深度長文:AMD的崛起、衰落與復興

來源:內容編譯自「techspot」,謝謝。

AMD是最早的大型微處理器設計者之一,近50年來一直是技術愛好者之間爭論的話題。它的歷史構成了一個激動人心的故事——充滿了英雄式的成功,愚蠢的錯誤。在其他半導體公司來來往往的時候,AMD在多個地方經受了許多風暴並進行了多場戰鬥。

在這篇文章裏,我們將回顧該公司的過去,研究通向現在的曲折,並想知道這位硅谷資深人士的前景如何。

AMD的成名

要開始我們的故事,我們需要回溯歲月,前往1950年代後期的美國。在經歷了第二次世界大戰的艱辛歲月之後,那是你想要體驗技術創新前沿的時間和地點。

當時,類似貝爾實驗室,德州儀器(Texas Instruments)和飛兆半導體(Fairchild Semiconductor)等公司聘用了最好的工程師,並創造了無數的第一名。如雙極結型晶體管,集成電路和MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)。

飛兆半導體的工程師,大約於1960年-戈登·摩爾位於最左端,羅伯特·諾伊斯位於中間位置

這些年輕的技術人員想研究和開發更多令人興奮的產品,但是由於謹慎的高級管理人員和這個充滿恐懼和不穩定時代的影響,這些充斥着挫敗感的工程師渴望獨自出擊。

因此在1968年,飛兆半導體的兩名員工Robert Noyce和Gordon Moore離開了公司,走上了自己的闖爺之路路,NM Electronics在那個夏天開業,幾周後,這家公司更名爲集成電子公司( Integrated Electronics :Intel)。

其他人也緊隨其後。不到一年後,又有8個人離開,他們一起成立了自己的電子設計和製造公司:Advanced Micro Devices(AMD)。

這個團隊由飛兆半導體前營銷總監傑裏·桑德斯(Jerry Sanders)領導,他們從重新設計飛兆半導體和美國國家半導體的零件開始,而不是試圖直接與英特爾,摩托羅拉和IBM等公司競爭(後者在研究和開發上花費了大量資金開發新的集成電路)。

從這些不起眼的產品開始,公司也從聖塔克拉拉(Santa Clara)遷移到桑尼維爾(Sunnyvale)(加利福尼亞州硅谷),AMD提供的產品在短短几個月內就提高了效率和速度。這些微芯片的設計也符合美國軍用質量標準,這對仍處於新興的計算機行業來說,具有相當大的優勢,因爲計算機行業的可靠性和生產一致性差異很大。

AMD的第一個模仿CPU-Am9080

英特爾在1974年發佈他們的第一個8位微處理器(8008)時,AMD是一家產品組合超過200種的公司,其中四分之一是他們自己設計的,當中包括RAM芯片,邏輯計數器和位移位器。第二年他們又推出了許多新型號:他們自己的Am2900集成電路(IC)系列和2 MHz 8位Am9080,這是Intel的8008繼任者的反向工程版本。前者的組件在現在是完全集成到CPU和GPU中,但是35年前,算術邏輯單元和內存控制器都是獨立的芯片。

按照現在的標準,公然剽竊英特爾設計絕對會引起軒然大波,但在微芯片起步的初期,這一做法可謂一帆風順。在AMD和英特爾於1976年簽署了交叉許可協議之後,該CPU仿製品最終被重命名爲8080A。

這筆交易使AMD和英特爾可以把高利潤的芯片推向市場,零售價爲350多美元,是軍隊購買價格的兩倍。隨後是1977年的8085(3 MHz)處理器,並很快就推出了8086(8 MHz)。設計和製造方面的改進推動8088(5至10 MHz)於1979年出現,同年也開始在AMD德克薩斯州奧斯汀的工廠開始生產。

當IBM在1982年開始從大型機系統轉移到所謂的個人計算機(PC)時,該公司決定外包零件而不是內部開發處理器,他們最終選擇了英特爾的8086,這是有史以來的第一個x86處理器,同時,IBM還明確規定,AMD充當第二供應商,以確保IBM PC / AT的持續供應。

1981年的IBM 5150 PC

AMD與英特爾於當年2月簽訂了一份合同,前者生產8086、8088、80186和80188處理器。這些產品不僅是面向IBM,而且還面向衆多激增的IBM克隆產品(康柏只是其中之一) 。AMD還在1982年底開始生產16位的Intel 80286——標記爲Am286。

