AMD Ryzen: 严谨技术解析

相信文章会解答人们的很多问题：电压、体质、频率调整、超频及保护措施、Ryzen移动版、CCX互联缓存等。

名词

– CCX – Compute Complex，内含4个Zen核心，8MB L3。
– PState – Performance State. 不同状态下电压和频率不同。
– Zeppelin ? Summit Ridge (AM4), Snowy Owl (SP4) 和 Naples (SP3) 等Zen架构CPU中die设计的代号。

– dLDO ? Digital low-dropout voltage regulator, 数字低压差稳压器
– XFR ? Extended Frequency Range，拓展频率范围
– MACF – Maximum all core frequency，全核最大频率
– MSCF ? Maximum single core frequency，单核最大频率
– ACXFRC ? All core XFR ceiling，全核XFR上限
– SCXFRC ? Single core XFR ceiling，单核XFR上限
– SMU ? System management unit，系统管理单元

SMU ? 幕后的掌控者
由于集成了系统管理单元SMU，在超频时Ryzen和之前的架构都不一样。

在默频时，Ryzen的功耗全由SMU控制，SMU将发挥它的全部功能，掌管一切。SMU的管理功能包括功耗、电流、温度限制器，电压控制器以及功耗门限等。

如果你不超频，可以无视这些玩意。

为了超频，AMD的工程师还给出了一个特别的模式：“超频模式”，超频模式下会禁用所有的限制器，电压控制器以及保护措施（除了CPU温度保护）。

如果你在默认的P0状态基础上超频，“超频模式”就会自动启用。SMU是通过向主板的诊断显示（80）端口发送“0C”来判断超频模式的。

在Zeppelin上，想了解CPU的不同频率状态（PStates）、电压，特别是实际等效电压是非常困难的，远比之前的架构困难得多。与之前的推土机家族（Family 15h）不同，Zeppelin的加速PStates（Turbo&XFR）是完全不可见的，这也是他们为什么被称为“Shadow PStates”的原因吧。这意味着Zeppelin的PStates不再以标准MSR寄存器定义，也不能被用户修改甚至看到。用户能够确认Shadow PStates生效的唯一方法，就是看到即时频率/电压的上升。

在不超频的状态下，SMU会自动通过电压控制器控制电压。

比如P0状态下，可能会给1.37500V电压，实际等效电压大概在1.26250V，或者稍高。这不是个bug，而是CPU的正常工作状态。基本上来说，MSR中定义的电压只是上限而已，而SMU会在这个值的基础上自动降压。我们测试的样品上，P0（3.6GHz）的调整值为-120mV，P1（3.2GHz）为-144mV。

当“超频模式”激活时，SMU会禁用电压控制器，其他的很多功能也会被禁用。这会造成一个假象：超频后功耗猛增。在技术上来说这是正确的，主要原因是关闭了SMU提供的自动降压预设，导致CPU电压上升50-150mV。也就是说，开始超频的时候电压已经偏高。在这时候不要立马加压，而是先尝试提升频率，在不稳定需要加压的时候再加压。

同频3.6GHz功耗比较，超频模式下比默认自动电压下功耗高了18.74%

关闭自动电压，设置同样的电压，功耗相同

“超频模式”的另一个缺点就是会关闭加速和XFR。也就是说如果你全核超不到默认的单核XFR频率，单线程性能会下降。

XFR

XFR实际上是对标准CPB加速算法的拓展或加强。在理想状态下，CPU能够提频到原有的加速频率之上。XFR也有单核和多核的频率上限。

比如1800X，全核频率3.6GHz，单核频率4.0GHz，在全核+XFR下能达到3.7GHz，单核+XFR则是4.1GHz。

XFR的提升频率在不同产品上可能不同。但在1800X上只有100MHz。理论上任何时候都能启用XFR，但在部分情况下（Linpack/P95）下频率通常会降到3.6/4.0GHz。

外频

Ryzen默认并不支持超外频（BLCK）。AM4上超外频是可能的，但并不推荐。因为外频和其他接口挂钩，比如PCIe。而且不像Intel，AM4没有异步模式，不能在调外频的同时保持PCIe频率不变。PCIE3.0通常能到107MHz，再往上需要调到PCIE2.0或1.0。

