что такое zen 2 в процессоре

Что нового: стали известны подробности о реализации новой архитектуры Zen 2

В начале месяца в AMD рассказали о Zen 2. Первые чипы ожидаются уже в 2019. Рассказываем об особенностях архитектуры и о том, что она даст в контексте AMD vs Intel.

/ фото Fritzchens Fritz PD / 14-нм AMD Zeppelin

Что изменилось

Zen 2 разрабатывалась c прицелом на 7-нм техпроцесс. В компании заявляют, что переход на 7-нм позволит повысить производительность на 25%, сохранив уровень потребления энергии.

На выполнение одной операции чипам на Zen 2 потребуется на 50% меньше мощности. Это придется кстати в современных дата-центрах, для которых важны параметры энергоэффективности оборудования (к слову чипы EPYC, о которых мы расскажем ниже, созданы специально для работы в ЦОД). При этом чипы имеют умные функции управления энергопотреблением. Они могут динамически менять уровень напряжения в зависимости от загрузки ядер. Алгоритмы самостоятельно снижают частоту ядра, если понимают, что возможные задержки не отразятся на работе нагрузки.

AMD внесли ряд изменений в архитектуру Zen 2, по сравнению с предшественниками. Часть из них коснулась векторных регистров и показателя IPC (instructions per cycle).

Векторные регистры расширили. Их размер увеличили с 128 до 256 бит. Это позволило удвоить производительность при выполнении AVX-операций с числами с плавающей запятой. Теперь 256-битные AVX-операции не нужно разбивать на две 128-битные микрооперации. Поэтому Zen 2 показала результат в 16 FLOPS за такт, как архитектура Skylake от Intel.

IPC увеличили на 20%. Процентного прироста удалось добиться за счет балансировки нагрузки между компонентами архитектуры и расширения кеша. Прирост IPC позволил повысить производительность на 13%, по сравнению с Zen+. Отметим, что Zen+ превосходит Zen по этому показателю всего на 2–5%.

Первые чипы на новой архитектуре

Этим чипом станет серверный процессор EPYC Rome. Он будет обладать структурой, которую в AMD называют Chiplet Design. Компоновка микросхемы подразумевает соединение 7-нм CPU с 14-нм чипом I/O. Процессор будет содержать восемь вычислительных блоков, расположенных вокруг 14-нм чиплета. Соединение обеспечивается по шине InfinityFabric без прямых кремниевых соединений. В каждом блоке будет представлено восемь ядер — в сумме это 64 ядра.

Процессоры EPYC Rome смогут обрабатывать 128 потоков одновременно. Интерфейс памяти будет поддерживать восьмиканальный контроллер DDR4, который обеспечит чипу доступ к четырем терабайтам DRAM на каждый сокет.

Дополнительно процессор получит поддержку PCIe Gen 4, что увеличит количество гигатранзакций за секунду в два раза — с 8 до 16 ГТ/с.

В сентябре в сеть утекли результаты тестирования нового CPU в многопоточном бенчмарке Cinebench R15 — счет составил 12587. Это больше, чем у любого из процессоров текущего поколения компании (результат для AMD Ryzen Threadripper 2990WX — 5500).

Сейчас в AMD уже начали поставку первых образцов процессоров EPYC Rome своим клиентам и производителям серверов. Массовые поставки новых устройств начнутся уже в 2019 году, тогда же можно ожидать появления этих чипов в дата-центрах.

Intel vs AMD

Генеральный менеджер AMD Форест Норрод (Forrest Norrod) еще летом говорил, что серверные CPU EPYC Rome разрабатывались с целью составить конкуренцию 10-нм решениям Intel вроде Ice Lake-SP. Однако Intel долгое время откладывали выпуск чипов нового поколения из-за проблем с выходом годных микросхем. Релиз намечен на 2019 год, но точная дата выхода процессоров Intel на новом техпроцессе остается неизвестной.

Таким образом, Intel придётся конкурировать с новыми процессорами AMD с помощью «старого» семейства Cascade Lake-SP. Поэтому в AMD ожидают, что микросхемы на базе Zen 2 отвоюют у Intel первенство по производительности. Но особых иллюзий они все же не питают — долго удерживать лидерство может не получиться.

Представители компании AMD считают, что, в конце концов, конкуренты представят архитектуру аналогичную Zen 2. «Ответного удара» Intel в AMD ожидают уже к концу 2019 года.

/ фото Fritzchens Fritz PD / 14-нм AMD Zeppelin

Аналитики прогнозируют, что пока Intel будут налаживать производство 10-нм, цена акций AMD вырастет на 15%. Но когда новые процессоры Intel увидят свет, AMD сразу потеряют 4% от стоимости акций. И дальше их цена продолжит снижаться. Эксперты считают, что ни Zen 2, ни использование 7-нм техпроцесса не поможет AMD удержать временное преимущество на рынке.