這是第一個真正重要的臺式機PC處理器,而Intel的芯片頻率通常在6到10 MHz的範圍內,AMD的則從8 MHz開始,最高達到20 MHz。無疑,這標誌着兩個硅谷強“國”之間爭奪CPU統治權的鬥爭的開始。對於英特爾的設計,AMD試圖做得更好。

這一時期代表着剛剛起步的PC市場的巨大增長,並且注意到AMD Am286提供了比80286顯着提高的速度,英特爾試圖阻止AMD前進。並嘗試通過將他們排除在獲得下一代386處理器的許可證之外而實現。

爲此AMD提起訴訟,但仲裁花了四年半的時間,最後的判決是英特爾沒有義務將所有新產品轉讓給AMD,但更大的芯片製造商違反了默示的誠實信用盟約。

正是在IBM PC市場從55%激增到84%的時候,發生了英特爾許可證被拒的事件。由於無法獲得新的處理器規格,AMD花了五年多的時間將80386反向到Am386中。在完成之後,就證明它不僅是英特爾芯片的仿製品。最初的386於1985年以12 MHz的頻率首次亮相,後來又達到33 MHz,Am386DX的高端版本於1989年則以40 MHz的頻率推出。

在Am386取得成功後,AMD在1993年發佈具有高度競爭力的40 MHz Am486,並以相同的價格提供比Intel 33 MHz的 i486高20%的性能。這在整個486系列產品中重演。在英特爾486DX的頻率達到100 MHz的時候,AMD提供了一個120 MHz的選擇。爲了更好地說明AMD在這段時期的實力,該公司的收入從1990年的10億美元增加到1994年的20億美元,翻了一番。

1995年,AMD推出了Am5x86處理器,作爲486的後繼產品,它可以對舊計算機進行直接升級。Am5x86 P75 +擁有150 Mhz的頻率,“ P75”的參考性能與英特爾的Pentium 75相似。“ +”表示AMD芯片在整數運算方面比競爭對手略快。

爲了解決這個問題,英特爾更改了命名約定,以其拉開他們與競爭對手和其他供應商與產品的距離。Am5x86從新銷售和486計算機的升級中帶來了可觀的收入,。與Am286、386和486一樣,AMD通過提供嵌入式解決方案繼續擴大了這市場份額。

1996年3月,AMD推出了第一款完全自己工程師開發的處理器5k86,後來更名爲K5。該芯片旨在與Intel Pentium和Cyrix 6x86競爭,該項目的強大執行力對AMD至關重要。按照介紹,該芯片具有比Cyrix強大的浮點單元,大約相當於Pentium 100,而整數性能則對標奔騰200。

K5芯片的彩色圖像die

但最後,這給AMD帶來了一道坎,因爲該項目一直受到設計和製造問題的困擾。這些導致CPU無法滿足頻率和性能目標,並且上市時間晚了,導致其銷售不佳。

而此時,AMD已經在NexGen上花費了8.57億美元的股票,NexGen是一家小型無晶圓芯片(僅設計)公司,其處理器由IBM製造。AMD的K5和正在開發的K6在更高的時鐘速度(〜150 MHz及更高)下存在縮放問題,而NexGen的Nx686已經展示了180 MHz的內核速度。買斷後,Nx686成爲AMD的K6。

K6架構則與英特爾的Pentium,Pentium II和(大部分重新貼標的)Pentium III對標。K6也造就了AMD的成功,這一切都歸功於前英特爾員工Vinod Dham(“奔騰之父”),功,後者於1995年離開英特爾,投奔NexGen。

當K6在1997年投放市場時,它成爲奔騰MMX的可行替代品。K6不斷壯大,從最初的233 MHz速度發展到1998年1月的“ Little Foot”改版爲300 MHz,1998年5月的“ Chomper” K6-2的頻率達到350 MHz,令人驚訝的是AMD於1998年9月推出的“ Chomper Extended”修訂版處理器的550 MHz頻率。

伴隨着K6-2的誕生,帶來了AMD的3DNow!SIMD(單指令,多數據)指令集。從本質上講,它與英特爾的SSE相同,它提供了一條訪問CPU浮點功能的簡便途徑。不利的一面是,除了需要重寫補丁和編譯器以利用該功能之外,程序員還需要將新指令合併到任何新代碼中。

與最初的K6一樣,K6-2比其他競爭對手強得多,但價格通常是英特爾奔騰芯片的一半。K6的最終版本K6-III是一個更復雜的CPU,晶體管數量爲2140萬個,高於第一個K6的880萬個和K6-II的940萬個。