超外频会带来很多稳定性问题。

部分主板上有额外的第三方时钟生成器，可以超到106MHz左右。

内部电压调整（dLDO）

Zeppelin是AMD首次集成电压调节模块。与Haswell/Broadwell上完全集成的电压调节模块（FIVR）不同，AMD的调节器并非基于超高频开关电路，而是超高效数字低压差稳压器(dLDO)。大部分区块（核心/缓存/Data Fabric）都有自己的dLDO，能够分别调整。

当然普通用户可以完全无视。因为零售版Ryzen上大部分的dLDO都是永远处于by-pass模式，实际的调节器处于关闭状态，电压调节全部放在主板上。

CCX之间的频率关系

在内部频率关系上，Zeppelin与之前的架构也很不同。核心、L1、L2的速度永远都是绑定，这和以前一样。但这次的L3也和核心运行在同样频率（全速）。由于L3被整个CCX内的核心所共享，因此L3的频率和该CCX内最高的核心频率一致。正常情况下，同一个CCX内的所有核心都运行在同样频率。

所以CCX的结构给了超频者一些限制。CCX内的4个核心必须运行在同频（处于同样的PState），当然也可以改变每个核心的频率，让他们处于不同的PState之下，但很多情况下结果会和预想的不同。由于L3的频率和该CCX内最高的核心频率相同，如果同一CCX内的核心不是同频，那么请求和实际运行频率就会有差距。

等效CPU倍频与CPUFID 和 CPUDFSId有关。CPUFID是一个范围在16-255的整数值，而CPUDFSId是1-6之间的浮点值。等效倍频=((CPUFID / (CPUDFSId / 8)) / 4)

如果同一CCX内的核心不是同频，等效倍频的计算就更加困难。如果所有核心的PStates都有同样的CPUDFSId值，等效倍频=目标核心CPUFID / (1 + ((最高频率核心CPUFID – 目标核心CPUFID) / 最高频率核心CPUFID))，比如最高频率核心的倍频是36.0x(CPUFID = 144 ， CPUDFSId = 1)，其他目标核心的倍频为32.0x（CPUFID = 128 ， CPUDFSId = 1），等效倍频=128 / (1 + ((144 – 128) / 144)) = 115.2 (28.8x)。

启用了CCX中，开启的核心数必须相同，可能的配置为： 1 (1:0), 2 (2:0 or 1:1), 3 (3:0), 4 (4:0或2:2), 6 (3:3), 8 (4:4)。

Data Fabric

Zeppelin的北桥，官方称为Data Fabric（DF），双向256bit crossbar。DF频率和内存控制器挂钩，比例为1:2【比如DDR4-2667 MEMCLK（内存频率） = 1333MHz DFICLK（DF频率）】。这意味着内存频率直接会影响DF的性能。

在某些情况下，Zeppelin的性能可能会随内存频率提升而大幅提升。

但实际上这不是通过提升内存频率带来的，而是同时提高的DF频率带来了性能提升。

零售版Zeppelin官方支持的最高内存频率为DDR4 2667（2x 1R内存模组）或2400MHz（2x 2R内存模组），但2933、3200MHz的频率也可以在部分主板上达成。

超频性能

高端Ryzen的超频空间非常小。因为默频就已经很高，同时本来就是高密度的设计，Zeppelin用的还是低功耗制程（三星 14nm LPP）。

可以从曲线中看到，Zeppelin的频率在3.3GHz之前是完美的线性增长(每100MHz需要25mV)。首次偏差出现在3.3GHz，第二个也是最后一次偏差出现在3.5GHz。在这之后电压已经不是线性，需要的电压大幅上升。

所以最理想的频率范围在2.1-3.3GHz，再往上每100MHz需要的电压会明显增加。

这意味着3.8GHz+的频率会带来功耗和温度的大幅上升。

OCRU做的表格，完全符合上面的结论，3.8GHz之后每100MHz都需要加0.1V电压。

作为对比，之前AMD两代桌面版的设计：

– Orochi Rev. C，也就是Vishera打桩机，32nm SHP SOI – (第一个关键点出现在4.4GHz，第二个在4.7GHz）

– Kaveri / Godavari，28nm “SHP” HPP Planar – （第一个关键点出现在4.3GHz，第二个在4.5GHz）

这个曲线和Ryzen预设的PState电压/频率基本吻合。

在高端型号上，比如1800X，3.6GHz默频实际（等效）电压范围在1.200-1.300V，而加速PState下（XFR，4.1GHz）下频率可以高至1.475V。

