Tecnologias AMD Ryzen 7000: artigo aprofundado na nova microarquitetura Zen4

O lançamento dos processadores AMD Ryzen 7000 marcam a introdução de uma nova geração de tecnologias da AMD em seus processadores. Não estamos falando apenas de incrementos, e sim de transformações em praticamente todas as frentes, com incrementos e renovações na maioria dos aspectos dos produtos da empresa, o que inclui até mesmo mudanças de tecnologias em uso desde muito antes dos Ryzen, como os pinos do processador que migraram para a placa-mãe. 

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AMD Zen4: ANÁLISE COMPLETA dos novos processadores e placas-mãe Ryzen!
Tecnologias AMD Ryzen 7000: artigo aprofundado na nova microarquitetura Zen4

Nesse artigo vamos nos aprofundar em muitos desses aspectos, mostrando o que muda com a nova geração de processadores AMD Ryzen.

O AMD Zen4

Os processadores AMD Ryzen série 7000 introduzem uma nova microarquitetura, a Zen4. Ela chega usando um novo processo de fabricação da TSMC, o 5nm FinFET, tornado esse lançamento o primeiro produto x86 nessa litografia. A redução no tamanho dos transistores sempre criam oportunidades, já que liberam mais espaço para mais estruturas como mais memória cache, por exemplo, além de melhorias em aquecimento e eficiência energética.

O incremento de performance da geração Zen4 é de 13%, comparado ao que um processador Zen3, arquitetura dos modelos Ryzen 5000, tem para oferecer. Uma parte respeitável dessa evolução é o front end, a porção do processador que é responsável por receber as instruções e de forma mais eficiente possível distribuir pelas estruturas do microchip, com outros incrementos vindo de melhor predição, carregamento e armazenamento de dados, melhorias no motor de execução e por fim, mais cache de nível 2 (L2 cache).

Com a nova litografia, o die do processador foi reduzido dos 80.7mm² dos Ryzen 5000 para os 70mm² do Ryzen 7000, e mesmo nessa área menor houve o aumento do número de transistores de 4,15 bilhões de transistores para 6,5 bilhões.

Outra evolução cria uma situação bem curiosa: na contramão da Intel, que tirou esse recurso de seus processadores da 12ª geração Intel Core, codinome Alder Lake, os Ryzen 7000 trazem em produtos para usuários domésticos o suporte as instruções AVX-512. Essas instruções são usadas em aplicações mais específicas, como machine learning mas, mesmo se tratando em uma instrução de nicho, é sempre melhor ter o suporte do que não o ter.

Adeus PGA, olá LGA

Fisicamente falando, a grande mudança da série 7000 é a mudança na conexão do processador e da placa-mãe. Praticamente desde sempre a AMD usa os pinos no processador, o PGA (Pin Grid Array, arranjo de pinos em tradução livre), sendo essa a forma de conexão em todos os Ryzen anteriores, em modelos FX e até mesmo linhas como a Phenom e K6-2! A “exceção que confirma a regra” é a linha Threadripper, a única que usava o LGA (Land Grid Array, arranjo de aterrisagem em uma tradução livre) até o momento.

Agora a linha mainstream também vai deixar de usar o PGA e partir para o LGA, uma abordagem que a rival Intel usa desde o Pentium 4 (anos 2000). Essa modificação traz uma vantagem extremamente relevante: aumento da contagem de pinos. Enquanto o AM4 das gerações anteriores traziam um total de 1331 pinos, o AM5 sobe a contagem para 1718 pinos.

Mais pinos trazem uma vantagem importante: tornam possível o aumento da corrente elétrica. Como potência (P) é intensidade de corrente elétrica (A) vezes tensão (V) (P = A x V), quando aumentamos a intensidade da corrente temos o efeito positivo de poder reduzir a tensão elétrica (medida em volts) para obter uma mesma potência (medido em watts). E todo mundo que brincou com undervolt sabe o quanto isso é benéfico para o aquecimento do processador.

Assim os Ryzen 7000 e o soquete AM5 introduz novos patamares de alimentação, superando os 142W que eram referência no AM4 e agora entregando 230W com um pico de corrente em 225 amperes e sustentada de 160A. 

Frequências mais altas e sustentadas

Com as melhorias na alimentação de energia do novo soquete combinados com a nova litografia de 6 nanômetros trazem uma nova oportunidade de aumento nas frequências de operação dos Ryzen 7000. Enquanto os Zen3 tinham boosts a no máximo 4.9GHz e não ultrapassavam muito a barreira dos 5GHz, os Zen4 já chegam de fábrica com boost de até 5.7GHz e frequências base na casa dos 4.7GHz.

Mas além da mudança de frequências para valores mais altos, há também um incremento das frequências sustentadas, aquelas que estarão presentes em ciclos de trabalhos longos e que envolvem alta carga em vários núcleos. Estimativas da AMD mostram o 7950X operando em 5.7GHz em apenas um núcleo, mantendo 5.4GHz quando tem 12 threads em alta carga e ainda ficando nos 5.2GHz mesmo com todos os 16 núcleos e 32 threads em uso.

