AMD Zen 4 a fondo: Todo lo que debes saber de esta nueva arquitectura

Ayer fue un día muy importante para AMD, y no hay duda de que la arquitectura Zen 4 fue uno de los grandes protagonistas. Sí, es cierto que las APUs Ryzen 6000 generaron mucho interés, y es comprensible, ya que son las primeras soluciones que llegarán al mercado de consumo general equipadas con GPUs integradas Radeon RDNA 2, pero el plato fuerte estuvo en dicha arquitectura, y vamos a ver por qué.

No hablo sin motivos. Zen 4 va a ser la arquitectura que definirá el futuro de AMD a medio y largo plazo, y será la base de los próximos procesadores Ryzen 7000, así como de los Threadripper y EPYC de nueva generación. Su importancia está fuera de toda duda, y es que, como acabamos de ver, Zen 4 va a ser el pilar sobre el que AMD construirá su próximo ecosistema de procesadores de consumo general de alto rendimiento, y también de chips HEDT y para servidores.

Durante el CES de este año, AMD confirmó algunos detalles importantes sobre Zen 4, y también hemos podido ver algunas filtraciones que, al final, nos han dejado una base muy interesante que he querido agrupar, y sustanciar, en este artículo. Antes de nada, os recuerdo que el lanzamiento de los primeros procesadores de consumo general basados en Zen 4 no se producirá hasta la segunda mitad de este año, y que por tanto todavía  hay margen para que se produzcan cambios, aunque en cualquier caso estos deberían ser menores.

Zen 4: El chiplet seguirá siendo la pieza clave

AMD introdujo el concepto de chiplet con la arquitectura Zen 2, utilizada en los procesadores Ryzen serie 3000. Dicha arquitectura se caracterizó por externalizar todos los elementos I/O, lo que simplificaba enormemente el diseño de esos nuevos procesadores. Cada chiplet tenía 8 núcleos y 32 MB de caché L3 (cada bloque de cuatro núcleos podía acceder a 16 MB), y estaba fabricado en el nodo de 7 nm de TSMC, mientras que el chip I/O estaba fabricado en proceso de 12 nm.

Zen 3 mantuvo ese enfoque, pero mejoró el diseño del chiplet y unificó la memoria caché L3, de manera que los 8 núcleos del chiplet podrían acceder a los 32 MB de caché L3. Esto, unido al resto de mejoras, permitió un aumento notable del IPC, e hizo posible que AMD superase, por fin, a Intel en rendimiento monohilo a pesar de que sus CPUs seguían trabajando a velocidades ligeramente inferiores. Con Alder Lake-S la situación cambió por completo, como ya os contamos en su momento, ya que Intel logró recuperar la corona del rendimiento monohilo.

Pues bien, Zen 4 va a mantener el concepto de chiplet tal y como lo vimos en Zen 3, pero con un cambio muy importante, y es que dicha arquitectura doblará el número de núcleos por chiplet, que pasará de 8 núcleos a 16 núcleos. Esto será posible gracias a la integración de memoria caché L3 apilada en 3D, lo que reducirá el espacio que esta ocupará en el chip, y también gracias al uso del nuevo proceso de fabricación de 5 nm de TSMC, que permitirá reducir el tamaño de los transistores, y por tanto el espacio que ocupará cada núcleo del procesador.

Partiendo de esa base, tenemos que un único chiplet basado en Zen 4 contaría con 16 núcleos, podría manejar hasta 32 hilos gracias a la tecnología SMT y sumaría, en total, 64 MB de caché L3 apilada en 3D que, en teoría, debería se accesible por todos los núcleos (lo contrario sería un paso atrás por parte de AMD). Por su parte, la memoria caché L2 ascendería a un total de 8 MB, 512 KB por núcleo, y el chip I/O estaría fabricado en proceso de 6 nm.

AMD ya ha confirmado que con Zen 4 aumentará el número máximo de núcleos de sus procesadores EPYC de nueva generación, así que el concepto de chiplet con 16 núcleos y 32 hilos tiene todo el sentido del mundo. No obstante, debemos tener en cuenta que algunos detalles técnicos menores podrían diferir, ya que estamos trabajando con información oficiosa que procede de filtraciones y que, por tanto, no tiene una validez absoluta.

Núcleos de alto rendimiento y núcleos eficientes: Zen 4 adoptaría un enfoque muy peculiar

El diseño híbrido que adoptó Intel con Alder Lake-S no dejó indiferente a nadie, y al final resultó ser todo un acierto. Ese diseño permitió al gigante del chip crear procesadores con un mayor rendimiento multihilo sin tener que renunciar a un alto rendimiento monohilo, y sin que el espacio en el chip fuese un problema, ya que al final cuatro núcleos de alta eficiencia ocupan casi lo mismo que un chip de alto rendimiento.

AMD no va a tener problemas de espacio en el chip con Zen 4, gracias al uso de la caché apilada en 3D y al salto al nodo de 5 nm, pero sí que tendrá que resolver una cuestión muy importante: el consumo y el calor generado. Esto da pie a una pregunta importante, ¿cómo integras 16 núcleos en un chiplet sin comprometer esos valores? Una solución sería reducir las frecuencias de trabajo, pero esto podría perjudicar en gran medida al rendimiento global del chip, especialmente en entornos y aplicaciones donde primer más el desempeño monohilo.