新的CPU集成了AMD的PowerNow !,可根據工作負載動態更改時鐘速度。隨着時鐘速度最終達到570MHz,K6-III的生產相當昂貴,並且由於K7的到來而縮短了相對較短的使用壽命,K7更適合與Pentium III及其以後的產品競爭。

1999年是AMD的黃金時代的頂峯。因爲在這一年,他們推出了K7處理器,並將其命名爲速龍,這也表明他們不再便宜,也不是山寨選項。

也就是從500 MHz開始,Athlon CPU使用了新的Slot A(EV6)和DEC許可的新內部系統總線,該總線以200MHz的頻率運行,超過了當時提供133MHz頻率的英特爾。2000年6月,AMD推出了Athlon Thunderbird,這是一款因超頻性能而倍受人們青睞的CPU,它集成了DDR RAM支持和全速2級片上高速緩存。

2 GHz的64位CPU性能

Thunderbird 及其後繼者(Palomino, Thoroughbred, Barton和Thorton)在新千年的頭五年中一直與英特爾的奔騰4競爭,其優勢在於價格較低,但始終具有更好的性能。Athlon於2003年9月升級爲K8(代號爲ClawHammer),我們也稱之爲Athlon 64,因爲它爲x86指令集添加了64位擴展。

通常將此事件稱爲AMD的決定性時刻。因爲在他們不斷髮展的同時,英特爾不惜一切代價研發的Netburst架構將要曝光。

這樣一個相對較小的公司,從營收和收入水平來看,是不如英特爾的,但AMD充滿了對成功的渴望。但是,我們也應該看到,當您處在高山最高峯的時候,你就需要花費所有的精力才能停留在那兒,這也是你唯一的額一條路。

失樂園

沒有任何徵兆表示AMD將挑戰其地位。但在全球經濟危機,內部管理不善,財務預測不佳和英特爾咄咄逼人的多重夾擊下,一切都開始變了。

讓我們看看2006年年初的情況如何。AMD和Intel都滿足了CPU市場的多樣化需求,但是前者擁有出色的基於K8的Athlon 64 FX系列。FX-60是雙核2.6 GHz,而FX-57是單核,但運行在2.8 GHz。

正如當時的評論所顯示,兩者都是首屈一指的。它們非常昂貴,FX-60零售價超過1,000美元,但是英特爾的creme-de-la-creme也是3.46 GHz Pentium Extreme Edition 955。AMD似乎在工作站/服務器市場也佔據上風,Opteron芯片的性能也優於英特爾的Xeon處理器。

英特爾面臨的問題是他們的Netburst架構。據介紹,這樣超深的流水線結構需要很高的時鐘速度才能具有競爭力,但這反過來又增加了功耗和熱量輸出。換而言之,該設計已達到極限,不再需要重新設計,因此英特爾放棄了其開發,轉而使用其較舊的Pentium Pro / Pentium M CPU體系結構來構建Pentium 4的後續產品。

該計劃原本在2006年8月推出針對移動平臺的Yonah設計,然後產生了針對臺式機的雙核Conroe架構。這是Intel的面子,他們將Pentium的名稱降爲低端預算型號,並用Core代替了,而他們積攢起來的13年品牌統治力也瞬間消失了。

英特爾向低功耗,高吞吐量芯片設計的過渡非常適合各種不斷髮展的市場,幾乎在一夜之間,英特爾在主流和發燒友領域奪得了性能冠軍。到2006年底,AMD已從CPU峯會上被堅決地撤離,但一個災難性的管理決定將他們推向了高潮。

在英特爾發佈Core 2 Duo的三天前,AMD公開宣佈了一項舉措,該舉措已得到當時的首席執行官赫克託·魯伊斯(Hector Ruiz)的完全認可(桑德斯(Sanders)於4年前退休)。那就是2006年7月24日,AMD宣佈打算以54億美元(包括43億美元的現金和貸款,以及從5800萬股籌集的11億美元)收購圖形卡製造商ATI Technologies。這筆交易是一場巨大的財務賭注,收購佔當時AMD市值的50%,儘管這筆收購是合理的,但價格絕無僅有。

我們認爲,ATI被嚴重高估了,因爲它並沒有(與Nvidia一樣)帶來相當的收入收入。ATI也沒有生產基地,其價值幾乎完全基於知識產權。由於高估了ATI的商譽價值,AMD吸收了26.5億美元的減記,最終承認了這一錯誤。

缺乏管理前瞻性的是,ATI的手持圖形部門Imageon也以微不足道的6,500萬美元價格賣給了高通。該部門現名爲Adreno,是“ Radeon”的字形,這個產品是Snapdragon SoC的組成部分。

