深入了解AMD Ryzen处理器架构优化

目录

1. 准备工作
   • 1.1 欢迎和介绍
   • 1.2 演讲人简介
2. Zen 2 架构处理器
   • 2.1 Zen 2 架构产品系列
     • 2.1.1 Ryzen 4000 系列移动处理器
     • 2.1.2 Ryzen 3000 系列主流台式机处理器
     • 2.1.3 Ryzen 3000 系列高端台式机处理器
   • 2.2 Xbox Series X 和 Xbox Series S 的定制设计处理器
     • 2.2.1 Zen 2 CPU 架构
     • 2.2.2 RDNA 2 图形架构
3. Zen 3 架构处理器
   • 3.1 Zen 3 架构的新特性
     • 3.1.1 单一的 8 核集群
     • 3.1.2 更大的 L3 缓存
     • 3.1.3 改进的加载存储单元
   • 3.2 Zen 3 架构的资源共享变化
     • 3.2.1 整数调度器、整数寄存器文件和加载队列
     • 3.2.2 指令集的改变
4. Zen 2 和 Zen 3 架构中的缓存优化
   • 4.1 Zen 2 架构中的缓存细节
   • 4.2 Zen 3 架构中的缓存细节
5. 最佳实践
   • 5.1 审查内容
   • 5.2 使用现代同步 API
   • 5.3 避免虚假共享
   • 5.4 优化数据访问模式与硬件预取
   • 5.5 使用软件预取指令
   • 5.6 测试应用程序的可扩展性
6. 性能优化技巧
   • 6.1 减少记录详细程度
   • 6.2 设置最小批处理大小
   • 6.3 减少工作线程数
   • 6.4 将热线程分配到不同的缓存中
7. 结语
   • 7.1 更多资源
   • 7.2 感谢与期待

2. Zen 2 架构处理器

Zen 2 架构处理器是 AMD 的一系列产品，包括 Ryzen 4000 系列移动处理器、Ryzen 3000 系列主流台式机处理器和 Ryzen 3000 系列高端台式机处理器。这些处理器在不同的设备中发挥着重要的作用。

2.1 Zen 2 架构产品系列

Zen 2 架构产品系列包括 Ryzen 4000 系列移动处理器、Ryzen 3000 系列主流台式机处理器和 Ryzen 3000 系列高端台式机处理器。

2.1.1 Ryzen 4000 系列移动处理器

Ryzen 4000 系列移动处理器，代号 "Renoir"，在各种形态的设备中广泛存在。AMD Ryzen 4000 系列移动处理器采用 Zen 2 架构，提供高达 8 个强大的核心，并可应用于超薄笔记本电脑。这些笔记本电脑通常仅15瓦，非常适合对携带容量有限的用户。

2.1.2 Ryzen 3000 系列主流台式机处理器

Ryzen 3000 系列主流台式机处理器，代号 "Matisse"，是 Zen 2 架构处理器的一部分。这些处理器在游戏和其他领域提供高达 16 个核心的处理能力，功耗高达 105 瓦。

2.1.3 Ryzen 3000 系列高端台式机处理器

Ryzen 3000 系列高端台式机处理器，代号 "Castle Peak"，是 Zen 2 架构处理器的旗舰产品。这些处理器提供高达 64 个核心的处理能力，功耗高达 280 瓦。Castle Peak 处理器为数字内容创作者和软件开发人员提供强大的性能，能够处理各种任务，如渲染、编译和压缩。

2.2 Xbox Series X 和 Xbox Series S 的定制设计处理器

Xbox Series X 和 Xbox Series S 使用的是定制设计的处理器，采用了 Zen 2 CPU 和 RDNA 2 图形架构。Zen 2 CPU 提供了显著的CPU性能提升，比 Xbox One X 的性能提升超过了四倍。需要注意的是，尽管 Renoir 和 Xbox Series X 在CPU架构、核心数量和缓存大小上非常相似，但它们的内存和图形设计却存在较大差异。

3. Zen 3 架构处理器

Zen 3 架构处理器是 AMD 的最新产品，带来了许多令人惊喜的新特性。Zen 3 架构处理器通过提供更高的指令每时钟周期（IPC）和一些架构改进，进一步提高了性能。

3.1 Zen 3 架构的新特性

Zen 3 架构相较于 Zen 2 架构带来了很大的改进，其中包括惊人的 19% IPC 提升、统一的 8 核集群、增加的 L3 缓存、改进的加载存储单元、更宽的浮点和整数引擎、改进的 SMT 公平性以及新增的密码学指令。

