La arquitectura Zen 4 de los Ryzen 7000 de AMD, explicada: este es su plan para liderar en rendimiento monohilo

La próxima generación de microprocesadores de AMD para ordenadores de sobremesa está en camino. Hace dos días Lisa Su, la directora general de esta compañía, aprovechó el inicio del Computex, que se está celebrando esta semana en Taipei (Taiwán), para dar a conocer algunas de las características que tendrán los procesadores Ryzen 7000. Y pintan realmente bien.

Los Ryzen 5000 han dejado el pabellón muy alto, y, además, Intel ha pisado el acelerador a fondo en términos de rendimiento global con sus procesadores Core de 12ª generación con microarquitectura Alder Lake. Dadas las circunstancias es evidente que AMD no puede permitirse dar un paso en falso. Y si nos ceñimos a lo que sabemos acerca de la microarquitectura Zen 4 parece que no lo va a dar.

Aún hay muchos detalles acerca de los procesadores Ryzen 7000 que no conocemos, pero AMD ha desvelado la información que necesitamos para formarnos una idea bastante precisa acerca de qué es lo que nos proponen. Y una de las mejoras más importantes que, en teoría, llegará de la mano de estos chips es un incremento del rendimiento en aplicaciones monohilo de más del 15%. Así es como AMD planea plantear batalla a sus competidores.

Los procesadores Ryzen 7000 frente a sus predecesores

Los 'chiplets' continúan, pero llega la fotolitografía de 5 nm

AMD ha tomado muchas buenas decisiones durante la puesta a punto de las generaciones de procesadores Ryzen que ha colocado en el mercado, y una de ellas ha consistido en apostar por la implementación de chiplets. Esta estrategia requiere dividir la lógica que hasta no hace mucho los fabricantes de procesadores aglutinaban en un único chip en varios circuitos integrados diferentes que quedan empaquetados en un único encapsulado. Esto quiere decir, sencillamente, que cuando retiramos el disipador que recubre la placa de circuito impreso del procesador quedarán expuestos varios chips, y no solo uno.

Hay dos tipos de chiplets: IOD (Input Output Die) y CCD (Core Complex Die). Los CCD incorporan los núcleos y el subsistema de memoria caché, entre otros elementos esenciales de la CPU, mientras que el IOD contiene la lógica de acceso a la memoria principal y se encarga de la interconexión de los CCD y de la comunicación con el chipset de la placa base. En los microprocesadores Ryzen 5000 los CCD se fabrican utilizando fotolitografía FinFET de 7 nm, pero el IOD se produce mediante tecnología de integración de 12 nm.

Los próximos Ryzen 7000 mantendrán este mismo esquema de organización, pero la fotolitografía que utilizará TSMC en su fabricación será más avanzada. De hecho, el CCD será producido empleando la misma tecnología de integración de 5 nm que este fabricante de semiconductores ya está usando para producir chips para Apple o Huawei, entre otras compañías, y el IOD utilizará la tecnología de integración de 6 nm. La introducción de fotolitografías más avanzadas contribuirá a incrementar el rendimiento por vatio de los Ryzen 7000, pero este es solo uno de los ingredientes de la receta.

El otro ingrediente fundamental de los futuros Ryzen 7000 es su microarquitectura. Todavía no conocemos muchos detalles importantes acerca de Zen 4, como, por ejemplo, qué mejoras introducirá en los algoritmos de predicción de bifurcaciones del código, qué innovaciones implementará en el cauce de ejecución o cómo resolverá la administración de los múltiples subniveles de memoria caché, entre muchas otras decisiones de diseño en las que posiblemente los Ryzen 7000 se desmarcarán de sus predecesores, los Ryzen 5000.

Sin embargo, lo que AMD ya ha desvelado es que los gráficos integrados que nos propondrán algunos procesadores de la familia Ryzen 7000 estarán diseñados tomando como punto de partida la microarquitectura RDNA 2. Esta es la misma base tecnológica sobre la que se erigen las GPU de la familia Radeon RX 6000, por lo que a priori parece el camino a seguir. No obstante, esto no es todo.

También sabemos que los ingenieros de AMD han rediseñado los bloques funcionales de la CPU y los algoritmos que están directamente involucrados en el procesado de los hilos de ejecución (threads) en los que debe prevalecer el mínimo consumo posible, y no tanto alcanzar las máximas prestaciones. Incrementar el rendimiento es fundamental, pero también lo es mantener el consumo y el nivel de disipación de energía térmica de la CPU bajo control. Y es evidente que con estas decisiones los técnicos de AMD parecen estar decididos a no dejar ningún cabo suelto.