Xilleon則是用於數字電視和電視電纜盒的32位SoC,以1.928億美元的價格出售給Broadcom。

除了燒錢外,AMD對英特爾更新後的架構的最終反應顯然也很差勁。在Core 2發佈兩週後,AMD總裁兼首席運營官Dirk Meyer宣佈了AMD新K10 Barcelona處理器的定稿。這是他們在服務器市場上的決定性舉動,因爲它是成熟的四核CPU,而當時英特爾僅生產雙核Xeon芯片。

新的Opteron芯片於2007年9月面世,但它並沒有搶走英特爾的風頭,而是隨着一個bug的發現,而遭受打擊。該錯誤在極少數情況下會涉及嵌套的緩存寫入而導致鎖定。到最後,TLB漏洞都終止了AMD K10的生產。其實BIOS補丁可以解決傳出處理器上的問題,但這樣做會損失大約10%的性能。修改後的“ B3步進式” CPU在6個月後交付時,但這已經給AMD造成了銷售和聲譽方面的損失。

一年後,也就是2007年末,AMD將四核K10設計推向了臺式機市場。到那時,英特爾一直處於領先地位,併發布了現在著名的Core 2 Quad Q6600。在紙面上,K10是卓越的設計——所有四個核心都在同一個芯片中,而Q6600則在同一封裝中使用了兩個單獨的芯片。但是,AMD一直在努力達到預期的時鐘速度,而新CPU的最佳版本僅爲2.3 GHz。儘管比Q6600慢了100 MHz,但速度較慢,但價格也較貴。

但最令人困惑的是,AMD決定推出一個新的型號名稱:Phenom。英特爾之所以選擇Core,是因爲Pentium已成爲過高的價格和功能的代名詞,並且性能相對較差。另一方面,Athlon是計算機發燒友非常瞭解的名稱,並且它的速度與它的聲譽相稱。Phenom的第一個版本實際上並不差勁,它不如Core 2 Quad Q6600(已經很容易獲得的產品)好,而且Intel在市場上也提供了更快的產品。

奇怪的是,AMD似乎做出了有意識地放棄了廣告,再加上他們在企業的軟件方面毫無存在感。這就讓我們對AMD這段時間的操作有點不能夠了解的。但是,如果不考慮英特爾的反競爭行爲,那麼對AMD歷史上這個時代的回顧是不完整的。在此關頭,AMD不僅在與英特爾的芯片作鬥爭,而且還在與公司的壟斷活動作鬥爭,其中包括向OEM支付鉅款(總計數十億美元)。這些積極的行動使AMD CPU原理了新計算機。

在2007年第一季度,英特爾向戴爾支付了7.23億美元,繼續成爲戴爾唯一的處理器和芯片組供應商-佔戴爾公司9.49億美元總營業收入的76%。AMD稍後將在此事上贏得12.5億美元的和解金,表面上令人驚訝地低,但可能由於以下事實而加劇:在英特爾任由惡作劇之時,AMD本身實際上無法爲其現有客戶提供足夠的CPU。

這並不是說英特爾需要做任何事情。與AMD不同,它們具有嚴格的長期目標設定,以及更大的產品和IP多樣性。他們也擁有無與倫比的現金儲備:到新千年的第一個十年結束時,英特爾已經獲得了超過400億美元的收入和150億美元的營業收入。這爲營銷,研究和軟件開發以及爲自己的產品和時間表量身定製的代工廠提供了大量預算。在這些因素影響下,AMD在爭奪市場份額的時候舉步維艱。

另一方面,ATI數十億美元的超額付款以及隨之而來的貸款利息,令人失望的K8的繼任者,以及遲遲未能上市的有問題的芯片,都令人不快。這也事情將變得更糟。

向前邁出一步

到2010年,全球經濟正努力從2008年的金融危機中反彈。幾年前,AMD處理了了自己的閃存部門,並拆分其晶圓製造部部門,成立了GlobalFoundries,AMD仍將一些產品放在這些產線上。這些操作大約導致10%的員工被裁掉了,節省下來的資金和現金注入意味着AMD可以屈服並完全專注於處理器設計。

AMD並沒有改善K10的設計,而是從新結構重新開始,並在2011年底推出了Bulldozer架構。在K8和K10是真正的多核,同時多線程(SMT)處理器的情況下,新佈局被歸類爲“集羣多線程”。

