젠 (1세대)

1. 개요

젠(Zen, 1세대)은 AMD가 개발한 마이크로아키텍처로, 코어당 성능 향상에 중점을 두었다. 2012년에 개발이 시작되어 2017년에 출시되었으며, L1 캐시의 write-through 방식을 write-back으로 변경하고, SMT(simultaneous multithreading) 아키텍처를 도입하는 등 여러 개선 사항을 포함한다. 젠 아키텍처는 14nm FinFET 공정으로 제작되었으며, 데스크톱용 라이젠(Ryzen), 서버용 EPYC, 임베디드 프로세서 등 다양한 제품군에 사용되었다.

2. 디자인

AMD에 따르면, 젠(Zen)의 주요 목표는 코어당 성능 향상에 집중하는 것이다.

젠 마이크로아키텍처는 이전 아키텍처에 비해 다음과 같은 주요 개선점을 가지고 있다.

* L1 캐시는 write-through에서 write-back으로 변경되어 대기 시간을 줄이고 대역폭을 높일 수 있다.
* SMT(simultaneous multithreading) 아키텍처는 코어당 두 개의 스레드를 허용하며, 이전 불도저 아키텍처에서 사용된 CMT(clustered multi-thread) 설계를 벗어났다. 이는 이전에 일부 IBM, 인텔, 오라클 프로세서에서 제공된 기능이다.
* 코어당 4개의 ALU, 2개의 AGU/로드-저장 유닛 및 2개의 부동 소수점 유닛.
* 새로 도입된 "대형" 마이크로 연산 캐시.
* 각 SMT 코어는 사이클당 최대 6개의 마이크로 연산(사이클당 6개의 정수 마이크로 연산과 4개의 부동 소수점 마이크로 연산의 조합)을 디스패치할 수 있다.
* L1 및 L2 대역폭이 거의 2배 빨라졌으며, 총 L3 캐시 대역폭은 최대 5배 증가했다.
* 클럭 게이팅.
* 더 큰 은퇴, 로드 및 저장 큐.
* Bobcat 마이크로아키텍처와 유사한 해시된 퍼셉트론 시스템을 사용하는 향상된 분기 예측. AMD 엔지니어 마이크 클라크는 이를 신경망에 비유했다.
* 분기 예측기는 페치 단계와 분리되어 있다.
* 스택 포인터를 수정하기 위한 전용 스택 엔진. 인텔 하스웰 및 브로드웰 프로세서와 유사하다.
* 이동 제거. 전력 소비를 줄이기 위해 물리적 데이터 이동을 줄이는 방법이다.
* DDR4 SDRAM 지원.

모든 Zen 코어는 클럭 사이클당 4개의 명령을 실행할 수 있으며, μOPS 캐시에서 정수, 부동 소수점 스케줄러에 명령을 공급한다. 모든 코어는 2개의 주소 생성 유닛(AGU), 4개의 정수·부동 소수점 유닛(FPU)을 가지며, FPU 중 2기는 덧셈기로, 나머지 2기는 곱셈기로 사용된다. 분기 예측기도 개선되었다. L1 캐시는 코어당 명령용 64KiB, 데이터용 32KiB, L2 캐시는 512KiB, L3 캐시는 코어당 2MiB가 제공된다. L3 캐시는 이전 AMD 설계에 비해 5배의 대역폭을 제공한다.

3. 개발 및 역사

AMD는 2012년 8월 짐 켈러를 재고용한 직후 젠 마이크로아키텍처 개발을 시작했다. 2015년에 젠 아키텍처를 공식적으로 공개했다.

젠 팀은 짐 켈러(3년간 재직 후 2015년 9월 퇴사)와 젠 팀 리더 수잔 플러머가 이끌었다. 젠의 수석 설계자는 AMD 선임 연구원 마이클 클라크였다.

젠은 원래 ARM64 기반의 K12 자매 코어에 이어 2017년에 출시될 예정이었으나, AMD의 2015년 재무 분석가의 날에 K12 개발이 지연되고 젠 설계가 우선시되면서 2016년에 출시될 수 있게 되었다. 첫 번째 젠 기반 프로세서는 2016년 10월에 출시될 것으로 예상되었다.