Что дальше: от Zen 2 до Zen 5

Проектирование Zen 2 уже официально завершено. Серверные процессоры появятся на рынке уже в конце этого года, а десктопные решения — в 2019 году.

AMD также подтвердили, что разработка Zen 3 по техпроцессу 7nm+ идет полным ходом и закончится в 2020 году. О Zen 4 ходят противоречивые слухи. WikiChip Fuse сообщают, что разработка архитектуры уже началась, а WCCFTECH пишут, якобы Zen 4 решили пропустить и перейти сразу к Zen 5.

Zen 5 планируют изготавливать по 3-нм техпроцессу и новостей по этой архитектуре не стоит ждать раньше 2020 года.

Источник

Ryzen 3000 и Zen 2. Изучаем нововведения в свежих процессорах AMD

Выпустив первые процессоры на базе архитектуры Zen, компания AMD не только вернулась в гонку технологий, но и всколыхнула рынок. Главный конкурент моментально прекратил делать одно и то же с чуть улучшенными характеристиками и занялся эффективным увеличением производительности. Доработанные процессоры на базе Zen 2 должны были решить оставшиеся проблемы «красных». По случаю релиза 3000-й серии Ryzen отвечаем на самые важные вопросы.

Ключевые отличия Zen и Zen+ от Zen2

Процессор разделили на чиплеты: вместо монолитного кристалла из ядер и интегрированного северного моста (контроллер памяти и ввода-вывода) теперь три «кусочка». Два из них — 7-нм вычислительные ядра с блоком ввода-вывода, а также контроллер памяти на 14 нм. Шину Infinity Fabric, ранее объединявшую всё это в одном кристалле, вынесли на подложку. В итоге для системы вроде ничего не изменилось: процессоры после обновления BIOS совместимы со старыми материнскими платами. Зато сам CPU стал значительно быстрее. Внутренние оптимизации дали прирост производительности на 21% в однопоточных задачах по сравнению с Zen 1.

Для устранения «бутылочных горлышек», связанных с разделением процессора на три модуля, инженеры AMD более чем вдвое нарастили доступный объём кэш-памяти — у топовой модели будет до 70 МБ L3-кэша. Это решение, безусловно, делает производство процессоров сложнее и дороже, зато снижает задержки в операциях ввода-вывода и зависимость быстродействия CPU от скорости работы с оперативной памятью.

Новое в Zen 2

Кроме доработок в компоновке, Zen 2 получила и целиком новые технологии. Ключевая — PCI Express 4.0 с двукратным увеличением скорости относительно версии 3.0 на каждую линию. Этот высокоскоростной параллельный интерфейс фактически стал стандартом подключения периферии. И если на производительность видеокарт апгрейд влияет мало, то для медленной подсистемы хранения данных удвоенная скорость обмена ими с оперативкой и процессором — это манна небесная. Тем более Gigabyte уже показала SSD-массив со скоростью чтения до 15 ГБ/с, использующий 4 линии PCI E 4.0. А у Phison есть одночиповые модели со скоростью чтения 5 ГБ/с и записи — 4 ГБ/с. Для сравнения, топовые модели на PCI E 3.0 в лучшем случае выдают 3-3,5 ГБ/с.

В AMD придумали ещё одно важное решение — перевели межъядерное и межчиповое «общение» внутри кристалла на новую шину IF 2.0. Если раньше она была привязана по частоте к контроллеру памяти, то теперь у неё есть делитель частоты и асинхронный режим. При разгоне оперативной памяти до частот выше, чем 3800 МГц, контроллер памяти работает на половине частоты от IF 2.0.

Так что если вам необходима сверхбыстрая память и не очень важны задержки доступа, можете выйти за непреодолимый в прошлом барьер оверклокинга. Однако сама AMD рекомендует использовать модули с частотой не выше 3600 МГц — с ними работа системы оптимальна как по скорости линейных операций, так и по задержкам доступа к банкам памяти.

Прирост производительности

Сложно взять и сказать «производительность выросла на столько-то процентов». Потому что изменились внутренняя структура CPU, архитектура взаимодействия с памятью, объёмы кэша и техпроцесс, а также рабочие частоты. Какие параметры существенно повлияли на скорость вычислений, а какие минимально улучшили результаты, знают только инженеры AMD. На их опыт и будем опираться.

Общий прирост производительности относительно Zen+ в 2000-й серии составил 21%. Примерно 13% дали архитектурные изменения в самом ядре Zen 2, и около 8% — перевод на 7-нм техпроцесс и поддержка более высоких тактовых частот при полной загрузке. Результаты разгона тоже выросли по всем фронтам. В CPU увеличилось количество точек контроля питания и температуры. Теперь система лучше знает состояние процессора — то есть может чаще работать в режиме максимальной производительности.

