Zen-Prozessoren

AMD kommt mit Ryzen und Naples zurück

| Autor: Klaus Länger

Mit bis zu acht Cores bei Ryzen und 32 Cores bei der Server-CPU Naples will AMD nicht nur den Anschluss zu Intel wieder schaffen, sondern den Brancheprimus sogar schlagen.
Mit bis zu acht Cores bei Ryzen und 32 Cores bei der Server-CPU Naples will AMD nicht nur den Anschluss zu Intel wieder schaffen, sondern den Brancheprimus sogar schlagen. (Bild: AMD)

Bei leistungsfähigen CPUs für Gaming-PCs, Workstations und auch Server war AMD seit Jahren nicht mehr konkurrenzfähig. Mit Ryzen und Naples will man nun ein Comeback schaffen. Bereits verfügbar sind die Ryzen7-CPUs mit acht Kernen, die Sechs- und Vierkerner der Ryzen-5-Serie folgen am 11. April. Der Server-Prozessor Naples lässt noch bis zum zweiten Quartal 2017 auf sich warten.

Wer in den vergangenen Jahren nach einem Desktop-Prozessor für ein Gaming-System oder ähnlich fordernde Aufgaben wie Videoschnitt oder Bildbearbeitung mit hohen Auflösungen gesucht hat, ist an Intel kaum vorbeigekommen. Bei x86-Server-CPUs war die Lage für AMD noch dramatischer: Hier hatte Intel 2015 laut AMD einen Marktanteil von 98 Prozent. Die Bulldozer-Architektur von AMD und deren Weiterentwicklungen konnten mit Intels Core-Architekturen weder bei der Leistung noch beim Energieverbrauch mithalten. Laut AMD soll Ryzen nun 52 Prozent mehr Instruktionen pro Taktzyklus verarbeiten als ein FX-Prozessor mit Piledriver-Mikroarchitektur. Damit können die neuen AMD-Prozessoren laut Hersteller mit den aktuellen Core-Prozessoren von Intel zumindest gleichziehen. Mit dem Server-Prozessor Naples will AMD die Xeon-CPUs des großen Konkurrenten bei Dual-Socket-Maschinen sogar klar deklassieren.

Naples und Ryzen basieren beide auf der Zen-Architektur. Während sich bei Bulldozer und dessen Folgemodelle immer zwei Integer-Kerne eine Fließkomma-Einheit und einen Level-2-Cache teilen mussten, verfügen die beiden neuen Zen-Prozessoren über „echte“ Cores mit zusätzlicher Multi-Threading-Unterstützung analog zu Intels Hyperthreading. Zudem verspricht AMD eine verbesserte Sprungvorhersage und ein optimiertes Prefetching, also das Vorladen von Daten in den von allen Cores geteilten Level-3-Cache. Nach der Aussage von AMD-Chefin Lisa Su hofften die Entwickler auf einen IPC-Wert (Instructions per Clockcycle), der 40 Prozent über dem von Excavator – der letzten Bulldozer-Generation – liegen sollte. Tatsächlich soll Ryzen hier sogar um 52 Prozent leistungsfähiger sein und damit in den Bereich aktueller Intel-Prozessoren kommen. Dazu trägt sicher auch die Produktion in einem 14-Nanometer-FinFET-Verfahren bei Global Foundries bei. Hier hat AMD nun mit Intel gleichgezogen. Dort nahm man die 14-Nanometer-Hürde allerdings schon 2014 mit Broadwell. Die bisher bei TSMC gefertigten CPUs und APUs entstehen in einem 28-Nanometer-Verfahren.

Ryzen 7: AMDs Premium-CPUs für Desktop-Rechner

Vor vier Jahren hat AMD mit der Entwicklung der Zen-Architektur begonnen, die mit der Vorstellung der Ryzen-Prozessoren am 2. März die ersten Früchte getragen hat. Die ersten Modelle der Prozessorfamilie sind der Ryzen 7 1800X (3,6/ 4,0 GHz), 1700X (3,4/ 3,8 GHz) und 1700 (3,0/ 3,7 GHz). Alle verfügen über acht Kerne mit Hyperthreading und 16 MB gemeinsamen Level-3-Cache. Der Buchstabe „X“ steht hier auch für die höhere Extended Frequency Range (XFR) der beiden Performance-Modelle. Mit dieser können sie bei ausreichender Kühlung im Boost automatisch eine Taktfrequenz erreichen, die bis zu 100 MHz über der spezifizierten maximalen Taktfrequenz liegt. Beim Ryzen 7 1700 liegt dieser Wert bei maximal 50 MHz. Daher stellt AMD dieses Feature bei diesem Prozessor auch nicht in den Vordergrund. Dafür spezifiziert ihn AMD auch mit 65 Watt TDP, während die anderen Modelle für bis zu 95 Watt maximale Kühlleistung ausgelegt sind.

