AMD Ryzen 프로세서 최적화를 통한 성능 극대화

목차

1. 소개
2. Zen 2 아키텍처 프로세서 2.1. Ryzen 4000 시리즈 모바일 프로세서 2.2. Ryzen 3000 시리즈 메인스트림 데스크탑 프로세서 2.3. Ryzen 3000 시리즈 하이엔드 데스크탑 프로세서 2.4. Xbox Series X와 Xbox Series S의 Zen 2 프로세서
3. 동시 멀티스레딩 3.1. 동시 멀티스레딩 개념 3.2. Zen 2에서의 동시 멀티스레딩 3.3. SMT 비활성화와 메뉴 옵션
4. 리소스 공유 4.1. 리소스 공유 정의 4.2. 리소스 공유 방식
5. 명령어 집합 5.1. Zen 2의 명령어 집합 5.2. Zen 2에서는 지원되지 않는 명령어 5.3. 소프트웨어 프리페치
6. 캐시와 메모리 6.1. Zen 2 아키텍처의 캐시 구조 6.2. 프리페치 수준
7. Zen 2 프로세서 구조 7.1. Ryzen 4000 시리즈 모바일 프로세서 7.2. Ryzen 3000 시리즈 메인스트림 데스크탑 프로세서 7.3. Ryzen 3000 시리즈 하이엔드 데스크탑 프로세서
8. Zen 3 아키텍처 프로세서 8.1. Zen 3의 개선 사항 8.2. Zen 3에서의 리소스 공유 변경 8.3. Zen 3에서의 명령어 변경
9. Zen 3 프로세서 구조 9.1. Ryzen 5000 시리즈 메인스트림 데스크탑 프로세서 9.2. Zen 3 아키텍처의 캐시 구조
10. 최적화를 위한 모범 사례 10.1. 콘텐츠 점검 10.2. 현대적인 동기화 API 사용 10.3. 거짓 공유 방지 10.4. 하드웨어 프리페치에 맞는 데이터 접근 패턴
11. 성능 테스트 및 스케일링 11.1. 게임 엔진 별 스케일링 테스트 11.2. 성능 문제 식별을 위한 프레임 타임 분석 11.3. 엔터프라이즈 애플리케이션의 스레드 수 최적화
12. 기타 팁과 권장 사항 12.1. 로깅 감소 12.2. 배치 크기 조정 12.3. 리소스 공유 개선을 위한 스레드 위치 조정 12.4. 최적의 스레드 개수 설정하기
13. 마무리
14. 참고 자료

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Zen 2 아키텍처 프로세서

Zen 2 아키텍처 프로세서는 다양한 형태로 존재합니다. AMD Ryzen 4000 시리즈 모바일 프로세서인 'Renoir'은 8개의 강력한 코어를 제공하며, 15 와트의 전력으로 가벼운 노트북에서 사용하기에 이상적입니다. 또한, AMD Ryzen 3000 시리즈 메인스트림 데스크탑 프로세서인 'Matisse'는 게이밍 및 일반적인 작업에 최적화된 16 코어를 제공합니다. 마지막으로, AMD Ryzen 3000 시리즈 하이엔드 데스크탑 프로세서인 'Castle Peak'은 64개의 코어로 디지털 콘텐츠 제작 및 소프트웨어 개발에 필요한 성능을 제공합니다. 또한 Xbox Series X와 Xbox Series S에 사용되는 커스텀 디자인 프로세서도 Zen 2 아키텍처를 기반으로 하며, CPU와 RDNA 2 그래픽 아키텍처를 결합하여 높은 성능을 제공합니다.

동시 멀티스레딩

동시 멀티스레딩 개념

동시 멀티스레딩은 고성능 코어에 남은 공백 시간을 추가 하드웨어 스레드로 채우는 개념입니다. 각 하드웨어 스레드는 독립적인 프로그램 카운터와 레지스터 세트를 가지고 있지만 코어 리소스를 공유합니다. 따라서 아키텍처별로 대역폭과 지연 시간을 고려하여 최적화 작업을 수행할 수 있습니다.

