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Zen ist AMDs neueste Prozessor-Architektur, oder besser gesagt Mikroarchitektur, mit der sich der Hersteller von den Ansätzen der Bulldozer-Architektur abwendet und eher einen Intel-ähnlichen Ansatz verfolgt. Damit, so wirbt AMD, gibt es eine um 40 Prozent bessere Leistung pro Taktzyklus bei ähnlicher Leistungsaufnahme im Vergleich zum direkten Vorgänger, der letzten Bulldozer-Version namens Excavator. Ermöglichen sollen dies zahlreiche tiefgreifenden Architekturänderungen sowie Globalfoundries' neuer 14-nm-FinFET-Fertigungsprozess.
Die neue Mikroarchitektur
Doch der Reihe nach. Mit Zen beerdigt AMD den mit Bulldozer eingeführten Ansatz des Core-Multithreadings (CMT), der weit weniger gebracht hat, als erhofft. Stattdessen nutzt AMD bei Zen zweifaches Simultaneous Multithreading (SMT), was bei Intel als HyperThreading bekannt ist. Die Idee dahinter ist, zwei Threads auf einem einzigen Kern auszuführen und dabei so wenig Hardware wie möglich zu duplizieren. Damit erhofft sich AMD eine bessere Auslastung der Ausführungseinheiten und damit einhergehend eine bessere Leistung und Energieeffizienz.Ebenfalls ähnlich zu Intel gibt es bei Zen einen speziellen Cache für dekodierte Instruktionen, einen sogenannten Microop-Cache. Dies erlaubt bei bereits dekodierten Instruktionen, Teile des Pipeline-Frontends abzuschalten und damit Energie zu sparen. Gleichzeitig kann bei hoher Trefferquote die Leistung steigen. Wie bei den alten AMD-Architekturen K8/K10 nehmen anschließend Integer- und Gleitkommabefehle unterschiedliche Wege, was eine gesonderte Optimierung erlaubt. Dabei kann der Dispatcher sechs Integer- und vier Gleitkomma-Befehle pro Takt verteilen, die auf 168 physische Integer- bzw. 160 Gleitkommaregister zurückgreifen können. Um die Effizienz weiter zu steigern, kann Zen ähnlich wie die neuen Skylake-Prozessoren von Intel Verschiebebefehle (MOV) direkt durch einfache Registerumbenennung abarbeiten. Clever. Insgesamt können sich bei einem Zen-Kern 192 Befehle in der Out-of-Order-Ausführungsphase befinden. Bei Skylake sind es 224.
Auch bei den Ausführungseinheiten hat AMD Hand angelegt, wenn auch etwas weniger, als manch einer vielleicht erwartet hat. So gibt es vier parallele Integer-ALUs sowie zwei Addressberechnungseinheiten (AGUs). Für Gleitkommabefehle gibt es jedoch nur zwei 128-Bit-Addierer bzw. -Multiplizierer. Kommt also 256-Bit-AVX2-Code zum Einsatz, müssen diese Einheiten zusammengeschaltet werden. Im Gegensatz dazu kommen seit der Haswell-Architektur bei Intel zwei vollwertige 256-Bit-Einheiten zum Einsatz. Bei starker Nutzung von 256-Bit-AVX2-Operationen dürfte Zen also eher nur das Niveau von "Sandy Bridge" (2. Core-Generation) bzw. "Ivy Bridge" (3. Core-Generation) erreichen.
Weiterhin hat AMD noch an zahlreichen weiteren Detailschrauben gedreht, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. So gibt es eine verbesserte Sprungvorhersage oder größere Puffer für Lade- und Speicherbefehle (72 für Ladebefehle, 44 für Speicheroperationen), und einige neue Befehle werden ebenfalls unterstützt. Details können dabei der eingebetten Bilderreihe entnommen werden.
Die neue Fertigung
Darüber hinaus kommt mit Zen auch eine neue Fertigungstechnologie zum Einsatz. AMD wird dabei auf Globalfoundries als Fertiger zurückgreifen und dessen 14-nm-FinFET-Technologie verwenden. Gegenüber der aktuell eingesetzten 28-nm-Fertigung ist dies natürlich eine gewaltige Verbesserung, die deutliche Spielräume bei Taktfrequenz, Zahl der Kerne oder Leistungsaufnahme eröffnet. Gleichzeitig zeigen AMDs neue Grafikkarten jedoch auch, dass das 14-nm-Verfahren von Globalfoundries noch einiges an Verbesserungspotenzial besitzt, insbesondere fallen die hohen Leckströme negativ auf. Hier muss sich also erst noch zeigen, ob die neue Fertigungstechnologie wirklich das halten kann, was man sich verspricht und sich AMD erhofft.
Erste Tests
Erste von AMD gezeigte Benchmark-Ergebnisse zeigen jedoch vielversprechende Resultate und machen Hoffnung auf mehr. AMD hat dabei einen Zen-Prozessor mit acht Kernen und SMT (also 16 Threads) alias "Summit Ridge" sowie DDR4-Speicher gegen einen vergleichbaren Intel Core i7-6900K (Broadwell-E) gestellt. Beide Prozessoren liefen dabei mit dem gleichen Basistakt von 3 GHz und unbekannten Turbo-Taktfrequenzen. Ebenfalls unbekannt ist, ob 256-Bit-AVX2-Instruktionen zum Einsatz kamen. Als Ergebnis lagen damit beide Prozessoren im Gleitkomma-lastigen Blender-Benchmark gleichauf, während Bulldozer-basierte Prozessoren hier üblicherweise große Probleme haben. Wenn AMD diese Prozessoren also mit deutlich über 3 GHz bereits nächstes Jahr ausliefern kann, könnte es einen spannenden Kampf um die absolute Leistungskrone geben.[fo]