Chiplet, Zen 2 e 7 nanometri, le grandi novità

Sono tre le novità fondamentali delle CPU Ryzen 3000 “Matisse”. Anzitutto il nuovo design basato chiplet. Cosa significa? Che AMD ha rivisto profondamente il progetto delle sue CPU, andando ad abbinare nello stesso package i core x86 prodotti a 7 nanometri a un chip più grande detto I/O die (prodotto a 12 nanometri, 125mm2, 2,09 miliardi di transistor) dove risiede tutta la parte di connettività e di scambio dati tra i chip e il resto del sistema, migliorando latenza e al tempo stesso anche i consumi. I/O die e core comunicano tra loro tramite Infinity Fabric 2.

Ogni chiplet integra un massimo 8 core, quindi nei modelli di Ryzen fino a 8 core abbiamo un chiplet e un I/O die, mentre il Ryzen 9 3900X e il futuro Ryzen 9 3950X hanno due chiplet e un I/O die. Perché questo cambio di design rispetto al passato? Sia per una questione di scalabilità di alcuni componenti, difficili da realizzare a 7 nanometri, ma soprattutto per aumentare la densità.

Nei Ryzen di seconda generazione un singolo CCX a 12 nanometri occupava 60 millimetri quadrati, 44 mm2 per i core e 16 mm2 per 8 MB di cache L3. In questi Ryzen di terza generazione un singolo chiplet a 7 nanometri occupa 74 mm2 (3,9 miliardi di transistor), dei quali 31,3 mm2 dedicati ai core con 16 MB di cache L3.

Il chiplet è così compatto non solo grazie ai 7 nanometri, ma anche perché non integra i controller di memoria e l’I/O, e ha solo un collegamento Infinity Fabric, dato che tutto il resto è nell’I/O die. Questo ha permesso ad AMD di arrivare a ottenere CPU mainstream con un massimo di 16 core. Inoltre, spostando poi tutto il resto nell’I/O die l’azienda ha potuto anche incrementare sensibilmente la capacità della cache L3, raddoppiandola da 8 a 16 MB.

Parlando proprio di cache, l’azienda di Sunnyvale ha coniato il termine GameCache per definire la quantità di cache totale a bordo di ogni singola CPU. Si arriva a un massimo di 72 MB per il futuro Ryzen 9 3950X (8 MB di L2 + 64 MB di L3), mentre i processori nelle nostre mani hanno rispettivamente 70 MB (6 + 64 MB, Ryzen 9 3900X) e 36 MB (4 + 32 MB, Ryzen 7 3700X). Il nome "GameCache" è anche legato al fatto che AMD misura una differenza nelle pure prestazioni dei giochi grazie all'elevata quantità di cache, qualche che misureremo nelle prossime settimane.

Così tanta cache permette di mantenere quanti più dati vicino ai core e questo dovrebbe quindi migliorare le prestazioni, in virtù del fatto che si farà meno ricorso alla memoria di sistema, con un deleterio scambio continuo di dati tra la CPU e la DRAM. Un’altra novità riguarda proprio Infinity Fabric, che giunge alla seconda generazione. Uno dei miglioramenti dell’interconnessione è il supporto al PCIe 4.0 e l’incremento dell’ampiezza del bus da 256 a 512 bit. AMD dichiara inoltre un’efficienza superiore del 27%.

Queste sono però le novità più evidenti per quanto riguarda i nuovi processori. Sono tante le novità dell’architettura Zen 2, che si legano indissolubilmente ai 7 nanometri, e che consentono ad esempio di migliorare le prestazioni IPC (istruzioni calcolate per ciclo di clock) del 15% rispetto Zen+, cosa molto utile in ambito gaming, ma non solo. Abbiamo dedicato un articolo alle principali novità dell’architettura Zen 2, a cui vi rimandiamo per carpire tutti i dettagli.

Precision Boost 2 e Precision Boost Overdrive (PBO)

Precisione Boost 2 è una tecnologia già vista sui Ryzen 2000, il cui funzionamento non cambia per i Ryzen 3000. L'obiettivo degli algoritmi che dominano la tecnologia è alzare la frequenza dei core carichi il più possibile, fintanto che consumi e temperatura lo permettono. Ogni 1 ms il sistema verifica e incrocia i parametri che definiscono il funzionamento di PB2, e gli aggiustamenti sono continui. Le prestazioni generali della CPU non sono quindi definite unicamente dal processore stesso, ma anche l'alimentazione della scheda madre e il raffreddamento possono incidere sull'incremento delle frequenze, e quindi delle prestazioni totali.

Precision Boost Overdrive (PBO)

Come scritto sopra, PB2 non usa livelli di boost fissi per i vari core attivi, ma cambia continuamente le frequenze fintanto che c'è margine termico ed energetico per farlo. PB2 cerca di spingere le frequenze più alte possibili per i core sotto carico entro i limiti di PPT, TDC, EDC, della temperatura del die e della frequenza massima stabilita dall’OEM. Il processore ha limiti pre-programmati dall’OEM, ad esempio 95A di TDC e 140A di EDC, e si autoregola entro quei limiti. Quando s’incontra un limite, la CPU riduce la propria frequenza per stare entro le soglie prescritte e modula la frequenza fino a quanto la situazione cambia.

Quali sono i limiti? Eccoli:

• Package Power Tracking (PPT): la soglia PPT rappresenta il consumo energetico per socket permesso lungo i canali di tensione che alimentano il socket. Applicazioni con alto numero di thread e/o thread pesanti possono incontrare limiti PPT che possono essere alleviati aumentando tale limite.
  • Il default per il socket AM4 è almeno 142W sulle motherboard indirizzate alle CPU con TDP di 105W
  • Il default per il socket AM4 è almeno 88W sulle motherboard dedicati ai processori con TDP di 65W

• Thermal Design Current (TDC): si tratta della corrente massima che può essere fornita dalla specifica configurazione del regolatore di tensione della motherboard in scenari limitati termicamente.
  • Il default del socket AM4 è almeno 95A sulle schede madre per processori con TDP di 105W
  • Il default del socket AM4 è almeno 60A sulle schede madre per processori con TDP di 65W

• Electrical Design Current (EDC): è la corrente massima che può essere fornita dal VRM di una motherboard specifica in condizioni di picco per un breve periodo di tempo.
  • Il default del socket AM4 è almeno 140A sulle schede madre per processori con TDP di 105W
  • Il default del socket AM4 è almeno 90A sulle schede madre per processori con TDP di 65W

Il funzionamento e le prestazioni di PB2 possono essere dinamicamente espansi se i limiti degli OEM vengono ampliati. Precision Boost Overdrive (PBO) espande tutti e tre i limiti per adeguarsi a quelli della motherboard. In questo modo la CPU può assorbire più energia e tenere tensioni più alte nel corso del tempo. Di conseguenza la CPU può tenere una frequenza più alta per più tempo - ovviamente se l’utente abilita PBO.

Con i Ryzen 3000 gli utenti hanno ora la possibilità di abilitare un offset di frequenza massimo fino a 200 MHz. È un "interruttore" separato dall’abilitazione di PBO, ma è meglio usarlo con PBO per il massimo effetto . Si chiama Auto OC e dice al processore di gestire in modo automatico un aumento clock di boost massimo che è fino a 200 MHz più alto del default. È configurabile dall’utente a intervalli di 25 MHz tramite Ryzen Master e nel BIOS.