2015년 11월, AMD 내부 소식통은 젠 마이크로프로세서가 테스트를 거쳤으며 "모든 기대를 충족"했고 "심각한 병목 현상이 발견되지 않았다"고 보고했다.

2015년 12월, 삼성전자가 젠과 AMD의 당시 차세대 폴라리스 GPU 아키텍처를 포함한 AMD의 14nm FinFET 프로세서의 파운드리로 계약을 맺었을 것이라는 소문이 돌았다. 이는 2016년 7월 AMD가 삼성의 14nm FinFET 공정에서 제품을 성공적으로 생산했다고 발표하면서 명확해졌다.

4. 이전 세대 대비 향상점

젠(Zen)은 이전 세대인 불도저 아키텍처에 비해 다음과 같은 주요 개선 사항을 제공한다.

* 캐시 시스템 개선:
* L1 캐시 쓰기 방식이 write-through에서 write-back으로 변경되어 대기 시간과 대역폭이 향상되었다.
* L1 및 L2 캐시 대역폭이 거의 2배 빨라졌으며, 총 L3 캐시 대역폭은 최대 5배 증가했다.
* 새로 도입된 "대형" 마이크로 연산 캐시를 통해 성능을 향상시켰다.
* [[동시 멀티스레딩]](SMT) 도입: 인텔과 오라클 프로세서에서 제공되던 SMT를 도입하여, 코어당 두 개의 스레드를 처리할 수 있게 됨으로써 이전의 CMT(clustered multi-thread) 설계를 개선했다.
* 코어 컴플렉스 (CCX) 구조: 모든 젠 기반 CPU는 4개의 코어와 관련 캐시로 구성된 CCX를 기본 구성 요소로 사용한다. 4개 이상의 코어를 가진 프로세서는 인피니티 패브릭으로 연결된 여러 CCX로 구성된다.
* [[분기 예측]] 개선: Bobcat 마이크로아키텍처와 유사한 해시된 퍼셉트론 시스템을 사용하는 향상된 분기 예측 기능을 도입했다. AMD 엔지니어 마이크 클라크는 이를 신경망에 비유했다.
* [[스택 포인터]] 수정: 스택 포인터를 수정하기 위한 전용 스택 엔진을 탑재하여, 인텔 하스웰 및 브로드웰 프로세서와 유사한 기능을 제공한다.
* 명령어 지원: 인텔 스카이레이크와의 이진 호환성을 위해 다음과 같은 명령어 집합을 지원한다.
* RDSEED: 브로드웰에서 도입된 고성능 하드웨어 난수 생성기 명령어
* SMAP, SMEP, XSAVEC/XSAVES/XRSTORS 및 CLFLUSHOPT
* ADX
* SHA
* CLZERO: 캐시 라인을 지우기 위한 명령어로, ECC 관련 머신 검사 예외를 처리하는 데 유용하다.
* 페이지 테이블 항목 병합: PTE(페이지 테이블 항목) 병합을 통해 4kB 페이지 테이블을 32kB 페이지 크기로 결합한다.
* 전력 관리:
* "퓨어 파워": 더 정확한 전력 모니터링 센서를 통해 전력 효율을 높였다.
* 인텔 스타일의 런닝 평균 전력 제한(RAPL) 측정 지원.
* 스마트 프리페치: 데이터 접근 속도를 높이는 스마트 프리페치 기능을 제공한다.
* 정밀 부스트: 부하에 따라 클럭 속도를 조절하는 정밀 부스트 기능을 제공한다.
* XFR (eXtended Frequency Range): 광고된 터보 주파수 이상으로 클럭 속도를 높이는 자동 오버클럭 기능이다.

4.1. 제조 공정

젠 기반 프로세서는 14nm FinFET 실리콘을 사용한다. 이 프로세서는 글로벌파운드리스에서 생산되는 것으로 알려졌는데, 글로벌파운드리스는 삼성전자로부터 14nm 공정을 라이선스 받았다. 이는 이전 AMD FX CPU 및 AMD APU의 32nm 및 28nm 공정보다 더 높은 효율성을 제공한다.