Zen 2에서의 동시 멀티스레딩

Zen 2 아키텍처는 2-way SMT를 지원하며 단일 스레드 또는 이중 스레드 모드에서 실행될 수 있습니다. 프로그램 스레드 선택은 분기 예측 동안에 발생하며 일반적으로 round Robin 스케줄링을 사용합니다. 이중 스레드 모드에서는 코어 내의 일부 리소스가 공유되는 동안 코어는 이중 스레드 모드로 실행됩니다. 하지만 코어의 논리적인 프로세서 중 하나가 운영 체제의 idle 스레드를 실행한다면 코어는 단일 스레드 모드로 전환될 수 있습니다. SMT 비활성화 및 메뉴 옵션을 통해 시스템 내의 논리적인 프로세서 수를 줄이고 코어가 단일 스레드 모드로만 작동하도록 설정할 수 있습니다.

리소스 공유

리소스 공유는 요구 시 리소스 항목을 할당하는 방식을 의미합니다. 경쟁 공유, 워터마크 및 정적 파티션으로 리소스 항목을 관리할 수 있습니다. 대부분의 리소스는 경쟁 공유되지만, 일부 리소스(예: 실수 계산 및 메모리 요청 버퍼)는 워터마크 방식으로 할당됩니다. 또한 Op Queue, Store Queue 및 Retire Queue는 정적 파티션 방식으로 관리됩니다. 경량 스레드 애플리케이션은 주로 코어가 단일 스레드 모드로 작동할 때 가장 잘 실행되며 리소스 공유를 줄이는데 도움이 됩니다. Zen 2의 명령어 집합은 단일 스레드 또는 이중 스레드 모드와 관계없이 동일합니다.

명령어 집합

Zen 2 아키텍처는 명령어 집합을 업데이트하여 Cache Line Write Back 및 Write Back No Invalidate 명령어를 추가했습니다. 벡터화된 명령어는 부동 소수점 스케줄러와 실행 유닛을 사용합니다. AMD와 Intel 프로세서의 결과 처리는 상호 이진 호환성이 없을 수 있습니다. 그러나 양사는 ISA(Instruction Set Architecture)에 대한 호환성을 보장합니다. 고려해야 할 사항은 Zen 2가 AVX-512 또는 AMX 명령어를 지원하지 않는다는 점입니다. 소프트웨어 프리페치 명령어는 지정된 메모리 주소에서 캐시 라인을 데이터 캐시 레벨(T0, T1, T2 또는 NTA)에 로드하는 역할을 합니다. 이 명령어는 구현에 따라 다를 수 있으며 Zen 1, Zen 2 및 Zen 3을 위한 정책이 서로 다를 수 있습니다. Zen 2에서는 T0, T1 및 T2 수준의 프리페치가 동일하게 동작하지만, NTA 수준의 프리페치는 빠른 페이지 유효성 해제를 위해 L2에서 쉽게 삭제되며 L3로 들어가지 않습니다. Zen 2에서 메모리 오류가 감지된다면 해당 명령어는 무시됩니다. 연결된 데이터 구조에서 캐시 미스가 발생하는 경우 소프트웨어 프리페치를 사용하면 성능이 개선될 수 있습니다. 그러나 이 때 다른 스레드의 워킹 셋이 공유 캐시에서 제거될 수 있으므로 주의가 필요합니다.

Zen 2 프로세서 구조

Zen 2 아키텍처의 프로세서 구조는 다음과 같이 요약될 수 있습니다.

1. Ryzen 4000 시리즈 모바일 프로세서: Renoir
2. Ryzen 3000 시리즈 메인스트림 데스크탑 프로세서: Matisse
3. Ryzen 3000 시리즈 하이엔드 데스크탑 프로세서: Castle Peak

각 프로세서는 고유한 특징을 가지고 있으며, 사용 목적에 따라 선택할 수 있습니다.

