escalabilidad que permitía un diseño MCM, y al bajo coste de esta, fueron clave para que AMD consiguiera posicionar a sus procesadores Ryzen serie 1000 como una línea de productos atractivos para los consumidores.

El diseño MCM de AMD partía de la base de la unidad CCX, que integraba cuatro núcleos y ocho hilos, gracias a la tecnología SMT, contaba con 2 MB de caché L2 y 8 MB de caché L3 compartida. Para crear un procesador de 8 núcleos y 16 hilos, AMD solo tenía que unir dos unidades CCX, lo que simplificaba enormemente el diseño de los Ryzen 7 1700 y superiores. Pero esto no es todo, para aprovechar al máximo los chips de cada oblea, AMD combinó unidades CCX con núcleos no funcionales. Así, un Ryzen 5 1600 utilizaba dos unidades CCX, pero con núcleos desactivados. Esto supuso una gran ventaja para la compañía de Sunnyvale, y le permitió rentabilizar al máximo esta nueva arquitectura.

Zen fue una arquitectura potente, pero también escalable y altamente rentable. AMD logró ofrecer procesadores de 8 núcleos y 16 hilos por menos de 400 euros, y estos eran capaces de mantener un buen rendimiento en monohilo. Francamente, nadie se imaginaba que esa compañía a la que algunos daban por muerta iba a ser capaz de dar ese golpe sobre la mesa, pero lo hizo, y a pesar de que tuvo un debut un poco complicado por tema de soporte y de compatibilidad con memorias de alto rendimiento, al final fue la confirmación de que AMD había vuelto al buen camino.

No obstante, no tardaron en surgir voces que decían que el diseño MCM era un parche, y que no resultaría viable a largo plazo. AMD acalló parcialmente esos rumores cuando lanzó, justo un año después, Zen+, una revisión de la arquitectura original que dio el salto al nodo de 12 nm y que mantuvo la unidad CCX como base, aunque introdujo pequeñas mejoras diversas tanto en las latencias a nivel de caché como en la compatibilidad con memoria RAM de alta velocidad, y también en el sistema de intercomunicación de las unidades CCX, conocido como Infinity Fabric. El Ryzen 7 2700X fue el procesador estrella de dicha arquitectura.

Si queréis profundizar sobre las diferencias que existen entre los procesadores Ryzen 1000, Ryzen 2000 y Ryzen 3000 os invito a echar un vistazo a este artículo.

Presente: Zen 2 y Zen 3 consiguieron lo que parecía imposible

Seamos sinceros, aunque AMD había hecho un buen trabajo seguía sin superar a Intel en materia de rendimiento. Incluso tras la llegada de Zen+, no dejaron de surgir opiniones negativas que decían que un diseño MCM nunca iba a superar el rendimiento bruto de un procesador de núcleo monolítico. La verdad es que, en aquella época, los datos que arroban las comparativas y los problemas del diseño MCM apuntaban en esa dirección.

Sin embargo, AMD tenía muy claro el camino a seguir, y con la llegada de Zen 2 nos dio una enorme sorpresa. Esta arquitectura abandonó el diseño clásico del CCX para introducir un elemento que todavía hoy es el pilar central de sus CPUs, el chiplet o unidad CCD, compuesto por dos unidades CCX que suma un total de 8 núcleos y 16 hilos, gracias a la tecnología SMT, integra 4 MB de caché L2 en total (512 KB por núcleo) y dispone de 32 MB de caché L3. Dicha caché L3 se divide en 16 MB accesibles por cada bloque de cuatro núcleos, es decir, por cada unidad CCX.

El chiplet está fabricado en proceso de 7 nm, TSMC es el encargado de «cocinarlo», y todo el subsistema I/O se externaliza a un chip que está fabricado en proceso de 12 nm. Con Zen 2, AMD dio un salto enorme en rendimiento monohilo, consiguió elevar las frecuencias de trabajo, mejoró la compatibilidad con memoria RAM de alta velocidad y pudo escalar el máximo de núcleos e hilos hasta un máximo de 16 y 32, gracias a la unión de dos chiplets en el Ryzen 9 3950X. La fórmula de combinar chiplets, y de utilizar unidades con núcleos no funcionales para crear configuraciones de menos núcleos, se mantuvo, y con ello la alta rentabilidad y los precios competitivos.

Zen 2 fue un enorme paso adelante, pero AMD seguía sin superar a Intel en rendimiento monohilo, una realidad que cambió con la llegada de Zen 3, la arquitectura que ha dado vida a los Ryzen 5000. Dicha arquitectura mantuvo el chiplet como pilar central, y también el chip I/O externo y el nodo de 7 nm y 12 nm, pero introdujo cambios importantes que permitieron a AMD superar por fin a Intel en términos de IPC.

Entre los cambios más importantes destacan la unificación de los 32 MB de caché L3, que ahora son accesibles por cada bloque de 8 núcleos (ya no se dividen en dos bloques de 16 MB), así como otras modificaciones en el predictor de saltos, en el «front end» y en el motor de ejecución.

AMD también consiguió elevar un poco las frecuencias de trabajo, se mantuvo fiel al principio de retrocompatibilidad que anunció a bombo y platillo cuando llegó Zen de primera generación, y diseñó una plataforma a la última, compatible con el estándar PCIE Gen4. Fue un salto enorme, de eso no hay duda. AMD quedó por delante de Intel tanto en rendimiento monohilo como multihilo, pero el precio de los Ryzen 5000 aumentó de forma significativa, y esto les hizo perder valor en relación precio-prestaciones frente a los Intel Core Gen10 e Intel Core Gen11.

Futuro: Zen 3+ y Zen 4 serán las próximas novedades de AMD

La compañía de Sunnyvale ha confirmado que piensa lanzar Zen3+ en el primer trimestre de 2022. Esta arquitectura mantendrá la base de la actual Zen 3, pero con una particularidad, y es que utilizará unidades CCD mejoradas, y contará con memoria caché L3 apilada en 3D. Ya tuvimos la ocasión de hablar de este tema recientemente en este artículo, y vimos que el rendimiento podía aumentar entre un 4% y un 25% en juegos (15% de media).

En total, la ampliación de memoria caché L3 que ofrecerá Zen 3+ gracias al apilado vertical será de 64 MB, lo que significa que una versión del Ryzen 7 5800X adaptado a dicha arquitectura tendría, en total, 96 MB de caché L3, mientras que un Ryzen 9 5950X tendría con 128 MB de caché L3. Son cifras mareantes, sobre todo teniendo en cuenta que hasta hace unos años contar con 16 MB de caché L3 ya era todo un avance.

Zen 3+ será una renovación generacional importante a nivel de rendimiento, pero no se espera que introduzca mejoras a nivel de plataforma, y tampoco debería requerir de una nueva placa base, lo que significa que, en principio, debería ser compatible con las placas base actuales AM4 equipadas con los chipsets serie 500 de AMD.

Zen 4, sin embargo, sí que necesitará de una nueva placa base, ya que utilizará el socket AM5, será compatible con memoria DDR5 y también con el nuevo estándar PCIE Gen5. Se espera que esté fabricado en proceso de 5 nm, y que incremente el máximo de núcleos e hilos de la generación actual. Su lanzamiento se producirá en algún momento de 2022 (probablemente a finales de dicho año), y competirá con lo más avanzado que tenga Intel en ese momento.