推土機的四個模塊設計

AMD的Bulldozer採取了一種共享的模塊化方法:每個集羣(或模塊)都包含兩個整數處理核心,但是它們並不是完全獨立的。他們共享了L1指令和L2數據緩存,獲取/解碼和浮點單元。通過簡單地將第一個Bulldozer CPU命名爲AMD FX,AMD甚至放棄了Phenom的名稱,回到了Athlon FX輝煌的年代。

所有這些更改背後的想法是減小芯片的整體尺寸並使它們更加節能。較小的裸片將提高製造良率,從而提高利潤率,而效率的提高將有助於提高時鐘速度。可擴展的設計還將使其適合更廣泛的市場。

FX-8510是 2011年10月發佈的最佳機型,具有4個羣集,但以8核8線程CPU的形式銷售。在這個時代,處理器具有多種時鐘速度,FX-8150的基本頻率爲3.6 GHz,turbo時鐘爲4.2 GHz。但是,該芯片的尺寸爲315平方毫米,峯值功耗超過125W。此時,英特爾也已經發布了Core i7-2600K:它是傳統的4核,8線程CPU,運行頻率高達3.8 GHz。它比新的AMD芯片小得多,只有216平方毫米,並且功耗降低了30W。

從表面上看,新的FX應該占主導地位,但是它的性能卻有點令人難以置信——有時,處理大量線程的能力會大放異彩,但是單線程性能通常並不比它要取代的Phenom範圍更好,儘管時鐘速度優越。

在向Bulldozer的研發投入了數百萬美元之後,AMD肯定不會放棄設計,而對ATI的收購現在開始見效。在過去的十年中,AMD首次涉足CPU和GPU組合封裝(稱爲Fusion)的上市時間很晚,而且表現令人失望。

但是該項目爲AMD提供了應對其他市場的手段。2011年初,另一種名爲Bobcat的新架構發佈了。

PlayStation 4中的AMD定製CPU + GPU芯片

針對如嵌入式系統,平板電腦和筆記本電腦等低功耗應用,這也是與推土機截然相反的設計:只有少量管道,僅此而已。幾年後,Bobcat收到了急需的更新,變成了Jaguar架構,並在2013年被Microsoft和Sony選爲Xbox One和PlayStation 4的芯片。

儘管由於之際通常以儘可能低的價格製造,因此利潤率相對較低,但兩個平臺的銷量均達數百萬美元,這凸顯了AMD創建定製SoC的能力。

多年來,AMD繼續修改推土機設計。打樁機排在第一位,爲我們提供了FX-9550(220 W,5 GHz怪物),但Steamroller和最終版本Excavator(於2011年推出,產品使用了4年)後來)更着重於降低功耗,而不是提供特別新穎的功能。

到那時,至少可以說,CPU的命名結構變得令人困惑。Phenom長期辭職於歷史書籍,而FX的聲譽有些差。AMD放棄了這種命名法,只是將其Excavator臺式機CPU標記爲A系列。

該公司的圖形部門負責Radeon產品的發展,其命運也同樣喜憂參半。AMD保留了ATI品牌名稱,直到2010年,將其替換爲自己的品牌。隨着Graphics Core Next(GCN)的發佈,他們還完全重寫了ATI在2011年末創建的GPU架構。該設計將持續近8年,並將其運用於主機,臺式PC,工作站和服務器。今天,它仍被用作AMD所謂的APU處理器中的集成GPU。

Graphics Core Next的首次亮相-Radeon HD 7970

GCN處理器逐漸具有強大的計算性能,但要獲得最好的結構並不是最容易的。AMD有史以來功能最強大的版本,即Radeon VII中的Vega 20 GPU,擁有13.4 TFLOP的處理能力和1024 GB / s的帶寬,但在遊戲中,它無法達到與Nvidia最好產品的相同高度。

Radeon產品通常以熱,嘈雜且非常耗電而著稱。爲HD 7970供電的GCN的初始迭代在滿負載時需要遠遠超過200 W的功率。這主要因爲它是在相對較大的工藝節點(TSMC的28nm)上製造的。到GCN以Vega 10的形式完全成熟時,這些芯片是由GlobalFoundries在其14nm節點上製造的,但是對能源的要求並沒有Radeon RX Vega 64之類的最大消耗近300的芯片更好。

儘管AMD擁有不錯的產品選擇,但他們卻沒有達到應有的水準,他們努力賺取足夠的錢。

到2016年底,該公司的資產負債表已連續4年虧損(2012年的財務狀況因7億美元的GlobalFoundries最終沖銷而受損)。即使出售其代工廠和其他分支機構,債務仍然很高,甚至Xbox和PlayStation上的系統軟件包的成功也未能提供足夠的幫助。