4.2. 성능

젠의 주요 목표 중 하나는 코어당 성능에 집중하는 것이었으며, 이전 세대인 엑스카베이터에 비해 클럭당 명령어 처리 횟수(IPC)를 40% 향상시키는 것을 목표로 했다. 엑스카베이터는 이전 모델에 비해 4~15%의 성능 향상을 보였다. 젠은 목표치를 상회한 52%의 IPC 성능 향상을 이루어냈다. 젠은 또한 동시 멀티스레딩(SMT)을 지원하여 각 코어가 최대 두 개의 스레드를 처리할 수 있게 함으로써 가용 자원을 더 잘 활용하고 처리량을 증가시켰다.

AMD는 8코어/16스레드 젠 프로세서가 동일 클럭의 인텔 브로드웰-E 프로세서보다 블렌더 렌더링 및 핸드브레이크 벤치마크에서 더 뛰어난 성능을 보인다는 것을 시연했다.

젠은 AVX2를 지원하지만, 각 AVX2 명령을 완료하는 데 인텔의 경우보다 두 클럭 사이클이 필요하다.

4.3. 메모리

젠 아키텍처를 사용한 APU는 고대역 메모리(HBM)를 지원한다. 이전의 AMD APU는 비디오 메모리에 전통적으로 DDR3 RAM을 공유했지만, 젠은 최대 옥타 채널 DDR4 메모리를 지원한다.

4.4. 전력 소비 및 발열

AMD 젠(Zen) 마이크로아키텍처는 이전 세대보다 향상된 전력 효율성을 제공한다. 젠 아키텍처를 사용하는 모든 프로세서는 글로벌파운드리스의 14nm FinFET 공정으로 제조되어, 28nm 및 32nm 비 FinFET 공정을 사용한 이전 프로세서에 비해 전력 소비와 발열이 감소했다. 이는 동일한 전력 소비에서 더 높은 성능을 제공하거나, 동일한 성능에서 더 낮은 전력 소비를 가능하게 한다.

젠 프로세서는 또한 사용되지 않는 코어 부분의 클럭 속도를 낮추는 클럭 게이팅 기술을 사용하여 전력 소비를 더욱 줄인다. 이는 칩 전체에 내장된 센서를 통해 주파수와 전압을 동적으로 조절하는 "SenseMI" 기술로 구현된다.

4.5. 보안 및 가상화 지원 강화

젠은 AMD의 SME(Secure Memory Encryption, 보안 메모리 암호화) 및 SEV(Secure Encrypted Virtualization, 보안 암호화 가상화)를 지원한다. SME는 페이지 테이블 항목별로 실시간 메모리 암호화를 수행한다. 암호화는 하드웨어 AES 엔진에서 발생하며, 부팅 시 온보드 "보안" 프로세서(ARM Cortex-A5)에 의해 관리되는 키를 사용하여 각 페이지를 암호화한다. 이를 통해 모든 DDR4 메모리(비휘발성 종류 포함)를 암호화할 수 있으며, 메모리 스누핑 및 콜드 부팅 공격에 대한 메모리 내용을 더 안전하게 보호한다.

SEV 기능을 사용하면 가상 머신(VM)의 메모리 내용을 게스트 VM에 고유한 키로 투명하게 암호화할 수 있다. 메모리 컨트롤러에는 시스템의 서로 다른 VM에서 사용할 수 있도록 여러 키로 프로그래밍할 수 있는 고성능 암호화 엔진이 포함되어 있다. 이러한 키의 프로그래밍 및 관리는 AMD 보안 프로세서 펌웨어가 제공하는 API를 통해 처리된다.

4.6. 연결성

젠 CPU는 사우스브리지의 많은 부분을 SoC에 통합하여 SATA, USB, PCI Express NVMe 링크를 포함한다. 이는 추가적인 SATA 및 USB 연결을 포함하는 연결 옵션을 추가하고 AMD의 크로스파이어 및 Nvidia의 SLI를 지원하는 사용 가능한 소켓 AM4 칩셋으로 보강될 수 있다.