Die Ryzen-7-Prozessoren verfügen alle über einen in zwei Bereiche aufgeteilten, 16 MB großen Level-3-Cache, auf den alle Kerne zugreifen. Die Zweiteilung des L3-Caches rührt daher, dass die 8-Kern-CPUs aus zwei CPU-Komplexen (CCX) mit jeweils vier Cores bestehen, die aber jeweils auch auf den L3-Cache des anderen Komplexes zugreifen können. Dazu kommen noch 512 KB Level-2-Cache pro Core. Die Verbindung zwischen den beiden Komplexen läuft über einen Hochgeschwindigkeits-Link, der wohl eine Weiterentwicklung von HyperTransport ist.

In einem Blogpost hat AMD letztens auch klargestellt, dass der Scheduler von Windows 10 kein Problem mit Ryzen hat, sondern nur ältere Versionen von Sysinternals Coreinfo fehlerhafte Logfiles produziert haben.

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Die Prozessoren verfügen über einen DDR4-Speichercontroller mit zwei Kanälen. Die Intel-Core-i7-Prozessoren für Sockel 2011-3 verfügen dagegen über vier Speicherkanäle. Diese Broadwell-E-CPUs für mPCs gibt es derzeit mit sechs, acht oder zehn Cores, aber zu einem deutlich höheren Preis als die Ryzen-7-Modelle. Die Kaby-Lake-Desktop-CPUs mit Sockel 1151 verfügen ebenfalls über zwei DDR4-Kanäle, aber auch nur über maximal vier Cores. Bei ihnen liegen aber die maximale Taktfrequenz und der IPC-Wert über dem von Ryzen 7 und auch der schon älteren Broadwell-E-Architektur. Zudem können Kaby-Lake-Prozessoren wie der i7 7700K einen hohen Turbo-Boost auf allen Cores erreichen, Ryzen kann das nur mit zwei Kernen.

Für die Kommunikation mit dem Mainboard nutzt AMD den bereits für die Bristol-Ridge-APUs eingeführten Sockel AM4. Bristol-Ridge-Prozessoren gehören noch zur Excavator-Generation.

SenseMI: Intelligente Steuerung

Die automatische Anpassung der Taktraten erfolgt bei den Ryzen-Prozessoren in 25-MHz-Schritten. Intel-Prozessoren beherrschen hier nur ein gröberes 100-MHz-Raster. Sie gehört zu einer Reihe von Techniken, die AMD unter dem Begriff „SenseMi“ zusammenfasst. Dazu gehören noch die automatische Anpassung der Leistungsaufnahme einschließlich des kurzzeitigen „Parkens“ nicht benötigter Cores, die XFR-Funktion, Smart-Prefetch als verbesserte Sprungvorhersage sowie ein Verfahren, das AMD als „Neural Net Prediction“ bezeichnet. Ein neurales Netz im Prozessor soll dabei das Vorladen von Instruktionen durch eine Analyse des ausgeführten Codes optimieren.

Der in den Ryzen-Prozessoren integrierte PCI-Express-Controller verfügt über insgesamt 24 PICe-3.0-Lanes. Davon stehen 16 für Grafikkarten bereit, vier für NVMe-SSDs im M.2-Format und weitere vier für die Kommunikation mit dem Chipsatz. Hier hat man bei ATX- oder Micros-ATX-Mainboards derzeit die Wahl zwischen dem X370, B350 und A320, wobei der A320 ohne Übertaktungsfunktionen eher für die Ryzen-5- oder Bristol-Ridge-Prozessoren gedacht ist. Ein Vorteil der AMD-Chipsätze gegenüber ihren Intel-Gegenstücken ist die Unterstützung von USB 3.1 Gen2 mit 10 GBit/s. Bei Intel-Systemen benötigt man dafür einen zusätzlichen Controller. Für SFF-Systeme mit Mainboards im Mini-ITX-Format oder noch kleinerem Formfaktor hat AMD mit dem X300 und dem A300 noch zwei weitere Chipsätze im Programm, die über weniger Schnittstellen verfügen.