從表面上看,AMD似乎陷入了嚴重麻煩。

新星a-ryze

由於沒有什麼可出售的東西,也沒有任何大筆資金來挽救它們,因此AMD只能做一件事:加倍進行投資並且重組。在2012年,AMD召集了兩個人,他們在AMD的復興中扮演了重要角色。

K8系列的前首席架構師Jim Keller在離開13年後迴歸,開始着手兩個項目:一個是針對服務器市場的基於arm的設計,另一個是基於標準的x86架構,與其合作的是首席架構師是Mike Clark(他也領導過 Bulldozer的設計)。

同時加入的還有飛思卡爾半導體公司(Freescale Semiconductors)的高級副總裁兼總經理Lisa Su。她在AMD擔任了同樣的職位,人們普遍認爲她和當時的總裁Rory Read共同推動了公司向個人電腦以外的市場發展,尤其是向主機市場的進軍。

Lisa Su (中間) and Jim Keller (最右)

在Keller重返AMD研發部門工作兩年後,首席執行官Rory Read辭職,高級副總裁/總經理升職。Su擁有MIT的電子工程博士學位,並且對SOI(絕緣體上硅)MOSFET 進行了研究,因此Su具有使AMD恢復輝煌的學術背景和行業經驗。但在大規模處理器的世界裏,什麼都不是一蹴而就的——芯片設計最多要花好幾年時間才能投入市場。在此類計劃得以實現之前,AMD仍舊面臨着風險。

在AMD繼續掙扎的同時,英特爾卻越來越強大。核心架構和製造流程節點已經非常成熟,到2016年底,它們的營收接近600億美元。多年來,英特爾一直採用“ tick-tock ”方法進行處理器開發:“ tick ”將是一種新的體系結構,而“ tock ”將是一種過程改進,通常以更小的節點的形式出現。

然而,並非所有的事情都是在幕後進行的,儘管利潤巨大,英特爾幾乎佔據了整個市場的主導地位。2012年,英特爾預計將在3年內發佈10nm節點的CPU。但這個預計並沒有如期實現。他們的第一個14nm CPU,使用Broadwell架構,出現在2015年,在後面的五年當中英特爾仍然在該節點和基本設計上徘徊。

代工廠的工程師反覆遇到10nm的良率問題,迫使英特爾每年都要改進舊工藝和體系結構。時鐘速度和功耗不斷攀升,但沒有新的設計問世;這或許是他們Netburst時代的回聲。個人電腦用戶面臨着令人沮喪的選擇:要麼從強大的核心產品線中選擇價格高昂的產品,要麼選擇較弱、較便宜的FX/ a系列產品。

但是AMD已經悄悄地製造了一套可以制勝的卡,在2016年2月的E3年度活動上他們推出了該產品。利用用戶渴望已久的Doom reboot 作爲發佈平臺,AMD全新的Zen架構開始在市場中亮相。

除了諸如“同步多線程”、“高帶寬緩存”和“節能finFET設計”這樣的短語之外,很少有人提及新的設計。在2016年臺北國際電腦展(Computex 2016)上,AMD給出了更多細節,包括將 Excavator結構改進40%的目標。

說這是一個雄心勃勃的說法是保守的——尤其是考慮到AMD Bulldozer 每版設計修訂版都提供了適度的10%的增長這一事實。

他們還需要再過12個月才能真正出現該芯片,但是當它出現時,AMD的長期計劃終於明確了。

任何新的硬件設計都需要合適的軟件來銷售,但多線程CPU正面臨着一場艱苦的戰鬥。儘管主機採用8核CPU,但大多數遊戲在4核的情況下仍然可以運行的很好。主要原因是英特爾的市場主導地位,以及Xbox One和PlayStation 4中都採用了AMD芯片的設計。前者早在2010年就發佈了他們的第一個6核CPU,但它非常昂貴(接近1100美元)。其他處理器很快就出現了,直至7年後,英特爾才推出了用戶真正買得起的六核處理器Core i5-8400,它的價格不到200美元。

主機處理器的問題在於CPU佈局是由同一裸片中的兩個4核CPU組成,並且芯片的兩個部分之間存在高延遲。因此,遊戲開發人員傾向於將引擎的線程保持在其中一個部分上,而僅將另一部分用於一般的後臺進程。僅在工作站和服務器領域,才需要使用真正的多線程CPU,直到AMD提出了不同的方式,這種做法才得以改變。