Zen 3 아키텍처 프로세서

Zen 3 아키텍처 프로세서는 Zen 2 대비 19%의 데스크탑 IPC 성능 향상을 제공하며, 빠른 캐시 간 전송을 위한 통합 8코어 클러스터, 2배로 확장된 L3 캐시 용량, 개선된 로드 스토어 유닛, 더 넓은 이중 스타 데이터 및 정수 엔진, 향상된 SMT 공정, 그리고 새로운 암호화 명령어를 특징으로 합니다. Zen 3에서 리소스 공유 변경은 정수 스케줄러, 정수 레지스터 파일 및 로드 큐에서 경쟁 공유에서 워터마크 방식으로 변경되어 SMT 공정 개선에 도움이 되었습니다. Zen 3에서의 명령어 변경 사항은 벡터화 AES 및 벡터화 캐리 리스 멀티플라이 명령어, 병렬 비트 추출 및 비트 삽입 명령어 등이 포함되어 있습니다. Zen 3는 AVX-512 또는 AMX 명령어를 지원하지 않으며, Ryzen 5000 시리즈 메인스트림 데스크탑 프로세서인 'Vermeer'는 32MB의 대용량 L3 캐시를 갖추고 있습니다.

Zen 3 프로세서 구조

Zen 3 아키텍처의 프로세서 구조를 살펴보겠습니다.

1. Ryzen 5000 시리즈 메인스트림 데스크탑 프로세서: Vermeer

Vermeer 프로세서는 각각 8코어 클러스터를 가지고 있으며, 큰 L3 캐시 용량을 통해 고성능 캐시 히트 비율을 개선합니다.

최적화를 위한 모범 사례

성능을 최적화하기 위한 여러 가지 모범 사례를 살펴보겠습니다.

1. 콘텐츠 점검: 프로파일링을 위해 아티스트로부터 관심있는 장면을 추천받을 수 있습니다.
2. 현대적인 동기화 API 사용: AMD의 MWAIT X 명령어를 효율적으로 사용하는 현대적인 동기화 API를 사용하면 기다리는 동안 효율적으로 대기할 수 있습니다.
3. 거짓 공유 방지: 거짓 공유 문제를 발견하고 수정하는 것은 성능 개선에 큰 도움이 됩니다.
4. 하드웨어 프리페치에 맞는 데이터 접근 패턴: 하드웨어 프리페치어에 적합한 데이터 접근 패턴을 사용하면 성능을 향상시킬 수 있습니다.

성능 테스트 및 스케일링

게임 엔진 및 애플리케이션의 성능 테스트 및 스케일링에 대한 정보입니다.

1. 게임 엔진 별 스케일링 테스트: 게임 엔진은 GPU, CPU, 메모리 등 시스템 구성에 따라 성능이 달라질 수 있습니다.
2. 프레임 타임 분석을 통한 성능 문제 식별: 프레임 타임의 백분위수를 분석하여 평균 값 이상의 성능 문제를 식별할 수 있습니다.
3. 스레드 수 최적화를 위한 테스트: 애플리케이션의 성능을 확인하고 최적의 스레드 개수를 설정할 수 있습니다.

기타 팁과 권장 사항

일부 애플리케이션에서 스레드 수가 증가함에 따라 성능이 저하되는 경우를 위한 팁과 권장 사항입니다.

1. 로깅 감소: 로깅을 최소화하고 병렬 워커 스레드 내에서 로깅을 최소화하는 것이 좋습니다.
2. 배치 크기 조정: 배치 크기를 조정하여 페이지 충돌을 최소화하는 것이 좋습니다.
3. 스레드 위치 조정: 핫 스레드를 다른 마지막 레벨 캐시에 연결된 코어로 이동시키는 것이 성능 향상에 도움이 될 수 있습니다.
4. 최적의 스레드 개수 설정: 각 애플리케이션에 맞는 최적의 스레드 개수를 설정하는 것이 중요합니다.

마무리 이 문서를 통해 Zen 2와 Zen 3 아키텍처 프로세서에 대한 기본적인 이해와 최적화를 위한 모범 사례를 알아보았습니다. AMD의 프로세서를 최대한 효과적으로 활용하여 성능을 극대화할 수 있습니다. 개발자들이 AMD 프로세서를 사용하여 빠르고 효율적인 애플리케이션을 개발하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

참고 자료

• AMD Zen 2 및 Zen 3 소프트웨어 최적화 가이드: developer.amd.com
• Open Source 그래픽스 성능 향상을 위한 AMD GPUOpen 효과, SDK, 도구 및 튜토리얼: gpuopen.com