Seite 3: Fertigung und Effizienz

AMD verglich auf der ISSCC das Quad-Core-Design eines RYZEN-Prozessors mit einem Quad-Core-Design eines Kaby-Lake-Prozessors von Intel. Während dieser Block bei AMD rund 44 mm² groß sein soll, sind es bei Intel 49 mm². Diese 11 Prozent Unterschied klingen zunächst nach nicht viel, können für die Fertigung und die Fertigungskosten aber entscheidend sein. Natürlich lassen sich CPU-Kerne nicht Eins-zu-eins vergleichen, alleine schon aufgrund des Aufbaus und des verwendeten Caches sind hier Unterschiede vorhanden. AMD scheint es aber geschafft zu haben, die Strukturen enger zu packen, als dies bei Intel der Fall ist.

Vergleich zwischen Zen und Kaby Lake
Architektur: AMD ZEN Intel Kaby Lake
Fertigung: 14 nm 14 nm
Kerne/Threads: 4 Kerne / 8 Threads 4 Kerne / 8 Threads
Fläche: 44 mm² 49 mm²
L2-Cache:  512 kB
1,5 mm²/Kern
256 kB
0,9 mm²/Kern
L3-Cache:  8 MB
16 mm²
8 MB
19,1 mm²
CCP:  78 nm 70 nm
Fin Pitch:  48 nm 42 nm
Metal Pitch:  64 nm 52 nm
Standard 6t SRAM: 0,0806 mm² 0,0588 mm²
Metal Layers: 12 13

Konkret verglichen wird ein Quad-Core von Intel auf Basis von Kaby Lake. Intel verwendet einen 256 kB großen L2-Cache, hinzu kommen 8 MB L3-Cache. AMD verwendet in einem CPU Complex (CCX) 512 kB L2-Cache Pro Kern und ebenfalls 8 MB L3-Cache über die vier Kerne hinweg. Den L3-Cache kann AMD mit 16 mm² kompakter aufbauen, als dies Intel mit 19,1 mm² gelungen ist. Auch der doppelt so große L2-Cache ist mit 1,5 mm² dichter gepackt als bei Intel mit 0,9 mm².

Neben der reinen Größe des Chips spielen auch noch weitere Faktoren eine Rolle. So verwendet AMD offenbar nur zwölf Metal-Layer, während es bei Intel 13 sind. Auch dies kann die Fertigungskosten reduzieren und zeigt, wie effektiv die Zen-Architektur offenbar hinsichtlich der Fertigung ist. Während Intel ein eigenes Fertigungsverfahren in 14 nm verwendet (14FF+), hat AMD bzw. GlobalFoundries das 14LLP-Verfahren von Samsung lizensiert.

Die Zen-Architektur soll hinsichtlich der Effizienz in einem Taktbereich von 1,5 bis 4,0 GHz sauber skalieren und wird es AMD auch möglich machen nicht nur möglichst effiziente High-End-Desktop-Prozessoren anzubieten, sondern auch Notebooks-CPUs oder APUs, die passiv gekühlt werden können. Laut Lisa Su, CEO bei AMD, befinden sich die ersten mobilen Prozessoren bereits in den Tests und zeigen gute Ergebnisse.

Insgesamt spricht AMD von einer Effizienzsteigerung um 270 % gegenüber Vorgänger-Architekturen: 129 % sollen dabei durch die Architektur erreicht worden sein, 70 % durch die FinFET-Fertigung, 40 % durch Pure Power und 31 % durch das physikalische Design. Auf die Details zu Pure Power gehen wir auf der nächsten Seite noch etwas genauer ein.

4,8 Milliarden Transistoren auf 195 mm²

Auf der Keynote des AMD RYZEN Tech Day verriet AMD die Anzahl der Transistoren eines RYZEN-7-Prozessors: 4,8 Milliarden sollen es sein. Die oben in der Tabelle veröffentlichten Zahlen und die von AMD veröffentlichten Dieshots lassen nun eine Berechnung der Chipgröße zu. Diese dürfte knapp unter 200 mm² liegen, errechnet haben wir 195 mm². Vergleicht man dies nun mit einem Broadwell-EP-Prozessor, kommt dieser auf 246 mm² bei einer Transistorenanzahl von 3,1 Milliarden.

Damit ist ein RYZEN-7-Prozessor zwar deutlich kleiner als ein ebenfalls mit acht Kernen ausgestatteter Broadwell-EP, besitzt aber auch deutlich mehr Transistoren, was die Packdichte der Fertigung der Architektur durch GlobalFoundries noch einmal unterstreicht.

Durch den Aufbau der Zen-Architektur verhindert AMD einen Großteil des Overheads, den man in Vorgänger-Architekturen noch mitschleppen musste. Dies sorgt zum einen für den Zugewinn an Leistung pro Takt. Die Instruktionen pro Takt (IPC) sind eine Größenordnung, die AMD im Zusammenhang mit der Zen-Architektur gerne anführt. Angepeilt war eine Steigerung um 40 % Excavator, letztendlich erreicht haben will man 52 %. Auf dem RYZEN Tech Day wurden aber leicht andere Zahlen präsentiert.

So tauchten im Kleingedruckten Angaben wie die besagten +52 % gegenüber der Piledriver-Architektur auf. Gegenüber Excavator sollen es sogar +64 % sein. Ermittelt hat AMD diese Werte laut eigenen Angaben im Cinebench R15 1t und SPECint06, wobei die Prozentzahlen sich ausschließlich auf SPECint06 beziehen. Im Cinebench R15 1t sind es dann laut AMD +76 % gegenüber Piledriver und +58 % gegenüber Excavator. Aber dies sind nur sehr isolierte Angaben eines bestimmten Leistungswertes, der von AMD aber gerne herausgestellt wird und der auch den Fokus bei der Entwicklung der Zen-Architektur wiederspiegeln soll.