2017年3月,普通桌面用戶可以用兩個8核16線程cpu中的一個來升級他們的系統。一個全新的架構顯然應該有一個新的名字,AMD沒有用 Phenom和FX來爲之命名,而是選用了Ryzen作爲其全新架構的名字。

但這兩個CPU都不是特別便宜:3.6 GHz(增強4 GHz)Ryzen 7 1800X的零售價爲500美元,而0.2 GHz較慢的1700X的售價則低100美元。在某種程度上,AMD不想再被認爲是廉價的選擇,但這主要是因爲英特爾的8核酷睿i7- 690k要價超過1000美元。

Zen從之前所有的設計中吸取了最好的,並將它們融合到一個結構中,使pipelines儘可能的繁忙;要做到這一點,就需要對pipelines和緩存系統進行重大改進。新的設計不再像Bulldozer那樣共享L1/L2緩存,每個核心將完全獨立,擁有更多的pipelines、更好的分支預測和更大的緩存帶寬。

Ryzen的CPU讓人想起微軟和索尼的主機芯片,它也是一個系統芯片;唯一缺少的是GPU(後來的預算Ryzen機型包含了GCN處理器)。

這個die被劃分爲兩個所謂的CPU綜合體(CCX),每個都是4核8線程的。芯片中還裝了一個Southbridge處理器——該CPU爲PCI Express、SATA和USB提供控制器和鏈接。這意味着,從理論上講,可以在沒有SB的情況下製造主板,但幾乎所有的主板都這樣做了,只是爲了擴大可能的設備連接數量。

如果Ryzen的表現不佳,這一切都將是毫無意義的,而在多年位居英特爾之後,AMD在這一領域有很多需要證明的地方。1800X和1700X並不完美:在專業應用方面他比英特爾的任何產品都好,但在遊戲方面要慢一些。

AMD還有其他玩法:第一款Ryzen CPU投放市場一個月後,出現了6核和4核Ryzen 5型號,兩個月後又出現了4核Ryzen 3芯片。與英特爾的產品相比,AMD的表現與規模更大的兄弟公司一樣,但它們的成本效率明顯更高。

然後是ace——16核32線程的Ryzen Threadripper 1950X(要價1000美元)和用於服務器的32核64線程EPYC處理器。這些龐然大物在同一封裝中分別包含兩個和四個Ryzen 7 1800X芯片,利用新的Infinity Fabric互連繫統在芯片之間傳輸數據。

在6個月的時間裏,AMD展示了他們正在利用他們的設計,有效地對標了x86桌面市場。

一年後,架構升級爲Zen+,包括對緩存系統的微調,以及從GlobalFoundries的古老的14LPP流程(該節點是三星的)切換到更新的、更密集的12LP系統。CPU芯片的尺寸保持不變,但是新的製造方法允許處理器以更高的時鐘速度運行。

之後又過了12個月,即2019年夏天,AMD推出了Zen 2。這次變化更加重要,術語“小芯片 ”風靡一時。工程師沒有遵循單片構造,即CPU的每個部分都在同一塊硅片上(Zen和Zen +就是這樣做),而是在Core Complexs中將其與互連繫統分開。

前者是由臺積電(TSMC)使用其N7工藝製造的,最終形成了 full dies ——故名“ 核心複合裸片(CCD)”。輸入/輸出結構由GlobalFoundries製作,桌面Ryzen模型使用12LP芯片,而Threadripper和EPYC具有更大的14 nm版本。

Zen 2 Ryzen和EPYC的紅外圖像。CCD小芯片顯然與I / O芯片分開。圖片:Fritzchens Fritz

小芯片設計將針對Zen 3進行保留和完善,目前預計將在2020年末發佈。我們不太可能看到CCD打破Zen 2的8核,16線程佈局,相反,它將與通過Zen +可以看到(例如,緩存,電源效率和時鐘速度的提高)。

值得總結一下AMD在Zen方面取得的成就。在8年的時間裏,該體系結構從一張白紙變成了全面的產品組合,包括99美元的4核,8線程預算產品到4,000美元以上的64核,128線程服務器CPU。

AMD的財務狀況也發生了巨大變化:從虧損和債務激增到數十億美元,AMD現在有望在明年內清算其貸款併發布超過6億美元的營業收入。雖然Zen可能不是公司財務復甦的唯一因素,但它卻起到了極大的作用。