3.2 Zen 3 架构的资源共享变化

Zen 3 架构与 Zen 2 架构相比，在资源共享方面有些变化。整数调度器、整数寄存器文件和加载队列从竞争共享（Competitively Shared）变为水印（Watermarked），这些改变提高了 SMT 的公平性。其他资源共享方面与 Zen 2 架构相似。

3.2.1 整数调度器、整数寄存器文件和加载队列

Zen 3 架构中的整数调度器、整数寄存器文件和加载队列由竞争共享（Competitively Shared）变为水印（Watermarked）。这些改变提高了 SMT 的公平性，使得不同线程的资源分配更加均衡。

3.2.2 指令集的改变

Zen 3 架构对指令集进行了一些改变。它新增了向量化 AES 和向量化乘法指令，常用于密码学操作。此外，平行位提取和平行位存储指令的延迟也减少到只有三个时钟周期。需要注意的是，Zen 3 不支持 AVX-512 或 AMX 指令集。

4. Zen 2 和 Zen 3 架构中的缓存优化

缓存是处理器性能优化中的重要组成部分。Zen 2 和 Zen 3 架构都进行了一些缓存优化，以提高性能和效率。

4.1 Zen 2 架构中的缓存细节

Zen 2 架构处理器具有复杂的缓存层次结构。具体信息详见 AMD 的软件优化指南。

4.2 Zen 3 架构中的缓存细节

Zen 3 架构在缓存方面做出了一些改进。其中最显著的就是每个核心复杂的 L3 缓存大小增加了两倍。更多详细信息可参考 AMD 的软件优化指南。

5. 最佳实践

以下是在开发优化应用程序时的一些建议和最佳实践。

5.1 审查内容

在游戏开发中，与艺术家合作，寻求他们对特定场景的建议，可以帮助识别性能瓶颈和优化点。审查内容并进行优化可以提高应用程序的性能和效率。

5.2 使用现代同步 API

使用现代同步 API 可以提高同步操作的效率，并降低不必要的系统调用开销。这些 API 还可以更好地利用处理器的多线程能力。

5.3 避免虚假共享

虚假共享是指多个线程同时访问相邻的内存位置，导致缓存行无效，从而降低性能。通过优化数据结构和访问模式，可以避免虚假共享问题，提高应用程序的性能。

5.4 优化数据访问模式与硬件预取

合理优化数据访问模式，并使用硬件预取指令，可以提高应用程序的缓存命中率和访问效率。了解硬件 prefetcher 的工作原理，并根据硬件 prefetcher 的行为进行数据布局和访问模式的优化。

5.5 使用软件预取指令

针对经常发生缓存丢失的链接数据结构，使用软件预取指令可以提高性能。但是要注意，过多的软件预取可能会影响其他线程的工作集。

5.6 测试应用程序的可扩展性

在开发过程中，测试应用程序在不同线程数下的可扩展性非常重要。通过测试应用程序的可扩展性，可以发现潜在的性能瓶颈和优化点，以提高应用程序的性能和效率。

6. 性能优化技巧

以下是一些性能优化技巧，可以帮助改进应用程序的性能。

6.1 减少记录详细程度

记录详细信息是程序执行的串行操作，可能导致缓存污染。减少日志记录的详细程度，并尽量减少并行线程中的日志记录，可以提高应用程序的性能。

6.2 设置最小批处理大小

设置最小批处理大小，可以减少页面竞争，从而提高应用程序的性能。确保最小批处理大小至少为一个页面的大小。

6.3 减少工作线程数

减少不必要的工作线程数量，可以减少上下文切换的开销，并间接增加批处理大小。减少工作线程数还可以减少核心和缓存的资源竞争。

6.4 将热线程分配到不同的缓存中

将不共享数据的热线程分配到不同的缓存中，可以减少缓存污染，提高时间关键、延迟敏感线程的性能。根据具体情况，将热线程分配到连接到不同最后一级缓存的核心上。

7. 结语

通过本文，我们了解了 Zen 2 和 Zen 3 架构处理器的特点和优化技巧。Zen 2 和 Zen 3 架构处理器提供了出色的性能和效率，可以帮助开发人员更好地利用 AMD 处理器的潜力。请记住，优化应用程序的最佳实践是一个不断学习和改进的过程，需要不断测试和调整，以获得最佳性能和用户体验。

7.1 更多资源

了解更多有关 Zen 2 和 Zen 3 架构优化的信息，请访问 developer.amd.com。

通过访问 gpuopen.com，您可以发现更多关于 AMD 的开源效果、软件开发工具和教程，帮助您更快地设计、渲染和迭代应用程序。

7.2 感谢与期待

感谢您选择阅读本文，并花费宝贵的时间了解 AMD 处理器的优化技巧。我们期待看到您创造出的伟大作品，祝您开发顺利！