La microarquitectura AMD Zen 5 representa la quinta generación del diseño de núcleos x86 de alto rendimiento de AMD, cuyo nombre en clave es «Nirvana», y supone una evolución significativa de la tecnología de procesadores de la compañía. Lanzada en 2024, Zen 5 impulsa una amplia gama de productos, incluidos los procesadores de escritorio Ryzen serie 9000 (con nombre en clave «Granite Ridge»), los procesadores móviles Ryzen AI serie 300 («Strix Point») y los procesadores para servidores EPYC serie 9005 («Turin») .
Fabricada mediante el avanzado proceso FinFET de 4 nm de TSMC, Zen 5 ofrece un aumento generacional del 16 % en instrucciones por ciclo (IPC) en aplicaciones de PC de escritorio, según lo informado. Este salto combina mejoras arquitectónicas con nuevas capacidades importantes .
Filosofía de diseño: rendimiento, eficiencia y equilibrio
Los principales objetivos de diseño de AMD para Zen 5 fueron ofrecer otro gran aumento del rendimiento monohilo (1T) y multihilo (NT), equilibrar el rendimiento de instrucciones y datos entre los núcleos, y proporcionar compatibilidad con AVX-512 y rutas de datos FP512 tanto para el rendimiento general como para las cargas de trabajo de IA . La arquitectura conserva la estructura básica de la generación anterior, Zen 4, con un diseño de chiplets que utiliza uno o más chiplets de complejo de CPU (CCD) conectados a un chiplet central de entrada/salida (IOD) . Sin embargo, las mejoras son considerables y se centran en el paralelismo del front-end y de la ejecución, así como en el movimiento eficiente de datos .
Especificaciones técnicas: el núcleo
Zen 5 se fabrica mediante el proceso FinFET de 4 nm de TSMC. El CCD tiene un tamaño de 55 mm² y contiene 8.600 millones de transistores distribuidos en ocho núcleos . El complejo de núcleos (CCX) incluye ocho núcleos, cada uno con 1 MB de caché L2 privada y una caché L3 compartida de 32 MB . El chiplet de entrada/salida (IOD) se fabrica con un proceso de 6 nm e incluye gráficos RDNA 2 integrados con 128 procesadores de flujo, un controlador PCI Express 5.0 y un controlador de memoria . La variante «Zen 5c» está diseñada para ofrecer una mayor densidad y eficiencia energética en mercados específicos .
Arquitectura del núcleo: Nirvana
El núcleo «Nirvana» es el corazón de la arquitectura Zen 5 e incorpora varias mejoras clave respecto a su predecesor:
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Mejoras del front-end: El front-end se ha ampliado considerablemente para mejorar el rendimiento de instrucciones y la precisión de la predicción de saltos. La tasa de búsqueda de instrucciones aumentó de 16 a 32 bytes por ciclo, un cambio que aborda un cuello de botella de larga data en los procesadores de AMD e Intel . El predictor de saltos incorpora saltos condicionales sin burbujas, un BTB L1 de mayor tamaño, una pila de direcciones de retorno más grande y la capacidad de realizar dos predicciones de salto tomado por ciclo. Esto reduce las burbujas en la canalización, aumenta la precisión y mejora el rendimiento . La caché de instrucciones L1 (I-Cache) es de 32 KB, asociativa de 8 vías, y permite una búsqueda de 2 × 32 B por ciclo .
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Decodificación y despacho: Los decodificadores emplean un diseño de dos canales de decodificación que puede procesar en paralelo dos flujos de instrucciones o bloques básicos independientes, con un rendimiento de cuatro instrucciones por ciclo en cada canal . La caché de operaciones (op-cache) tiene un 33 % más de asociatividad de entradas, lo que aumenta su densidad y cobertura, y puede entregar 12 instrucciones por ciclo mediante dos canales . Esto alimenta una etapa de despacho de 8 vías que envía las instrucciones a las unidades de ejecución enteras o de punto flotante .
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Motores de ejecución: Las capacidades de ejecución de Zen 5 se han ampliado considerablemente. La arquitectura incluye:
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Unidades enteras: 6 ALU enteras y 4 unidades de generación de direcciones (AGU) para operaciones de memoria, capaces de ejecutar hasta seis instrucciones enteras simples por ciclo .
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Unidad de punto flotante (FPU): La FPU es uno de los aspectos más destacados: incorpora rutas de datos AVX-512 completas de 512 bits, una mejora importante respecto a la implementación de Zen 4 . Incluye 4 canales de ejecución y puede procesar simultáneamente sumas y multiplicaciones vectoriales a razón de dos por ciclo . La latencia de la suma vectorial entera aumentó de 1 a 2 ciclos, mientras que la latencia de la suma de punto flotante se redujo de 3 a 2 ciclos . Esta FPU está diseñada para duplicar el rendimiento en IA y AVX-512 .
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El subsistema de memoria también ha mejorado su ancho de banda. La caché de datos L1 (D-Cache) es de 48 KB, asociativa de 12 vías, y puede realizar cuatro operaciones de memoria por ciclo . La caché L2 pasó de una asociatividad de 8 vías a una de 16 vías, lo que duplica efectivamente su ancho de banda . También se ha aumentado el ancho de banda de datos entre las cachés L1, L2 y L3 .
Nombres en clave de los productos
La microarquitectura Zen 5 abarca una amplia variedad de productos, desde servidores de gama alta hasta procesadores móviles de bajo consumo.