Улучшенная топология кристалла, разделение его на три функциональных блока и апгрейд шины Infinity Fabric позволяют выжать из процессора в среднем на 200 МГц больше, чем было бы возможно, случись простой перевод Zen+ на 7 нм. Вдобавок к этому чипсет X570 поддерживает новые инструменты по разгону CPU как в режиме UEFI, так и при загруженной Windows. В первом случае меню почистили и упорядочили для простоты работы, во втором — облегчили контроль и настройку на уже запущенной системе.

Ради чего это всё?

Разделение кристалла на «кусочки» уменьшает брак в производстве и подтягивает характеристики продукта: железо быстрее, разгон эффективнее, цены вариативнее. А новые накопители на базе PCI Express 4.0 сделают загрузку игр практически моментальной. Как и работу с софтом, который полагается на чтение с диска. Ждать осталось недолго — первые модели Ryzen 3000 уже в России, остальные попадут на склады интернет магазинов в ближайшую неделю.

Модели, варианты и предварительные цены

На старте продаж обещают следующую расстановку сил. Старшим будет Ryzen 9 3900X — 12 ядер и 24 потока при базовой частоте 3,8 ГГц, но с авторазгоном до 4,6 в зависимости от загрузки. В линейку Ryzen 7 войдут два восьмиядерника. Ryzen 5 станут шестиядерными, а младшие модели с графикой, Ryzen 5 3400G (с припоем под крышкой) и Ryzen 3 3200G (с пластичным термоинтерфейсом), останутся на старой архитектуре Zen+. Флагманский 16-ядерный Ryzen 9 3950X появится в продаже осенью, предположительно, в сентябре.

Ryzen 9 3900X
12 ядер, 24 потока
3,8–4,6 ГГц

38 500 ₽

30 000 ₽

25 000 ₽

18 500 ₽

15 000 ₽

11 000 ₽

7 200 ₽

* — Процессоры AMD Ryzen 5 3400G и Ryzen 3 3200G со встроенной графикой Radeon Vega используют архитектуру Zen+ (в отличие от остальных, построенных на новой архитектуре Zen 2).

Источник

Zen2. Эволюция платформы AM4 на примере Ryzen 7 3700x

AMD продолжает развивать свою долгоиграющую платформу AM4. Недавно вышло новое поколение процессоров Ryzen на микроархитектуре Zen 2. Вообще, цикл развития архитектур AMD стал чем-то напоминать тик-так Intel, но не 1 в 1. Так, второе поколение Ryzen было скорее вариацией на тему изначальной архитектуры Zen с исправлением основных косяков и реализованное на чуть более тонком техпроцессе, что нашло отражение даже в названии архитектуры чипов 2xxx — Zen+. Сейчас же AMD выкатили чиплетную архитектуру. Получилась прямо классическая спираль развития — AMD в 2003 году первыми начали перенос компонент северного моста в ядра, начав с переноса в процессорах линейки K8 контроллера памяти в CPU и закончив тем, что Ryzen тысячной и двухтысячной серий представляли из себя полноценные SoC, так в 2019 они же снова вынесли северник в отдельный кристалл, пусть и на той же подложке, что и ядра.

Теоретических материалов, обзоров и тестов хватает и на русском (например Разгон Matisse или в поисках предела. Обзор архитектуры Zen 2), и на английском языках, мне же захотелось лично сравнить свежий AMD Ryzen 7 3700x с 2700x на моих тестах, аналогичным использованных в прошлых постах (пост 1, пост 2).

UPD 2019/08/04: Внимание! Все результаты и выводы относятся к версии BIOS на AGESA ComboAM4 1.0.0.2. Дополнение по тестам на AGESA 1.0.0.3 (BIOS 5204) смотрите в конце статьи.

Участники тестирования

Материнская плата ASUS ROG Strix X470F-Gaming (BIOS 5007, AGESA ComboAM4 1.0.0.2):

Память G.Skill Trident Z DDR4 DIMM 3600MHz PC4-28800 CL17:

Система охлаждения Deepcool Captain 360EX.

Конфиг 1:
CPU: AMD Ryzen 7 2700X
RAM: G.Skill Trident Z DDR4 DIMM 3600MHz PC4-28800 CL17 @ 3400CL16

CPU: AMD Ryzen 7 3700X
RAM: G.Skill Trident Z DDR4 DIMM 3600MHz PC4-28800 CL17 (DOCP Profile)

CPU: AMD Ryzen 7 3700X
RAM: G.Skill Trident Z DDR4 DIMM 3600MHz PC4-28800 CL17 @ 16-16-16-32

Прежде чем перейти к результатам тестов, хочу отметить пару проблем, затруднивших тестирование:

Все тесты Ryzen 7 3700x проводились под сборкой 1903 Windows 10. При этом 2700х тестировался на октябрьской сборке. Не все тесты 2700x удалось прогнать под 1903, но те, что были прогнаны, показали, что майское обновление Windows снизило производительность системы по крайней мере на платформе AMD, так что результаты с предыдущими статьями напрямую не сравнимы. Там, где тесты прогонялись повторно, это будет явно указано.