AMD的圖形部門的命運也發生了類似的變化——2015年,該部門被賦予了完全的獨立性,即Radeon Technologies Group (RTG)。他們的工程師最重要的發展來自RDNA,這是對GCN的重大改造。對緩存結構的更改,以及對計算單元大小和分組的調整,將體系結構的重點直接轉移到了遊戲上。

Radeon RX 5700系列是使用這種新架構的首批模型,並展示了該設計的巨大潛力。微軟和索尼並沒有忽視這一點,他們都選擇了Zen 2和更新後的RDNA 2來支持即將推出的Xbox和PlayStation 5遊戲機。

儘管Radeon Group尚未獲得與CPU部門相同的成功水平,並且其顯卡可能仍被視爲“有價值的選擇”,AMD在架構開發和技術創新方面已經回到了它在Athlon 64 days的水平。他們升到頂峯,從高處墜落,就像神話中的鳳凰意一樣,浴火重生。

展望

問一個關於AMD的簡單問題是再合適不過了:他們還會回到產品低迷、沒有錢的黑暗時代嗎?

即使2020年被證明是AMD非常出色的一年,而且第一季度的財務業績較上年增長了40%,94億美元的營收仍落後於英偉達(2019年的107億美元),距離英特爾(720億美元)也相去甚遠。當然,後者擁有更大的產品組合,以及自己的晶圓廠,而英偉達的收入幾乎完全依賴顯卡。

AMD的暢銷產品

顯然,爲了完全穩定AMD的未來,收入和營業收入都需要增長——那麼如何實現呢?他們的大部分收入來自他們所謂的“計算和圖形”部分,即Ryzen和Radeon銷售。毫無疑問,這種情況還會繼續改善,因爲Ryzen非常有競爭力,RDNA 2架構將爲遊戲提供一個通用平臺,可以在pc上運行,就像在下一代主機上一樣。

英特爾最新的臺式機CPU 在遊戲領域的領先優勢不斷下降。它們還缺乏Zen 3將提供的功能的廣度。Nvidia保持了GPU性能的桂冠,但是在Radeons的中端市場依然要面臨激烈的競爭。也許這只是巧合,但即使RTG是AMD的完全獨立部門,其收入和營業收入仍與CPU部門歸爲一類——這表明它們的圖形卡雖然很受歡迎,但銷量卻不像他們的Ryzen產品。

對AMD來說,更緊迫的問題可能是,他們的企業、嵌入式和半定製業務在2020年第一季度的營收中所佔比例不到20%,而且還處於虧損狀態。鑑於任天堂的成功轉型以及微軟和索尼即將推出的新機型,Xbox和PlayStation在這一時代的銷量停滯不前,或許可以解釋這一現象。英特爾還完全主宰了企業級市場,沒有人會因爲一個令人驚喜的新CPU的出現,就放棄一個數百萬美元的數據中心。

Nvidia DGX A100,配備兩個64核AMD EPYC處理器

但在接下來的幾年裏,這種情況可能會發生改變,部分原因是新的遊戲機,但也有可能是一個意想不到的領域。在所有公司中,英偉達選擇了AMD而不是英特爾來爲其新的深度學習/AI計算集羣DGX 100提供CPU。原因很簡單:EPYC處理器擁有更多的核心和內存通道,PCI快速通道比英特爾提供的任何產品都要快。

如果英偉達樂意使用AMD的產品,其他公司肯定會效仿。AMD將不得不繼續攀登一座陡峭的山,但今天看來他們已經有了攀爬這座高峯的正確工具。隨着臺積電繼續調整和完善其N7工藝節點,所有使用該工藝生產的AMD芯片也將逐步變得更好。

展望未來,AMD內有一些領域可以使用真正的改進。這樣的領域之一就是營銷。“ Intel Inside”的流行語已經存在了30多年,雖然AMD花了一些錢來推廣Ryzen,但最終他們還是需要戴爾、惠普和聯想等生產商銷售採用他們的處理器,像他們採用英特爾的一樣

在軟件方面,已經有很多人在開發增強用戶體驗的應用程序,比如Ryzen Master,但直到最近Radeon驅動纔出現了普遍的問題。遊戲驅動程序可能非常複雜,但它們的質量可能決定硬件的聲譽。

AMD目前處於其51年曆史中最強大的位置。由於雄心勃勃的Zen項目沒有很快達到極限的跡象,該公司像鳳凰一樣的重生獲得了巨大的成功。他們雖然不在巔峯,但也許更好。據說歷史總是在重演,但是我們希望這不會過去。一個健康而有競爭力的AMD,完全能夠正面迎戰英特爾和英偉達,這會爲用戶帶來更多的好處。

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