测试样品上P0 3.6GHz实际电压为~1.25000V，而单核XFR 4.1GHz实际电压达到了1.47500V。

AMD还没给出最高的安全电压【VDDCR_CPU – CCX电压和VDDCR_SOC – 北桥/SoC电压】，但估计高于1.47500V的电压不会适合超频和长期使用。

高端型号Ryzen的超频是把双刃剑。因为根据加速和XFR的工作原理，可能会降低单线程性能。而且超频空间已经很小。

功耗

功耗包括CPU核心+北桥/SoC，不包括开关和传导损失。

峰值功耗使用Firestarter FMA/AVX，功耗比日常的多核满载使用要高30%左右。

Note：当前的Prime95（28.10）并不能很好地对Ryzen进行压力测试，测得的功耗会更低。使用Firestarter和Linpack的功耗会显著增加。

下面使用的是MCRT，Monte Carlo raytracer，来模拟真实应用。

彩蛋

Zeppelin上采用了非常高级的功耗管理。和Carrizo/BristolRidge相同，Zeppelin也能够支持cTDP。虽然零售版的Ryzen官方不支持cTDP，实际上只是在迷惑人们。

在30W TDP下，CinebenchR15能够达到850cb。这个分数意味着什么，可想而知。

只要在理想频率范围内，Zeppelin可以达到闻所未闻、怪物级别的效率。

【可以期待一下Q2的Naples 32C，以及H2到来的RavenRidge 4C。】

CCX互连

如果你读过Ryzen的架构解析，你就知道：Ryzen的L3不是真正的general-purpose cache通用缓存，而是victim cache。

Victim Cache是特殊的一类缓存。如果从更低一级缓存上有被驱逐的数据，它将被放进victim cache。然后和通常缓存一样工作，直到有数据需要从中提取，此时victim cache中的数据将与更低一级缓存中的数据进行交换。

Haswell的变种Crystal Well/Broadwell上搭载的L4就是victim cache，被CPU和iGPU共享。

Crystal Well的L4结构过为复杂，因此后来Skylake上换回了普通的缓存。

CClk（Core Clock）：核心频率

MemClk（Memory Clock）：内存实际运行频率，DDR4 2667运行在1.3GHz，DF与MemClk同频

LClk（Data Launch Clock）：IO 集线器 控制器（PCIe等）运行的固定频率

法国媒体的测试结果CCX互联带宽22GB/s并不是AMD给出的官方数字，只是单方面的猜测。

大多数媒体只看到了22GB/s，而并没有看到这是个假设，更没有看到假设前提：采用的是DDR4 2400，而且尚不确定Data Fabric提供的带宽是怎样分配，L3和内存的优先级如何

比如在搭配DDR4 2666时，DF会跑在1333，双向总带宽实际上是有41.6GB/s，内存和CCX共享

使用DDR4 3600时，DF频率1800，双向带宽就有56.25GB/s，提升明显。

所以高频内存对于Ryzen的性能发挥很有必要，因为DF频率也会提升。

而且法国媒体更不清楚的是，除了Data Fabric，Zeppelin内部还有很多其他的Fabric。

一切都不清楚，没有官方解释的情况下就妄加猜测或者说肯定绝对是不对的。

当前版本AIDA64测得的数据有问题，AIDA64表示将在后来的版本中进行修复（刚更新的版本也没有修复）。

其实Ryzen类似于NUMA，问题主要会出现在：

1.某个线程需要8MB以上的L3时。比如如果CCX0中某个线程需要12MB的L3，但另一半4MB L3位于CCX1中。同时发送请求，但需要等待CCX1中的数据。

2.Windows经常切换线程负载，不管数据在缓存的哪个位置。对于Intel和AMD的老产品没问题，因为都是共享L3。

PCPER的延迟图：同CCX内的访问速度AMD比Intel要快，但CCX之间访问较慢

这些问题，虽然有架构本身的限制，但可以通过软件优化在很大程度上解决。比如AMD和微软正在开发补丁解决线程调度问题。这能够给游戏带来很大提升。

在Crystal Well上的L4，Linux的内核+驱动更新后，也提升了一倍性能。软件和系统等优化占有很大地位。

另外，说胶水八核的可以歇歇了。不带这无脑黑的。

来源：Ananctech论坛/Reddit，本站整理、原创翻译，转载务必注明出处。