效能調校的完善版，AMD Zen 3 一點都不簡單

雖然 2020 年遭武漢肺炎肆虐，但卻絲毫不影響「雙 A」（蘋果 Apple 和 AMD）下半年發表新品的討論熱度，從 iPhone 12 到 M1 的 Mac、從 Zen 3 到 Big Navi，也引發一連串全球科技媒體瘋狂作文比賽。

2020 年的遺珠之憾，只剩下 AMD Zen 3 微架構的 EPYC 處理器（代號 Milan）遲遲尚未現身。因英特爾新一代 Xeon 處理器 Ice Lake-SP（第三代 Xeon SP 平台 Whitney），也將延期到明年第一季，x86 雙雄新一波「伺服器市場頂上決戰」就只能再等等了。唯一可以肯定的是，依據目前所知的情報，純論價格與效能競爭力，這回英特爾恐怕還是凶多吉少，畢竟核心數量還是差了一大截，偏偏又不是天底下的應用程式都會用到 AVX-512。

Zen 3 依舊讓人值得期待

在這之前，各位可先回顧一下自從英特爾「最終極 x86 處理器微架構」Skylake 之後，x86 雙雄的主力核心演進簡史。論帳面規格，特別是非循序指令執行核心和記憶體子系統，AMD 看似都占不到便宜，AMD 可在 Zen 2 一舉超車英特爾，和蘋果 A14 / M1 的嚇人跑分數據一樣，都是仰仗台積電的製程優勢，至於為何他們（尤其蘋果）有本錢搶先採用台積電的最新製程，支配性的商業因素皆其理甚明，也不在本文討論範圍。

但這不意味著 Zen 3 就毫無看頭。事實上，即使 Zen 3 製程仍停留在台積電 7 奈米（N7），而非先前產品時程表公佈的極紫外光微影 7 奈米（N7+），但微架構層面的改進幅度，卻不遜於 AMD 歷代 x86 處理器的重大更新，這光從 AMD 特別替 Zen 3 成立全新處理器家族編號 Family 19h，並重新發布軟體最佳化手冊，即可略見一斑，排除「被英特爾鐘擺逼到小步快跑的 K10」，連「走音工地秀」的四個世代（15h）和 Zen / Zen+ / Zen 2（17h），都得不到這樣的「禮遇」。

講更直接一點：如同英特爾實質末代 Itanium 微架構「Poulson」奠基於「英特爾花了這麼多年，總算搞清楚 Itanium 的應用程式，最需要怎樣的處理器」，Zen 3 象徵的是「AMD 對 Zen 微架構經過三年市場考驗後的期末報告」，大規模重新調整指令執行效能，將資源集中在目標市場最需要的刀口，隱藏在洋洋灑灑指令效能表背後的行銷意含，重要性不言可喻。

不過，相同的台積電 7 奈米製程，相較 Zen 2，Zen 3 僅增加 6.4% 電晶體數和 10% 晶粒面積，卻一舉提升平均 19% 的 IPC（Instruction Per Cycle），套句 AMD 的說法是「從每 MHz 頻率平均提取出 19% 額外效能」，象徵兩件事：

Zen 3 解除了 Zen 2 的「明顯效能瓶頸」，特別是決定指令平行化程度的管線前端。
馬路要寬，車子也要跑得快，既然可以「餵食」更多微指令（uOp），那後面的執行單元群也要吃得下。或更精確一點：吞得下 AMD「認定為客戶最經常使用的指令」。

對長期關心處理器技術發展的讀者，想必早「品嚐」過無數科技媒體報導 Zen 3 時「看簡報說故事」深度架構分析，並很可能臉上掛著跳動的眼皮、顫抖的嘴角、劫後餘生倖存者的表情，默默爬完這些有字天書。筆者體恤各位的求知慾，直接將 Zen 3 最關鍵性的改善項目與理由，由外到內，列表整理如下，方便迅速掌握重點。

上面這幾項，大概第二項「微指令緊縮」會讓人摸不著頭緒，但技術原理可從 AMD 在 10 月 IEEE Micro 發表的某篇論文《Improving the Utilization of Micro-operation Caches in x86 Processors》發掘全貌，只要一張圖就可理解目的：減少微指令快取的浪費容量。

L3 快取記憶體從兩塊變成一塊，也是對改進效能頗具立竿見影之處，當考量到 AMD 的 Chiplet 路線會帶來更複雜性能調校議題時，就不難理解減少快取數量的必要性。

說到底，再多琳瑯滿目的先進技術與「技術行銷專有名詞」，最終仍須反應在處理器執行指令的效率，否則毫無意義，所以我們就以「成敗論英雄」，透過 AMD 於 11 月 6 日官網發表的軟體最佳化手冊（Software Optimization Guide for AMD Family 19h Processors）附的指令效能表（Family 19h Instruction Latencies），瞧瞧 AMD 究竟幹了哪些好事，如何貫徹「Make The Common Case Fast」大原則。

Zen 3 的全貌仍有不明之處

可能基於商業機密或某些「不可抗力」，AMD 並未「補完」所有指令的資料，更不乏直接標上「微碼」（uCode）暗示這指令的效能將慢到無法保證者，但光從常見的運算指令，即可一窺其全貌。

按照總數來推算，Zen 3 強化了多達「五分之二」指令的執行效能。那麼問題來了，犧牲掉的指令，主要屬於那些範疇？簡而言之：

x87 浮點運算指令：以浮點乘法（FMUL）最具代表性，充分反應 SSE2 與後代取代「愚蠢堆疊架構」80×87 的大勢。
引述執行指令：從 Pentium Pro 問世的 CMOV 等所謂引述執行（Predicated Execution）指令，固然有減少分支指令的優點，但卻也是打造高效能非循序指令核心的緊箍咒（當指令還在管線前端時，就需事先安排保留執行單元的資源），也因此，連創造 CMOV 的英特爾也從 Pentium 4 開始「放生」。ARM 指令集邁向 64 位元 v8 時，最關鍵也最偉大的一步，就是徹底揚棄引述執行，然後就爽到生態系統「純 64 位元化」的蘋果了。
部分 MMX 和 SSE 指令，不意外。
這就很刺激了：AVX 和 AVX2 可謂 Zen 3 的「重災區」，AMD 到現在打死不支援 AVX-512 也就算了，竟然「膽敢」傷害「象徵光明未來的 AVX」，這真的是打在英特爾臉上好大的一巴掌，Linus Torvalds 看到應該會很興奮。

這才是 Zen 3 最值得重視的地方：維繫伺服器應用競爭力的同時，也設法盡量兼顧個人電腦的需求。Zen 3 微架構的 Ryzen 5000 已全面性壓倒英特爾的 14 奈米牙膏產品，接著就靜候新型 APU 和 EPYC 帶來多讓人驚豔的優異表現。