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Granite Ridge: Nombre en clave de los procesadores de escritorio Ryzen serie 9000. Utilizan el zócalo AM5 y son compatibles con las placas base AM5 actuales mediante una actualización de BIOS. Estos procesadores emplean un diseño de chiplets con CCD de 4 nm y un chiplet de entrada/salida de 6 nm .
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Strix Point: Nombre en clave de los procesadores móviles Ryzen AI serie 300. Son chips monolíticos fabricados con el proceso de 4 nm que combinan núcleos «Zen 5» y «Zen 5c», con un máximo de 12 núcleos y 24 hilos .
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Turin: Nombre en clave de los procesadores para servidores EPYC serie 9005. Estos procesadores de servidor de gama alta pueden escalar hasta 192 núcleos .
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Shimada Peak: Nombre en clave de los procesadores Ryzen Threadripper serie 9000 para estaciones de trabajo y entusiastas .
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Fire Range: Chip móvil de alto rendimiento para portátiles de gaming .
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Da Vinci: Nombre en clave de un núcleo para estaciones de trabajo Threadripper .
Pruebas de rendimiento y comparaciones
Las pruebas internas de AMD muestran las mejoras de rendimiento de la arquitectura Zen 5. En una comparación entre un Ryzen 9 9950X (Zen 5) y un Ryzen 7 7700X (Zen 4), el sistema Zen 5 mostró mejoras importantes en diversas aplicaciones, como HandBrake, League of Legends, Far Cry 6, Puget Adobe Premiere Pro, 3DMark Physics, Kraken, Blender, Cinebench, Geekbench, Octane, Speedometer y WebXPRT .
AMD afirmó que el núcleo Zen 5 ofrece un aumento generacional del 16 % en IPC en aplicaciones de PC de escritorio. Aunque es una mejora considerable, es menor que el salto del 19 % observado entre Zen 2 y Zen 3 . Sin embargo, supera el 14 % registrado entre Zen 3 y Zen 4 . La arquitectura admite frecuencias de hasta 5,7 GHz, igualando las velocidades máximas de la generación anterior . AMD también ha destacado que los chips Zen 5 pueden funcionar a menor temperatura y consumir menos energía que sus predecesores .
La variante Zen 5c: densidad y eficiencia
La familia Zen 5 incluye una variante «Zen 5c», diseñada para ofrecer una mayor densidad y eficiencia energética en mercados específicos . Este núcleo compacto se utiliza en los procesadores móviles «Strix Point» junto con los núcleos Zen 5 de tamaño completo, para equilibrar rendimiento y eficiencia . El diseño de Strix Point incluye cuatro núcleos «Zen 5», capaces de alcanzar las frecuencias turbo más altas, y ocho núcleos «Zen 5c», que ofrecen el mismo IPC y el conjunto completo de instrucciones (ISA), pero no alcanzan frecuencias tan elevadas .
Caché y ancho de banda
La arquitectura Zen 5 incorpora una estructura de caché rediseñada, centrada en mejorar la latencia y el ancho de banda. La caché L2 duplica su ancho de banda y utiliza una asociatividad de 16 vías . La caché de datos L1 ahora permite realizar cuatro operaciones de memoria por ciclo . El ancho de banda de datos entre la FPU y la L1, y entre la L1 y la L2, se ha duplicado . La caché L3 por CCD es de 32 MB, igual que en la generación anterior . Los tamaños de caché solo han recibido mejoras menores, pero el ancho de banda y la eficiencia han aumentado considerablemente .
Compatibilidad con AVX-512 y capacidades de IA
Una característica diferenciadora clave de Zen 5 es su sólida compatibilidad con las instrucciones AVX-512, gracias a una ruta de datos FPU completa de 512 bits . Esto la distingue de los procesadores Intel «Raptor Lake» y «Meteor Lake», que no admiten este conjunto de instrucciones, y de «Arrow Lake», cuya inclusión aún no está clara . La FPU está diseñada para duplicar el rendimiento en cargas de trabajo de IA y AVX-512, lo que posiciona a Zen 5 como una opción sólida para tareas emergentes de inteligencia artificial y aprendizaje automático . Los seis canales de la FPU pueden procesar una instrucción de suma de punto flotante (FADD) en solo dos ciclos de reloj, una mejora significativa .
Conclusión
La arquitectura AMD Zen 5 representa un avance importante en la evolución de los procesadores x86 de alto rendimiento. Combina un proceso de fabricación de 4 nm con importantes mejoras arquitectónicas para ofrecer un aumento del 16 % en IPC. Entre sus puntos fuertes se encuentran un front-end más amplio, dos canales de decodificación, un despacho de 8 vías y una potente FPU con compatibilidad completa con AVX-512. Su diseño de chiplets mantiene la compatibilidad con las placas base AM5 existentes y ofrece a los usuarios de escritorio una ruta de actualización sencilla. Aunque las mejoras son notables, Zen 5 no es una revolución, sino una evolución cuidadosamente diseñada que se apoya en los logros de sus predecesores y añade nuevas capacidades para la IA y la computación de alto rendimiento. La arquitectura ofrece un enfoque equilibrado, orientado tanto al rendimiento como a la eficiencia energética en una amplia gama de plataformas informáticas.
Claire Jones
Ingeniera de nube / redactora técnica
Plataforma tecnológica eBits @ ebits.icu