La respuesta está, según una interesante filtración, en el uso de un bloque de núcleos de alto rendimiento y de otro bloque de núcleos de alta eficiencia. Es una idea muy simple, AMD podría utilizar, en un chiplet, 8 núcleos Zen 4 de alto rendimiento que trabajarían con un TDP normal y otro bloque de 8 núcleos Zen 4 que tendrían un TDP limitado a 30 vatios. Esto haría posible establecer un TDP máximo de 170 vatios, y permitiría a AMD subir el listón en rendimiento multihilo.

Sé lo que estáis pensando, ¿y cómo funcionarían esos núcleos, haría falta un director de orquesta que ordene y asigne cada carga de trabajo, como ocurre con Alder Lake-S? Pues en teoría no, ya que AMD partiría de un concepto muy simple: todo el trabajo iría siempre a parar a los núcleos con un TDP normal, conocidos como «prioritarios», y solo cuando estos se viesen saturados entrarían en funcionamiento los núcleos de bajo consumo.

Si trasladamos todo esto al mercado de consumo general, vemos que el sucesor del Ryzen 9 5950X, un hipotético Ryzen 9 7950X, debería estar basado en dos chiplets Zen 4, lo que nos dejaría un total de 32 núcleos y 64 hilos, además de 128 MB de caché L3 apilada en 3D. Su TDP sería de 170 vatios, como hemos dicho. La mejora que esto supondría en rendimiento multihilo sería enorme, pero el salto en rendimiento monohilo no se va aquedar atrás. Según varias fuentes, un núcleo Zen 4 de bajo consumo es capaz de superar ligeramente a un núcleo Zen 3, así que un núcleo Zen 4 estándar estará muy por encima de un núcleo Zen 3.

Zen 4 utilizará una plataforma a la última, y derribará una importante barrera

Ya hemos visto las claves más importantes de Zen 4 a nivel de arquitectura, así que estamos listos para profundizar en otras cuestiones. La primera va a ser la plataforma, y es que, con el lanzamiento de los Ryzen 7000, AMD introducirá un socket totalmente nuevo, y dará el salto del sistema actual de conexión CPU basada en pines (PGA) a uno basado en matrices de contacto (LGA). Esto supondrá el final del socket AM4, y el inicio de una nueva etapa.

El nuevo socket de AMD se conoce como AM5 (LGA1718), y vendrá acompañado de los nuevos chipsets serie 600. En informaciones anteriores habíamos visto que podría estar limitado a memoria DDR4, pero ahora todo parece indicar que será una plataforma a la última, y que por tanto ofrecerá soporte de DDR5, y también del nuevo estándar PCIE Gen5. El soporte de memoria DDR5 fue confirmado por la propia AMD, quien realizó una demostración de Halo Infinite en el CES 2022 sobre un equipo basado en un prototipo de Ryzen 7000 (Zen 4), una placa base con el diseño de referencia de AMD, 32 GB de memoria DDR5 a 4.800 MHz en doble canal y una GeForce RTX 3080.

Esa demostración también nos dejó un dato muy interesante, y es que la CPU Ryzen 7000 que utilizaron funcionaba a 5 GHz con todos sus núcleos activos. En efecto, no se trataba de un pico concreto en modo turbo con un hilo activo, sino de un modo turbo estable con una carga de trabajo realista, y amplia. Este dato es muy importante porque confirma que AMD ha logrado superar una de las carencias más importantes de los diseños CPU multichip, el pico máximo de frecuencia de trabajo.

Los que nos leéis a diario recordaréis que AMD se creó un problema innecesario al obsesionarse con los 5 GHz, un tema que ya tocamos en su momento en este artículo, y por eso es especialmente digno de mención que haya logrado superar esa barrera con Zen 4. Tened en cuenta también que si ese Ryzen 7000 puede funcionar a 5 GHz con todos los núcleos activos, también podrá superar esa cifra si solo traba con uno o dos núcleos activos.

Nos queda un último detalle que he querido dejar para el final porque es uno de los que más me atrae, y es que todos los procesadores Ryzen 7000 basados en Zen 4 vendrán, en teoría, con una GPU integrada basada en la arquitectura RDNA2. Sí, habéis leído bien, todos, lo que significa que estos ofrecerán un valor muy interesante. Este salto por parte de AMD tiene una explicación muy sencilla, por un lado es la respuesta a la integración de las GPUs Xe Gen12 en los Intel Alder Lake-S, y por otro es un movimiento que ahora, con la adopción de la DDR5, tiene sentido y es perfectamente viable.

Por si alguien se ha perdido, os recuerdo que no tenía sentido dar el salto a una GPU integrada basada en RDNA 2 porque ese aumento de potencia, derivado de esa nueva arquitectura, se iba a ver lastrado por el menor ancho de banda que ofrece la memoria DDR4 frente a la DDR5. Ya sabéis que una GPU integrada utiliza la RAM del sistema como memoria gráfica, y por ello el salto a la DDR5 resultaba tan necesario.