5. 제품군

젠(Zen) 마이크로아키텍처는 라이젠 CPU, 서버용 EPYC 프로세서, 그리고 APU에 사용된다.

5.1. 데스크톱 프로세서

젠(Zen) 마이크로아키텍처를 기반으로 하는 AMD의 데스크톱 프로세서는 크게 라이젠(Ryzen)과 라이젠 스레드리퍼(Ryzen Threadripper) 브랜드로 나뉜다. 라이젠은 메인스트림 및 퍼포먼스 사용자를 대상으로 하며, 라이젠 스레드리퍼는 하이엔드 데스크톱(HEDT) 사용자를 대상으로 한다.

라이젠 프로세서는 다양한 세그먼트로 출시되었다.

각 모델에 대한 자세한 정보는 하위 섹션에서 확인할 수 있다.

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통합 그래픽을 탑재한 라이젠 APU는 모델명에 'G' 또는 'GE' 접미사가 붙는다.

5.1.1. 라이젠

라이젠(Ryzen)은 젠 마이크로아키텍처를 기반으로 하는 AMD의 CPU 브랜드이다. 2016년 12월에 처음 발표되었으며, 2017년 3월 2일에 첫 번째 제품군(라이젠 7)이 출시되었다.

라이젠 1000 시리즈 데스크톱 CPU의 일반적인 특징은 다음과 같다.
* 소켓: AM4
* 듀얼 채널 DDR4-2666 지원
* 24개 PCIe 3.0 레인 지원 (4개는 칩셋 연결용)
* 통합 그래픽 없음
* L1 캐시: 코어당 96KB (데이터 32KB + 명령어 64KB)
* L2 캐시: 코어당 512KB
* 글로벌파운드리스 14LP 공정

라이젠 1000 HEDT(High-End Desktop, 고성능 데스크톱) CPU의 일반적인 특징은 다음과 같다.
* 소켓: TR4
* 쿼드 채널 DDR4-2666 지원
* 64개 PCIe 3.0 레인 지원 (4개는 칩셋 연결용)
* 통합 그래픽 없음
* L1 캐시: 코어당 96KB (데이터 32KB + 명령어 64KB)
* L2 캐시: 코어당 512KB
* 글로벌파운드리스 14LP 공정



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5.1.2. 라이젠 프로

라이젠 프로 1000 시리즈 데스크탑 CPU의 일반적인 특징은 다음과 같다.

* 소켓: AM4
* 모든 CPU는 듀얼 채널 모드에서 DDR4-2666을 지원한다.
* 모든 CPU는 24개의 PCIe 3.0 레인을 지원한다. 4개의 레인은 칩셋에 대한 링크로 예약되어 있다.
* 통합 그래픽 없음.
* L1 캐시: 코어당 96 KB (32 KB 데이터 + 64 KB 명령어).
* L2 캐시: 코어당 512 KB.
* 글로벌파운드리스 14LP 노드/제조 공정
* 안전 부팅 및 센스MI 지원

5.2. 서버 프로세서

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AMD는 2017년 3월, 젠 기반의 서버 플랫폼을 연내 2분기에 출시할 것이라고 발표했으며, 코드명은 나폴리였다. 이 플랫폼은 1소켓 및 2소켓 시스템을 포함한다. 멀티 프로세서 구성의 CPU는 AMD의 인피니티 패브릭을 통해 통신한다. 각 칩은 8개의 메모리 채널과 128개의 PCIe 3.0 레인을 지원하며, 듀얼 프로세서 구성으로 설치된 경우 64개의 레인은 인피니티 패브릭을 통한 CPU 간 통신에 사용된다. AMD는 2017년 5월에 나폴리를 Epyc이라는 브랜드로 공식 공개했다.

2017년 6월 20일, AMD는 텍사스주 오스틴에서 출시 행사를 통해 Epyc 7000 시리즈 CPU를 공식 출시했다.

5.3. 임베디드 프로세서

AMD는 2018년 2월에 임베디드 젠 CPU인 EPYC 3000 시리즈를 발표했다.