12核心、全新Zen 2微构架AMD Ryzen 9 3900X处理器结构分析

全新7nm制程、第3代Ryzen处理器登场

AMD正式向Intel投下7nm核弹，推出全新Zen 2微构架、第3代Ryzen处理器，受惠于微构架改良IPC性能相较上代「Zen+」平均提升约15%，加上全新7nm制程改进令核心时脉再提升350MHz，令整体性能提升可达21%。

更重要的是，全新7nm制程让AMD可以在现有的Socket AM4封装放进更多处理核心，以性价比及多核优势作卖点，相同CPU核心数规格售价较Intel便宜，相同价位下CPU核心更多、性能更高，相信有不少用家会转投AMD怀抱，进一步打破INTEL市场垄断局面。

回顾AMD这三年的进步，无论是制程及微构架都按照时程表发展并准时实现，在Socket AM4平台实现3个微构架及制程改良、CPU核心数目提升4x、PCIe频宽提升1x，內存频宽提升了33%，相较Intel仍保持老旧的14nm制程，让AMD声势变得一时无两。

全新AMD Zen 2微构架

▲ AMD Zen 2 微构架 Block Diagram

相较上代「Zen+」微构架属于半代更新，仅针对Cache及內存系统作出改动，全新「Zen 2」微构架有着更明显的改良，包括了增加内部频宽、提升运算单元使用率、提升缓存命中率、提升单一周期指令执行数等等，主要改进及全新设计包括︰

1.改用256bit Single-Op浮点单元

2.Ops Cache容量倍增至4096 byte

3.全新的TAGE预测分支设计

4.增至3组AGU单元

5.增加Load/Store Bandwidth

6.L3 Cache容量提升1倍

7.改良Fetch及Pre-Fetch能力

8.改良ALU及AGU Schedulers

9.增加Register File容量

10.IMC控制器改良、提升至DDR4-3200+

经改良的Front End引擎

全新AMD Zen 2微构架针对Front End引擎作出了不少改良，具备全新TAGE Branch Predictor单元设计，透过优化内部算法去预测将被执行的指令，并寻找下个直接及间接目标，提早填充至Request Queue单元，有助降低运算延迟并优化记忆体系统并行性能。

AMD扩大了Zen 2微构架的Branch Target Buffer（BTB）缓存，L1 BTB由256增至512 entries、L2 BTB由4096增至7,168 entries、ITA增至1024 entries，相较上代Zen+有效降低约30%预测分支失败率。

▲AMD Zen 2微构架的指令提取设计

此外，AMD Zen 2微构架为提升Micro-Tags效率，将Ops Cache缓存的可储存指令量由上代2,048增加一倍4,096条，让更多译码后的Ops指令可被暂存，当遇上相同的x86指令时不需要再Decoder单元进行译码，直接由Ops Cache缓存单元提取Ops指令，为Front-End引擎提供更高的x86指令吞吐量。

▲ AMD Zen 2 的 Front End 引擎

指令译码方面，AMD Zen 2微构架的Front-End引擎沿用1组4-Wide x86 Decoder，每个周期可处理4个x86指令，但进一步改良了Fast Path设计，Decoder单元支持更多x86操作指令可被融合成1个Ops指令，令运算效率进一步提升。

此外，AMD Zen 2微构架亦将Ops Cache每个周期可提取的Ops指令数目由4条增至8条，更多的Ops指令会被传送至Ops Queue列队单元等待分配，进一步提升处理器的x86指令吞吐量，更有利于SMT同步多线程运算效率。

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