Платформа Zen 2, точнее её поддержка со стороны BIOS материнских плат на чипсетах старого поколения (например, на чипсете X470 на моей материнской плате), откровенно сырая, и при попытке запустить процессор Ryzen 7 3700x на всех настройках, установленных в Auto, были получены очень странные результаты, а именно отвратительная работа нового CPU с памятью, с низкой пропускной способностью (далее ПСП) и огромными задержками:

В настройках BIOS отображалось, что частота северного моста составляет 1600 MHz, но по факту он запускался на 800 (по данным CPU-Z), что и давало соответствующую картину. Мало того, что активировался асинхронный режим работы с памятью, вносящий дополнительные задержки, так и сам контроллер, и Infinity Fabric работали с черепашьей скоростью. При этом попытки установить частоту работы северника синхронной с частотой памяти приводили через раз к мёртвому зависанию при POST на этапе инициализации памяти.

Алгоритм получения рабочих настроек в итоге получился следующий:

если пропустить обесточивание системы на любом из этапов, есть шанс словить ошибку тренировки памяти и как следствие, необходимость сбрасывать настройки джампером и начинать всё сначала из-за невозможности загрузиться в BIOS. Надо ли говорить, что на 2700x таких танцев с бубном совершенно не требовалось.

По конфигам видно, что тестирование проходило при разных частотах памяти. AMD утверждают, что контроллер памяти в чиплете процессоров на микроархитектуре Zen 2 стал более всеядным и поддерживает бОльшие частоты, чем прежние версии. Судя по моим наблюдениям, это действительно так: на Ryzen 7 2700x эти плашки памяти не удавалось стабилизировать даже на их дефолтных XMP таймингах на частоте 3600, при этом на частоте 3400 тайминги удавалось выставить довольно жёсткие. На Ryzen 7 3700x память сходу завелась на родной частоте и позволила без особых плясок с бубном выставить тайминги по DRAM-Calculator-for-Ryzen.

Методика тестирования

Методика не менялась с прошлого года.

Тесты платформы AM4 проводились под управлением ОС Windows 10 Pro 1903 (сборка 18362.239)

Защита от Spectre и Meltdown деактивирована на всех тестовых системах с помощью утилиты InSpectre.

Все тесты проводились по несколько раз (не менее трёх-четырёх), результат первого прогона отбрасывался, так как на результат первого прогона заметно сильнее влияют задержки ввода-вывода. Брался максимальный результат, остальные прогоны теста проводились для проверки возможных аномалий.

Производительность

Passmark

Ryzen 7 2700x

Ryzen 7 3700x D.O.C.P.

Ryzen 7 3700x manual timings

Тест памяти

По производительности памяти прогресс прямо скажем, так себе. Вынос контроллера памяти из кристалла с ядрами не дался бесплатно — выросли задержки, общая производительность упала. Кроме того, видно проседание скорости записи в два раза по сравнению с прошлым поколением и скоростью чтения/копирования. Судя по всему, чиплет cIOD оптимизирован под два CCX чиплета, и на одном выдаёт вот такие слегка кривые результаты (да, на Ryzen 9 проседания скорости записи тоже нет). Но это с одной стороны. С другой — по скоростям чтения и комбинированных нагрузок чтение-запись такого провала нет. Учитывая, что в среднем чтение-запись в коде соотносятся как 3/1, то компромисс выглядит разумным. А учитывая возросшие скорости кэш-памяти и здоровенный кэш третьего уровня, то по памяти ± выходит то на то.

Рендеринг

Проявка RAW-снимков

А вот в работе с 2D графикой, в которой до сих пор безраздельно рулили процессоры Intel, трёхтысячная серия сделал нехилый такой рывок. Ускорение в Adobe Lightroom 7.5 полтора раза!

3DMark

Производительность в играх

Температура и энергопотребление

Не смотря на заявленный TDP в 65Вт камешек Rayzen 7 3700x получился довольно прожорливым и горячим. Температура в простое колеблется от 35 до 50 градусов. Потребление и температура под нагрузкой сильно зависит от характера нагрузки (внезапно!).

Под типичной игровой нагрузкой частота ядер CPU колеблется в районе 4.25-4.35 GHz, потребление в таком режиме составляет в среднем 95-100Вт.

