Процессоры AMD Epyc ᐉ Обзор 4 поколений и поддержка AVX2

В июне 2017 году на смену серверным процессоров Opteron, выпускавшихся с 2003 года, AMD представила новое семейство EPYC.

Основными принципами, которыми руководствовались создатели Epyc, являются высокая производительность, максимально возможное количество ядер, правильный баланс вычислительных ресурсов под самые распространенные задачи, а также повышенная безопасность решения в виде аппаратных технологий по защите данных.

Они сделали не единый монолитный процессор, огромный по размеру и очень сложный в производстве, а разделили ядра на четыре части, соединив их между собой скоростными линиями передачи данных. Использование нескольких кристаллов в одном чипе позволяет избавиться от ограничений закона Мура (удвоение количества транзисторов на интегральной микросхеме каждые два года), снизить себестоимость продукции и увеличить количество ядер. Для передачи данных между блоками процессора или между различными кристаллами используется масштабируемая и эффективная шина с низкими задержками Infinity Fabric. Главным преимуществом этой шины является универсальность, так как она объединяет не только блоки внутри ядра, но и между ними, а также между сокетами.

В отличие от Opteron и аналогов от Intel, процессоры Epyc не требуют наличия чипсета (система на кристалле). Это означает, что большинство функций, необходимых для полноценной работы серверов (таких как память, PCI Express, контроллеры SATA, порты USB, SMBus, генератор частот, таймер, прерывания и т. д.), полностью интегрированы в процессор, что устраняет необходимость в размещении чипсета на материнской плате. Это даёт возможность уплотнить дизайн CPU и удешевить конечные решения.

Чтобы улучшить эффективность и снизить энергопотребление, AMD внедрила в Epyc ряд технологий, включая динамическое изменение частоты и напряжения, основанные на температуре и загрузке процессорных ядер. Умные алгоритмы энергоэффективности стараются распознать, чувствительна ли к задержкам текущая нагрузка, и снижают частоту ядра по возможности для оптимизации производительность в расчете на ватт потребления энергии. Процессоры Epyc также имеют линейное регулирование питания отдельно по ядрам. Каждое из ядер, размещенных в четырех кристаллах на чипе, может работать при собственном напряжении и частоте, если это необходимо, исходя из нагрузки и других условий.

Базовую тактовую частоту можно «разогнать» до All-core Boost – частоты, которая может применяться ко всем ядрам, когда они все активны. Однако при активации менее 12 ядер для ещё более высокой производительности может быть применена частота Max Boost — при условии достаточного теплового и электрического запаса прочности.

Процессоры не несут в себе графическое ядро и работают с GPU расположенным на материнской плате сервера или дискретной видеокартой.

Обозначение процессоров EPYC

Первая цифра в названии модели указывает на класс производительности:

• 3xxx Встраиваемые процессоры Epyc Embedded
• 4xxx Серверный процессор начального уровня (Zen 4)
• 7xxx Высокопроизводительный процессор (от Zen 1 до Zen 3)
• 8xxx Высокопроизводительный процессор (Zen 4с)
• 9xxx Высокопроизводительный процессор (Zen 4)

Последняя цифра – это номер поколения. Кодовые названия соответствуют названиям итальянских городов:

• Первое поколение, серия 7001 «Неаполь» (Zen 1)
• Второе поколение, серия 7002 «Рим» (Zen 2)
• Третье поколение, серия 7003 «Милан» (Zen 3)
• Четвёртое поколение, серия 9004 «Генуя» и «Бергамо» (Zen 4) и серия 8004 «Сиена» (Zen 4c)

Буквенные обозначения в середине названия:

• H - процессор имеет максимальное число ядер, а также обладает максимальной тактовой частой
• F - акцент сделан на повышение тактовых частот и на увеличение объема кэша (относительно числа ядер)

Буквенные обозначения в конце названия:

• P - невозможность масштабирования, допускается только один процессор на платформе
• X - поддержка технологии 3D V-Cache для увеличения производительности
• S - отсутствует поддержка многопоточности SMT (Simultaneous Multithreading)
  

Первое поколение «Неаполь» (Naples)

Процессоры EPYC первого поколения серии 7001 под кодовым названием «Неаполь» были выпущены в июне 2017 года. Основаны на архитектуре Zen и имеют разъём под сокет SP3.