Como o Ryzen 7000 tem um aumento de IPC de 14% comparado a um Ryzen 5000, mas também opera em mais ciclos de processamento por segundo, o resultado é um incremento de performance de 39% consumindo a mesma quantidade de energia que seu antecessor, e um ganho de 20% em games, segundo estimativas da AMD.

Gráficos para todos e I/O de 6nm

Não foi apenas os núcleos de processamento que foram atualizados em sua litografia. As estruturas de Input/Output (I/O) também foram atualizadas, agora usando a fabricação em 6 nanômetros. Com isso sobrou espaço para um incremento muito bem-vindo: gráficos integrados no processador. Todo Ryzen 7000 terá gráficos RDNA 2, mas eles não substituem as APUs, os processadores Ryzen com final G, que possuem um gráfico integrado mais potente e com capacidade de rodar games, como mostramos na série do PC da Crise.

O que estará disponível em todo processador da linha “não G”, os codinome Raphael, são duas unidades computacionais RDNA 2 de 6nm, algo que será insuficiente para rodar games de acordo com a AMD. Mas já são suficientes para trazer uma grande quantidade de recursos indisponíveis em CPUs Ryzen anteriores, como gráficos com saída HDMI 2.1, saída DisplayPort via USB Tipo-C, suporte a resolução 4K@60fps, codificação e decodificação de H264 e HEVC e até a decodificação de AV1.

Mas não foi apenas em gráficos que mudaram as entradas e saídas dos Ryzen 7000. A troca do soquete também foi um momento de atualização de toda a plataforma e sua conectividade. Com isso é introduzido 28 linhas na tecnologia PCI Express 5.0 disponíveis no processador, com mais 16 para gráficos e 8x para NVMe, mais quatro portas USB 10Gbpps. Com o chipset temos a adição de até 2 USB 20Gbps, ou até 8 USB 10Gbps e até 8 linhas PCIe 3.0 ou até 8 SATA 6GB/s. A linha Extreme de chipsets também vai trazer o incremento de mais 12 linhas PCIe 4.0 para a plataforma.

Troca para o DDR5 e AMD EXPO

Com a grande mudança da plataforma Ryzen do AM4 para o AM5 também foi o momento de migrar a tecnologia das memórias, saindo do DDR4 para o DDR5. Diferente da Intel, a AMD não terá uma geração de transição, então quem quiser migrar para os novos processadores Ryzen também terá que adquirir memórias da nova geração.

O suporte oficial é de 5200MT/s, com o “sweet spot” de performance e estabilidade sendo alcançado na casa dos 6000MT/s. Os Ryzen 7000 também introduzem um recurso equivalente ao Intel XMP, o AMD EXPO.

Apesar de várias gerações Ryzen os perfis XMP das memórias, essa implementação era feita pelas fabricantes das mainboards, sem um suporte oficial da AMD ao recurso que era desenvolvido e controlado pela Intel. O AMD Extended Profiles for Overclocking (Tecnologia AMD EXPO) é um protocolo aberto onde as fabricantes de memória podem validar os perfis de operação de seus produtos, com diferentes valores para frequências e timmings, e os consumidores podem aplicar de forma rápida e prática. Nesse padrão está disponível a criação de perfis diferentes, inclusive com focos distintos, como por exemplo aumento de largura de banda ou redução de latências, dependendo da prioridade do usuário.

Nos novos Ryzen também foi alterada a forma como é feito a proporção entre a frequência de operação do Infinity Fabric, da controladora da memória e das memórias. Agora é possível deixar o Infinity Fabric no modo automático e a controladora da memória e as memórias irão trabalhar na proporção 1:1 nas frequências. A estimativa da AMD é que será possível latências na casa dos 63ns para as memórias, e ganhos de desempenho em games de até 11% com a aplicação dos perfis AMD EXPO versus a configuração DDR5-5200. 

Ganhos de eficiência herdados dos notebooks

Um dos focos no desenvolvimento dos Ryzen 7000 foi a eficiência energética. E uma das formas de atingir isso foi trazer vários recursos de gerenciamento de energia que foram implementados no Ryzen 6000 – usados em notebooks – para os desktops.

Parte dessa evolução é um conjunto maior de sensores e mais largura de comunicação entre eles e os reguladores de energia, com maior frequência e mais dados de telemetria de consumo e temperatura ao longo da mainboard. Outra alteração na série 7000 e que esses produtos tem muito mais estados de energia buscando otimizar a operação dos novos processadores.

Como resultado a AMD espera entregar mais performance em diferentes segmentos de consumo e aquecimento. Usando de referência o Ryzen 9 7950X versus o Ryzen 9 5950X, o Zen4 apresenta ganhos de performance de 35% e 37% quando ambos os CPUs estão operando no TDP de 170W e 105W respectivamente, mas o mais impressionante é a mudança em 65W, onde o 7950X abre 75% de ganho de performance sobre o 5950X.

Outra novidade para quem tem foco em eficiência é o modo AMD ECO. Ele reduz o TPD de um processador de 170W para 105W, um CPU de 105W vai para 65W, por exemplo. Devido ao ganho de eficiência do Zen4, um Ryzen 9 7950X operando no modo ECO deve ainda entregar mais performance que um 5950X com sua operação sem limitações. O AMD ECO vai trazer perfis pré-definidos de corrente e energia no soquete compatíveis com cada processador para uma operação mais eficiente.