Под нагрузкой от рендеринга процессор начинает потреблять уже в районе 120Вт:

Под стресс-тестами (Prime95 Small FFTs) потребление подскакивает до 170+ Вт, температура упирается в 95 градусов даже под водянкой с вентиляторами на максимальных оборотах и частоты падают до 4-4.05GHz:

Заключение

Процессоры трёхтысячной серии AMD Ryzen вышли и правда довольно интересными, но общий восторженный информационный фон вокруг них лично у меня породил завышенные ожидания, которые не особо оправдались.

С одной стороны, производительность на такт действительно подросла, но заметно без микроскопа только в некоторых сценариях. Частотный потенциал вообще подрос в среднем на 50-100MHz, ни о каком прорыве речь не идёт. С памятью стали работать даже хуже, чем прошлое поколение. При заявленном TDP в 65Вт процессор не стесняется потреблять почти в три раза больше, при этом греется так, что трёхсекционная водянка перестаёт справляться с охлаждением. BIOS-ы с поддержкой этих процессоров пока что откровенно сырые. Всё это приправлено ошибками в микрокоде (RDRAND на материнских платах на x570 чипсете). Косячат конечно все, но настолько сырого продукта на старте я давно не видел.

С другой — это уже третье поколение процессоров на одной и той же платформе AM4. Если сравнивать 3700x с первым поколением Ryzen, то по рендерингу получим ускорение уже в 1.5 раза за 2.5 года. В этом поколении AMD опять удалось увеличить количество ядер в процессорах потребительского сегмента — 12 ядер уже условно доступны, хотя и являются тем ещё дефицитом, да и ценник на них гуманностью не отличается, а на горизонте маячат 16-ядерные CPU на этой же платформе. Да и платформа получилась удачной — за 2.5 года не превратилась в тыкву, материнские платы менять не надо, совместимость с памятью и частотный потенциал в очередной раз подтянули, и даже на тех же самых материнских платах новые процессоры скорее всего позволят запускать память на бОльших частотах и более жёстких таймингах.

В общем, продукт в очередной раз вышел неоднозначным. Ни разу не идеальным, но уже предлагает хорошую производительность даже без оговорки «за свои деньги», а соотношение цена/производительность у него вообще вышло отличное. BIOS-ы подтянутся спустя пару-тройку месяцев и версий. В общем, всё как всегда у AMD.

UPD от 2019/08/04. Тесты на AGESA ComboAM4 1.0.0.3 patch AB

Судя по всему, как я писал выше, первые BIOS-ы оказались несколько дико кривыми. После выхода обновленного BIOS на AGESA ComboAM4 1.0.0.3 patch AB многое изменилось:

Очевидно, что не повлиять на результаты тестов всё это не могло. В полном объёме прогнать я их ещё не успел, но основные прогнаны, и вот что получилось:

Итог — падение результатов на 2-4% при практически двукратном снижении пикового энергопотребления и соответствующем снижении рабочих температур и напряжений. Вот теперь да, можно безо всяких оговорок сказать, что у AMD получился очень удачный — быстрый, энергоэффективный и недорогой процессор. Думаю, если поднять PPT до уровня 3800х (105Вт), можно будет и результаты получить практически аналогичные.

Источник

Разбираемся, что не так с Zen2 и Zen3

Что не так с Zen2 и Zen3?

реклама

0 Что со мной не так?

Я по образованию инженер-электроник, а по должности – ведущий инженер, который от «обычных» инженеров отличается тем, что не является узким специалистом, следовательно не знает ничего о конкретном, и знает понемногу обо всём 😊.

И вот, с высоты своей удручающей некомпетентности я решил взглянуть на системные проблемы процессоров с архитектурой Zen2 и Zen3.

реклама

Идея систематизировать все проблемы, связанные с Райзенами, у меня возникла ещё в момент перехода с Zen на Zen+ и окончательно оформилась к моменту выхода Zen3, поскольку проблемы эти росли как снежный ком.

С выходом Zen я убедился, что прежние системы охлаждения на тепловых трубках начали терять свою эффективность, особенно с выходом Ryzen R9 Threadripper, которому про запас была куплена трехсекционная AIO.

Zen+ обострил наметившиеся проблемы – температурные перепады стали более резкими.

Zen2 заставил перейти с AIO на кастомную СЖО, тем не менее проблемы не то что никуда не делись, с переходом на чиплетную компоновку возникли эффекты, с которыми никто до настоящего времени всерьёз не сталкивался и не разбирался.

реклама

Zen3 подвёл черту под эпопеей на сокет АМ4 и оставил открытым вопрос «что не так со всеми этими процессорами и что со всем этим делать?».

Данный опус и должен внести ясность в понимание этого вопроса и по мере возможности на него ответить.

реклама

1 Что не так с компоновкой?