Laut AMD-Chefin Lisa Su genießen die neue Prozessoren eine breite Unterstützung in der Industrie. Mehr als 80 verschiedene Mainboards mit Sockel AM4 stehen zum Start als Basis für die Ryzen-Prozessoren zur Verfügung.

Ryzen 5 für den Mainstream

Da die Ryzen-7-Prozessoren mit Preisen zwischen etwa 350 und 560 Euro im gehobenen Preisbereich angesiedelt sind, bringt AMD im April mit den Ryzen-5-Modellen eine ganze Reihe von Prozessoren mit vier und sechs Kernen auf den Markt, die mit Preise zwischen 169 und 249 US-Dollar eher für den Mainstream-Markt geeignet sind. Sie sollen zunächst Achtkern-CPUs mit einigen deaktivierten Cores sein. Das Top-Modell ist der Ryzen 5 1600X mit sechs Kernen und 3,6/4,0 GHz. Er unterstützt XFR auch mit bis zu 100 MHz und ist für 95 Watt TDP spezifiziert. Darunter rangiert der Hexacore-Prozessor 1600 (3,2/3,6 GHz) mit 65 Watt TDP. Mit vier Kernen warten der Ryzen 5 1500X (3,5/3,7 GHz) und 1400 (3,2/3,4 GHz) auf. Die Prozessoren unterstützen alle zwei Threads pro Core. Zur Größe des L3-Caches bei den neuen Ryzen-5-Modellen hat sich AMD bislang noch nicht geäußert.

Naples: Zen für Server

Mit 32 Cores, 64 Threads, acht Speicherkanälen und bis zu zwei TB DDR4-2667 als Arbeitsspeicher pro Sockel schickt AMD den Serverprozessor Naples ins Rennen. Intel hat hier für Dual-Socket-Systeme mit dem noch zur Broadwell-Familie gehörenden Xeon E5-2699A v4 maximal 22 Cores und vier Speicherkanäle zu bieten. Er unterstützt bis zu 1,54 TB DDR4-2400. Damit geht der AMD-Prozessor bei der Speicherbandbreite mit 170,7 GB/s klar in Führung vor Intel mit 76,8 GB/s.

Laut AMD verfügt jeder Naples-Prozessor zudem über 128 PCI-Express-Lanes, von denen 64 für die Verbindung zweier CPUs verwendet werden. Allerdings nutzt AMD mit Infinity Fabric ein eigenes Übertragungsprotokoll. Intels Xeon verfügt hier über 40 Lanes pro CPU. Deren Verbindung läuft über zwei QPI-Links. Bei Naples hat AMD zudem einen separaten Chipsatz abgeschafft, die CPU ist System-on-a-Chip (SoC). Zu den verfügbaren SATA-, USB- und Ethernet-Verbindungen hat der Hersteller noch nichts verraten. Auch zur L3-Cache-Größe gibt es nichts Offizielles. Sie dürfte aber bei 64 MB und damit 10 MB über der des Xeon E5-2699A v4 liegen. In den von AMD veröffentlichten Benchmarks, die seismische Analysen simulieren, liegt der AMD-Prozessor klar vor seinem Intel-Widerpart. Bei sehr speicherintensiven Workloads war Naples bei einem Test um den Faktor 2,5 schneller. Einen anderen mit einer größeren Datenmenge konnte der Xeon gar nicht absolvieren. Allerdings konnte das Xeon-System im Test nur mit DDR4-1866 laufen, da alle Speicherbänke mit 16-GB-DIMMs gefüllt waren. Auch bei der Speichergröße war das Intel-System hier mit 384 gegenüber 512 GB im Nachteil.

AVX oder AVX2 unterstützt AMDs Naples nicht so gut wie die Intel-Prozessoren, da er nur einen 128 Bit breiten Datenpfad bietet. Bei Aufgaben, die diese 256-Bit-Recheneinheiten der Xeon-Prozessoren nutzen können, wird Naples das Nachsehen haben. Mit dem kommenden Skylake-EP wird Intel die AVX2-Einheiten sogar noch auf 512 Bit verbreitern. Bei der Speicherperformance wird Intel etwas aufholen, da man von sechs Speicherkanälen pro CPU ausgeht. Dafür, dass Intel die Anzahl der Cores pro CPU auch auf 32 anheben wird, gibt es Indizien. Die neuen Intel-Prozessoren dürften etwa zeitgleich mit Naples auf den Markt kommen.

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