En Zen 4 la caché de nivel 2 es el doble de grande que en Zen 3

El impacto que tiene el subsistema de memoria caché en las prestaciones globales de un microprocesador es profundo. Importa la política de planificación de la información que se va a almacenar en los distintos subniveles de caché, pero también importa su tamaño. Y en este terreno los Ryzen 7000 van a dar un paso firme hacia delante al duplicar la capacidad de la caché de nivel 2. De este modo cada núcleo tendrá a su disposición en Zen 4 una caché L2 de 1 MB, mientras que en Zen 3 cada uno de ellos contaba 'solo' con 512 KB.

Lo que AMD todavía no ha confirmado es cómo implementará la caché de nivel 3 de los Ryzen 7000, pero podemos estar razonablemente seguros de que algunos de estos procesadores, probablemente los más ambiciosos, apostarán por la tecnología 3D V-Cache. Hace poco más de un mes analizamos a fondo el chip Ryzen 7 5800X3D, que es el primero de esta marca para equipos de sobremesa que implementa esta innovación, y nos dejó un sabor de boca estupendo en nuestro banco de pruebas.

La tecnología 3D V-Cache ya ha sido utilizada por AMD en algunas de sus soluciones profesionales, como los procesadores EPYC para centros de datos. A grandes rasgos hace posible el apilado de chiplets, de manera que en vez de colocarse uno al lado del otro se emplazan uno encima del otro. De esta forma es posible incrementar notablemente la capacidad de la memoria caché de nivel 3, y, además, la latencia de este subsistema se reduce. Por el momento solo es una especulación, pero es probable que algunos procesadores Ryzen 9 y 7 de la familia 7000 se apoyen en esta tecnología.

Ir más allá de los 5 GHz es crucial para incrementar el rendimiento monohilo

En los primeros párrafos de este artículo he mencionado que AMD ha hecho pública su intención de que los procesadores Ryzen 7000 incrementen en más de un 15% su rendimiento en aplicaciones monohilo. Si en un escenario de uso real arrojan este aumento de la productividad su rendimiento en aplicaciones multihilo también se verá notablemente incrementado.

En cualquier caso, además de las aportaciones que hará la microarquitectura Zen 4, que sin duda serán importantes, también es crucial incrementar la frecuencia de reloj máxima que son capaces de alcanzar los núcleos que aglutinan los CCD. AMD asegura que sus próximos procesadores podrán trabajar a una frecuencia de reloj máxima superior a los 5 GHz.

De hecho, en uno de los vídeos que ha publicado aparece un prototipo de un posible Ryzen 9 de la serie 7000 trabajando a 5,5 GHz. El Ryzen 9 5950X que podemos comprar actualmente es capaz de trabajar a una frecuencia de reloj máxima de 4,9 GHz, y esos 600 MHz adicionales sumados a las mejoras introducidas por la microarquitectura Zen 4 nos invitan a prever que, efectivamente, el incremento del 15% en aplicaciones monohilo que nos promete AMD es factible.

Con el zócalo AM5 llegarán las memorias DDR5 y la interfaz PCIe 5.0

El zócalo AM4 que ha acompañado a las últimas generaciones de microprocesadores de AMD tiene las horas contadas. Y es que los Ryzen 7000 llegarán de la mano de una nueva plataforma conocida como AM5, y su protagonista será un nuevo zócalo de tipo LGA que contará con una interfaz de 1718 contactos. Esta interfaz mecánica será compatible con procesadores que tendrán un TDP máximo de 170 vatios, y, obviamente, nos obligará a cambiar la placa base de nuestro PC si queremos hacernos con uno de los nuevos Ryzen 7000.

No obstante, la adopción de esta nueva plataforma llegará de la mano de la introducción de las memorias DDR5 y la interfaz de conexión PCI Express 5.0. Además, junto a sus nuevos procesadores AMD lanzará tres chipsets diferentes: el X670 Extreme, que será la solución que nos propondrán las placas base prémium con ranuras para dos tarjetas gráficas; el X670, por el que apostarán las placas base de gama alta; y, por último, el B650, que será el que incorporarán las placas base de gama media. La llegada de los procesadores Ryzen 7000 a finales de este año nos promete una recta final de 2022 de lo más emocionante.