На рисунке 1.1 представлена новая (по сравнению с Zen и Zen+) чиплетная компоновка процессора, введённая в Zen2, в Zen3 она не претерпела никаких изменений, немного выросла площадь CCD (см. рисунок 1.2), как далее станет ясно, рост площади не компенсирует плотность теплового потока и проблемы с теплоотводом остаются теми же, если не усугубляются.

Рисунок 1.1 – Пример чиплетной компоновки процессоров Zen2 и Zen3

Рисунок 1.2 – Различие чиплетов у Zen2 и Zen3

Первое что выявил переход на чиплеты – это полную неготовность производителей систем охлаждения к новым процессорам. На бумаге всё было прекрасно – что воздушные, что жидкостные СО обеспечивали требуемый TDP, однако, топология… Дело в том, что у всех систем охлаждения зона наилучшего теплового контакта находится в центре подошвы, т.е. предполагается, что источник тепловой мощности у процессора находится в центре крышки (теплораспределителя), что только усугубляет проблемы с теплоотводом, создаваемые малой площадью чиплетов. Из-за несовпадения самой нагретой зоны с зоной наилучшего теплового контакта тепловая мощность вынуждена преодолевать более протяженный путь, следовательно, нагрев ядер увеличивается. Новая чиплетная компоновка принесла с собой и ещё одну проблему – традиционное расположение тепловых трубок у «башен» и микроканалов у ватеблоков не соответствует расположению чиплетов под крышкой процессора. Получалось так, что тепловые трубки и микроканалы шли вдоль линии чиплетов, так что на два чиплета могла приходиться всего одна тепловая трубка, а в случае с микроканалами ватерблока на сечение чиплета приходилась едва ли не четверть. Причём такое расположение перегружало тепловую трубку или задействованные микроканалы тепловой мощностью. Максимальная тепловая мощность, отводимая тепловой трубкой, составляет 35–40 Вт, в то время как TDP чиплета 100 Вт минимум, а в случае двух чиплетов – 200 Вт. Что касается микроканалов, то они, проходя вдоль чиплетов, неэффективно собирают тепловую энергию, когда при поперечном течении жидкости теплоотвод был бы гораздо эффективнее.

Рисунок 1.3 – Расположение чиплетов при установке процессора в сокет

2 Что с частотой, напряжением и мощностью?

С тепловой мощностью процессора всё просто – она точно равна потребляемой электрической мощности в силу закона сохранения энергии. Электрическая мощность выводится из законов Джоуля-Ленца и Ома, как должно быть известно каждому школьнику из курса физики:

P = U × I = U2 / R = U2 / (1 / (ω × C)) = ω × C × U2 = 2 × π × f × C × U2,

где U – напряжение питания. В;

R = 1 / (ω × C) = 1 / (2 × π × f × C) – сопротивление процессора в цепи питания;

ω = 2 × π × f – круговая частота;

f – частота процессора, Гц;

C – суммарная подзатворная ёмкость процессора, Ф.

С точки зрения теории электрических цепей, такая цепь считается линейной.

Дело в том, что базовым элементом всех современных цифровых микросхем является КМОП-инвертор, попеременно коммутирующий нагрузку на напряжение питания и «землю» (корпус). Нагрузкой является такой же вентиль, с абсолютно теми же характеристиками. А поскольку КМОП имеет очень малые (по времени) сквозные токи, по сравнению с токами и постоянной времени перезарядки подзатворных емкостей, то схема вентиля на рисунке 2.1 вырождается в линейную цепь, представленную на рисунке 2.2, и формула расчёта мощности оказывается справедливой.

Рисунок 2.1 – Простейший КМОП-вентиль (инвертор)

Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема КМОП-вентиля (инвертора).

Для AMD Ryzen R9 5950x имеем следующие базовые характеристики:

F0 = 3400 МГц; U0 = 1,0 В; P0 = 105 Вт.

Соответственно, максимальные характеристики:

Pmax можно найти из соответствия:

Такую мощность развил бы Zen3, не будь ограничений по энергопотреблению и температурам. Разговор о температурах нас ждёт в следующем разделе.

3 Что с температурами?

Современные процессоры AMD изготавливаются по технологии «7 нм» с применением 400 мм кремниевых пластин («вафель») с толщиной 0,9 мм. Такая толщина требуется для обеспечения прочности пластины во время технологических операций с ней. Диаметр пластины – один из определяющих параметров конечной стоимости чипа, чем больше диаметр и меньше площадь самого чипа, тем больше чипов можно разместить на пластине и, в конечном итоге, дешевле сам чип.