Процессоры состоят из четырёх вычислительных кристаллов (чиплетов) 14-нм техпроцесса, каждый из которых содержит до 8 ядер. Ядра симметрично отключаются на кристаллах для создания продуктов с меньшим количеством ядер, но с тем же количеством портов ввода-вывода и объёмом памяти.

В двухпроцессорной системе связь между двумя чипами осуществляется по протоколу Infinity Fabric через 64 зарезервированные линии.

Процессоры поддерживают:

• восьмиканальную память DDR4 ECC со скоростью до 2666 МГц и объёмом до 2 ТБ на сокет (до 4 ТБ при двухканальной многопроцессорной обработке);
• 128 линий PCIe 3.0 на сокет, 64 из которых используются для Infinity Fabric на 2P-платформах;
• все инструкции вплоть до AVX2 (то есть SMM, FPU, NX, MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2, AES, AVX, FMA3 и AVX2), а также SHA;
• новые технологии безопасности Secure Memory Encryption (SME), ее подмножество TSME и Secure Encrypted Virtualization (SEV).

Всего в серии 14 моделей, имеющих от 8 до 32 ядер с базовыми частотами от 2,0 до 3,1 ГГц. Каждое физическое ядро способно обрабатывать два логических потока. Таким образом количество логических ядер варьируется от 16 до 64.

Второе поколение «Рим» (Rome)

В середине 2019 года компания AMD представила второе поколение EPYC, серию 7002 «Рим», основанную на архитектуре Zen2.

Epyc 7002 обеспечивают до двух раз большую производительность по сравнению с предыдущим поколением, и на 25%-50% меньшую совокупную стоимость владения, по сравнению с конкурентами.

Второе поколение унаследовало сокет SP3 от первого поколения без изменений, что позволяет использовать новые процессоры без обновления материнской платы.

Количество ядер было увеличено вдвое, до шестидесяти четырёх.

Процессоры включают до восьми чиплетов на базе 7-нм техпроцесса и большой кристалл ввода-вывода (I/O) на базе 14-нм техпроцесса. AMD сделала свой модуль ввода-вывода центральным элементом сервера. Этот чип — первый шаг к разделению вычислительных мощностей, памяти, хранилища и других функций ввода-вывода в серверах. Такой подход позволил улучшить задержки при передаче данных, обеспечив гибкую и унифицированную архитектуру доступа к памяти.

По сравнению с первым поколением еще более гибким стало масштабирование по количеству вычислительных ядер, ушла необходимость наличия подсистем ввода-вывода и контроллеров памяти в каждом из кристаллов, а главное — единый центральный чиплет ввода-вывода улучшил показатели неравномерного доступа к памяти при межкристальном взаимодействии.

Шина Infinity Fabric в Epyc второго поколения была ускорена, ее ширина выросла вдвое — с 256 до 512 бит.

Процессоры поддерживают до 8 каналов оперативной памяти DDR4-3200 объёмом до 4 ТБ и до 128 линий в однопроцессорных и до 160 линий в двухпроцессорных серверах.

В новом поколении процессоров впервые появилась возможность работать с контроллером внешних прерываний x2APIC, а также технология Virtualized IOMMU, с помощью которой виртуальные машины получают прямой доступ к физическим периферийным устройствам.

Внутри системы на кристалле установлен процессор под названием AMD Secure Processor, который хранит ключи и шифрует содержимое оперативной памяти по алгоритму AES-128.

В серии 25 моделей, имеющих от 8 до 64 ядер с базовыми частотами от 2 до 3,7 ГГц.

Третье поколение «Милан» (Milan)

В марте 2021 года последовала серия 7003 на базе Zen 3 под кодовым названием «Милан». Milan совместим с Rome и Naples на уровне платформы и сокета, т.к. имеет всё тот же разъём SP3.