Рабочие структуры чипа (диффузионные, межслойная изоляция и металлизация) располагаются внизу чипа, так как контактные площадки металлизации чипа припаиваются с помощью шаровых контактов (бессвинцовый припой) к ответным контактным площадкам печатной платы-подложки. Толщиной КМОП-структур можно пренебречь, так как по сравнению с самим чипом (800 – 900 мкм) они выглядят как сверхтонкие плёнки (0,065 – 0,090 мкм). Теплораспределительная крышка процессора припаивается к верхней поверхности кристалла с помощью индия.

Рисунок 3.1 – Конструкция процессоров Zen2 и Zen3,
чиплеты показаны условно

Рисунок 3.2 – Конструкция процессора в разрезе,
сечение выполнено по чиплетам CCD.

Учитывая конструкцию процессора, показанную на рисунках 3.1 и 3.2, получается следующая тепловая схема.

Тепло от полупроводниковых структур распространяется двумя путями:

Тепловая цепь распространения тепла по первому направлению:

Тепловая цепь распространения тепла по второму направлению:

Для расчёта тепловых цепей я принял несколько серьёзных упрощений:

Для вышеуказанных участков тепловой цепи получим следующие характеристики:

Тепловое сопротивление R1 =

Тепловое сопротивление R2 =

Пользуясь свойством электротепловой аналогии, можно рассчитать тепловые потоки и температуру кристалла, заменив тепловую цепь электрической как на рисунке 3.3.

На рисунке 3.3 источник тепловой энергии представлен идеальным источником тока I1, тепловая мощность кристалла 170 Вт – отдаваемым источником током в
170 А. Хорошо видно, что основной тепловой поток мощностью 169 Вт идёт через крышку процессора и лишь около 1 Вт – через шаровые контакты к подложке.

Перегрев кристалла относительно температуры теплоносителя в СЖО составляет 49℃, значит при температуре теплоносителя 30℃ температура кристалла будет 79℃, как показано на рисунке 3.4.

Из приведенных иллюстраций следует, что тепловым потоком, идущим через шаровые контакты к подложке процессора, можно пренебречь.

Рисунок 3.3 – Распределение температурных потоков и перегрев кристалла.

Рисунок 3.4 – Тепловые потоки и температуры.

4 Что с надёжностью?

Показатели надёжности рассчитываются по книге «Расчёт показателей надёжности радиоэлектронных средств» под ред. С.М. Боровикова – Минск: БГУИР, 2010 – 68 с.: ил. Авторы ссылаются на систематизированные и уточнённые данные следующих руководств, справочников и стандартов:

Reliability prediction of electronic equipment: Military Handbook MIL–HDBK–217F. – Washington: Department of defense DC 20301, 1995. – 205 p.;

A universal model for reliability prediction of Electronics components, PCBs and equipment. RDF 2000: reliability data handbook / Paris: UTE C 80-810. 2000. – 99 p.;

Reliability Prediction Model for Electronic Equipment: The Chinese Military/Commercial Standard GJB/z 299B. – Yuntong Forever Sci.-тек. Co. Ltd. China 299B.

Модель прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов, согласно этому источнику:

где λкр – интенсивность отказов ИМС, обусловленная кристаллом, для микропроцессоров;

Kt – коэффициент температурного режима

Ea – энергия активации образования дефектов, для КМОП-ИМС Еа = 0,35 эВ;

Ткр – температура кристалла ИМС;

λкорп – интенсивность отказов ИМС, связанная с отказами корпуса, для герметизированных корпусов λкорп = 2,8∙10-4∙n1,08 ∙10-6 1/ч, для негерметизированных корпусов λкорп = 3,6∙10-4∙n1,08∙10-6 1/ч, где n – число выводов корпуса;

KE – коэффициент эксплуатации, равный для помещений с частичным регулированием климатических условий 1,5;

KQ – коэффициент качества, для коммерческих ИМС KQ=10;

KL – коэффициент продолжительности промышленного производства ИМС (отлаженности техпроцесса), устанавливаемый из условия:

для продолжительности производства L = 1 год KL=1,48.

Поскольку в книге нет данных для 64-разрядных процессоров, но прослеживается закономерность удвоения интенсивности отказов кристалла λкр с удвоением разрядности процессора, я принял λкр = 1,12∙10-6 1/ч;

Для температур в интервале от 25℃ (комнатная температура) до 150℃ (максимальная критическая температура кристалла для кремниевых полупроводниковых приборов) показатели надёжности процессора будут иметь значения, представленные в таблице 4.1

Из таблицы 4.1 видно, что с ростом температуры наработка процессоров на отказ снижается, причём как T0, имеющая физический смысл как срок службы процессора, так и Т95%, показывающая время эксплуатации, в течение которого вероятность безотказной работы процессора будет не ниже 0,95 либо время, в течение которого не менее 95% процессоров будут работоспособны.

При 90℃ ресурс процессора Т0 = 26282 ч (3,0 года) чудесным образом совпадает с гарантийным сроком боксовых процессоров (3 года), что подтверждает правильность проведенных расчётов.

Таблица 4.1 – Показатели надёжности процессора в зависимости от температуры кристалла

T95% – время наработки, при котором 95% процессоров из партии остаются работоспособными;

P(1000 ч) – вероятность безотказной работы в течение 1000 часов.

5 Что в итоге?

5.1 Забудьте о воздушном охлаждении!

Итак, мы видим, что основной проблемой, препятствующей разгону и безотказной работе процессора является температура кристалла процессора. При характерных для Zen2 и Zen3 плотностях тепловых потоков воздушные системы охлаждения подошли к пределу своей эффективности. Тепловые трубки и испарительные камеры начинают свою работу от 50℃ на крышке процессора/основании кулера. Прибавьте к этой температуре рассчитанный в разделе 3 перегрев в 49℃, и получите 99℃ на кристалле…

Ясно, что с таким кулером о разгоне можно забыть и процессор придётся эксплуатировать, в лучшем случае, в номинале. Не стоит забывать, что перегрев рассчитан для идеального кулера, поэтому возможны ситуации, когда и в номинале работа будет под вопросом, а потому придётся ещё сильнее ограничивать процессор, например, отрицательным оффсетом по напряжению и фиксацией максимальных частот.

В утешение любителям воздушных кулеров скажу, что и системы жидкостного охлаждения приблизились к пределу своей эффективности. Особенно хорошо это видно по AIO, которые по своей эффективности недалеко ушли от топовых воздушных кулеров.

5.2 Как можно сильнее понизить Ткр?

5.2.1 Смена термоинтерфейса

Если вы по каким-либо причинам не сменили термопасту на жидкий металл (ЖМ), самое время это сделать. И дело не в том, что ЖМ имеет высокую теплопроводность. Нет, теплопроводность современных паст давно сравнялась с теплопроводностью ЖМ, но в пользу последнего свидетельствуют два обстоятельства:

На этом, к сожалению, все преимущества ЖМ заканчиваются, а недостатков у него гораздо больше:

5.2.2 Тщательный отбор комплектующих для СЖО

Во-первых, водоблок для процессора должен быть медным, а микроканалы ориентированы поперёк чиплетов. Естественно, зона микроканалов должна покрывать всю площадь чиплетов CCD и cIOD.

Во-вторых, медные радиаторы, устанавливаемые в корпус, должны обеспечивать запас по рассеиваемой мощности, которая для 5950х просто бьёт все рекорды. Либо необходимо использовать выносные радиаторы, например, известные среди водянщиков Watercool MO-RA3 360 и Watercool MO-RA3 420, на основе медных трубок и с развитой поверхностью теплообмена. Показательно, что MO-RA3 с алюминиевыми рёбрами даёт фору аналогичным полностью медным радиаторам от других производителей.

В-третьих, в контуре должна стоять производительная помпа, обеспечивающая достаточные расход теплоносителя и давление в системе.

5.2.3 Модификация СЖО с понижением температуры теплоносителя

Учитывая, что по пути от кристалла до теплоносителя системы охлаждения происходят потери, обеспечивающие перегрев на 49℃ относительно основания водоблока, крайне желательно снизить температуру хладагента, тогда и температура кристалла сместится на эту величину в более комфортную для разгона и стабильности сторону. Это значит, что система охлаждения превратится в двухконтурную.

Во внутреннем контуре будет циркулировать антифриз с температурами ниже 0℃, а внешний контур будет охлаждать сам теплоноситель с помощью теплового насоса – элемента Пельтье или «фреонки».

Применение чиллера для теплоносителя накладывает дополнительные требования к теплоизоляции ватерблока и шлангов/трубок с целью недопущения образования на них конденсата (росы).

К сожалению, и охлаждение теплоносителя до отрицательных температур не отменяет такого отрицательного явления как термоциклирование, которое неизбежно происходит в работе процессора. Материалы из которых изготовлен процессор имеют разные коэффициенты теплового расширения, в результате чего в проводниках и диэлектрике образуются трещины, треснуть может и сам кристалл, поскольку он припаян к крышке теплораспределителя с помощью индия…

5.2.4 Скальпирование процессора

Скальпирование 3950х/5950х – это экстремальное мероприятие, поскольку под крышкой этих процессоров и так находится припой. Скальпирование «на холодную» чревато повреждением кристаллов, но даже если подойти к процессу с умом, это может оказаться лишенным всякого смысла.

Смысл скальпирования – укорачивание тепловой цепи путём исключения лишних звеньев. В разделе 3 мы уже заключили, что ветвью теплопередачи от кристалла к подложке процессора можно пренебречь. Давайте ещё раз взглянем на оставшуюся тепловую цепь

Источник