Основное внимание при разработке уделялось улучшениям микроархитектуры, что привело к увеличению IPC (количество выполненных инструкций за цикл) на 19% и повышению эффективности. Другие улучшения включают:

• многоядерный процессор с 8 ядрами, совместно использующими кэш L3 объёмом 32 МБ, то есть в два раза больше кэша L3, доступного одному ядру, и меньшей задержкой между ядрами;
• совместная работа Infinity Fabric и тактовой частоты памяти для меньшей задержки;
• новые варианты конфигурации 4- и 6-канальной памяти для повышения производительности при снижении затрат на память;
• улучшена производительность ввода-вывода;
• новое расширение Secure Nested Paging, которое обеспечивает защиту истории обращений к памяти от несанкционированного отслеживания;
• технология контроля потока управления Shadow Stack — это мера противодействия эксплойтам, перенаправляющим поток управления на фрагменты кода, которые выполняют нежелательные операции, полезные для злоумышленника;
• новая инструкция Invalidate Page Broadcast, которая позволяет не прибегать к внутренним прерываниям в работе CPU, а передавать информацию об ошибке операционной системе, что в конечном счете повышает эффективность работы.

Процессоры включают до восьми чиплетов на базе 7-нм техпроцесса и большой кристалл ввода-вывода (I/O) на базе 14-нм техпроцесса.

Как и предыдущее поколение процессоры поддерживают до 8 каналов оперативной памяти DDR4-3200 объёмом до 4 ТБ и 128 линий PCIe 4.0.

В серии 29 моделей, имеющих от 8 до 64 ядер с базовой частотой от 2 до 3,7 ГГц.

Четвёртое поколение «Генуя» (Genoa)

В ноябре 2022 года компания AMD представила четвёртое поколение EPYC под кодовым названием «Генуя» на базе микроархитектуры Zen 4 серия 9004. Использует новый сокет SP5, который не совместим с предыдущими поколениями.

Прирост IPC составляет 14 % по сравнению с решениями прошлого поколения. При этом производительность новых чипов на ватт потребляемой энергии в отдельных задачах выросла до 2,7 раза по сравнению с предшественниками на базе Zen 3.

AMD создала свои новые процессоры EPYC с упором на повышенную безопасность, в частности, с расширенной функцией AMD Infinity Guard, которая обеспечивает как физическую, так и виртуальную защиту процессоров. Например, в них в два раза больше ключей шифрования по сравнению с предыдущими поколениями, что помогает клиентам защищать свои данные независимо от того, хранятся ли они локально, в облаке или в хранилище.

В составе процессоров Genoa присутствуют двенадцать 5-нм чиплетов с вычислительными ядрами и один 6-нм кристалл ввода-вывода.

Genoa также стал первым серверным процессором x86, поддерживающим Compute Express Link 1.1, [8] или CXL, что позволяет дополнительно расширять память и другие устройства с помощью интерфейса с высокой пропускной способностью, построенного на PCIe 5.0.

Genoa поддерживает 128 линий PCIe 5.0 и 12 каналов DDR5-4800 с возможностью установить до 6 ТБ ОЗУ на сокет.

AMD также уделяла особое внимание энергоэффективности Genoa, «более низкую общую стоимость владения» для корпоративных клиентов и клиентов облачных центров обработки данных.

В июне 2023 года AMD представила две узкоспециализированные линейки процессоров на базе Zen 4: Genoa-X с дополнительным кэшем 3D V-Cache, которая будут ориентированы на специфический класс нагрузок (такие как расчётные задачи и СУБД) и Bergamo для облачных вычислений.

В сентябре того же года появилась серия 8004 Siena с низким энергопотреблением, основанную на микроархитектуре Zen 4c. Siena поддерживает до 64 ядер на новом разъёме SP6. Siena использует тот же кристалл ввода-вывода, что и Bergamo, однако некоторые функции, такие как поддержка двух разъёмов, отсутствуют, а другие функции сокращены - 6 каналов памяти вместо 12, 96 линий PCIe 5.0 вместо 128.

Серия 8004 насчитывает 12 моделей, имеющих от 8 до 64 ядер с базовой частотой от 2 до 2,65 ГГц.

Серия 9004 включает 24 процессора с 16 - 128 ядрами и базовой частотой от 2,2 до 4,1 ГГц.

Соберите свой сервер на базе высокопроизводительных процессоров AMD Epyc с помощью нашего конфигуратора Собрать