Principais características da arquitetura das CPUs AMD Ryzen

A AMD iniciou uma mudança significativa no mercado de CPUs a partir de 2017 com a introdução dos processadores Ryzen. A arquitetura Zen trouxe inovações relevantes e importantes, impactando profundamente esse mercado que sempre foi dominado pela Intel, aumentando a participação do Time Vermelho na fatia de mercado.

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Vamos apresentar aqui as principais características da atual arquitetura, que está em sua 5ª geração em diferentes modelos de CPUs para desktop e laptop, trazendo sua evolução, suas vantagens e como os Ryzen brigam com os Intel Core no mercado.

O que é a arquitetura Zen?

Também chamado de microarquitetura, isso tem a ver com a forma como uma CPU é desenhada. Ela diz respeito a como o componente irá lidar com a memória, o caminho pelo qual os dados percorrem, instruções e como o processador as executa, além das informações que são armazenadas na memória cache. Claro, isso é algo bem mais complexo do que essa descrição breve.

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Antes da chegada da arquitetura Zen, a AMD vivia um momento delicado com os processadores Bulldozer e Piledriver da linha FX. Entre os vários problemas dessa série, que estão relacionados a arquitetura em si, temos a propaganda enganosa do Time Vermelho em relação ao número de núcleos que essas CPUs entregavam. Isso acabou em um processo coletivo, levando a AMD a pagar mais de US$ 12 milhões em 2019.

A primeira geração Zen chegou corrigindo todas as falhas de seus antecessores. Houve um grande salto de desempenho geracional, acima de 50% em IPC (Instruções por Ciclo), além de maior eficiência energética, o calcanhar de Aquiles da AMD até então, e o aumento real na quantidade de núcleos.

Em relação a esse último aspecto, o Time Vermelho introduziu a tecnologia "Simultaneous Multithreading" (SMT), que é o equivalente ao "Hyper-Threading" da Intel. Ou seja, cada núcleo físico funciona como dois núcleos lógicos, aumentando a performance, principalmente em aplicações que tiram proveito de múltiplos núcleos, como os de produtividade.

Lançados em 2017, a primeira geração de processadores AMD Ryzen chegou para brigar contra os Intel Core de 7ª geração (Kaby Lake). O lineup, assim como ainda é hoje, conta com diferentes segmentos: Ryzen 3, Ryzen 5 e Ryzen 7 (com Ryzen 9 chegando nas gerações futuras).

As CPUs de entrada do Time Vermelho já ofereciam 4 núcleos, a mesma quantidade do Core i7-7700K, mas chegava a 8 núcleos e 16 threads, forçando a Intel a se reorganizar diante dessas mudanças importantes.

Evolução geração por geração: do Zen ao Zen 5

Diferente da Intel, a AMD continuou com a arquitetura Zen, mas enumerando conforme foi lançando as novas gerações.

Zen+ (Ryzen 2000)

Equipando os Ryzen 2000, a arquitetura Zen+ trouxe pouca evolução em relação a primeira. Houve um refinamento de 14 nm para 12 nm, permitindo clocks maiores, passando de 4.0 GHz, otimizações a nível de latência da memória cache, garantindo um leve aumento de performance sobre os Ryzen 1000. É como se a AMD estivesse corrigindo alguns problemas e refinando a primeira arquitetura.

Esses processadores chegaram para brigar contra a 8ª geração de CPUs Intel Core (Coffee Lake), feitos no processo de 14 nm++ do próprio Time Azul. Com a segunda geração de Ryzen, a AMD forçou a rival a mexer na contagem de cores, que passou a ser de 6 núcleos e 12 threads com i7-8700K, o melhor SKU do lineup.

Zen 2 (Ryzen 3000/4000)

A segunda geração de fato da arquitetura de CPUs da AMD veio com os Ryzen 3000. A litografia usada caiu para 7 nm, trazendo aumento na eficiência e outras capacidades. Foi introduzido também o design de chiplet, que permite maior flexibilidade, redução nos custos, maior confiabilidade e escalabilidade.

Além disso, a arquitetura Zen 2 proporcionou o dobro de memória cache L3 com latência menor, suporte a interface PCIe 4.0 antes da Intel, e aumento de cerca de 15% em IPC sobre a primeira geração Zen (não a Zen+).

Os Ryzen 3000 foram o primeiro avanço no design da arquitetura da AMD e disputou espaço no mercado contra os Intel Core de 9ª geração, que foi a primeira com o segmento Core i9, trazendo 8 núcleos e 16 threads, valor que a AMD já praticava com os Ryzen 7. O Time Vermelho, por outro lado, elevou a disputa com os Ryzen 9 e modelos que contavam com 12 núcleos e 24 threads, e 16 núcleos e 32 threads.

Essa arquitetura também equipou a geração Ryzen 4000, que teve um foco em gráficos integrados, clocks e quantidade de memória cache um pouco menores.

Zen 3 (Ryzen 5000)

A arquitetura Zen 3 trouxe a mudança mais significativa em toda a série Ryzen, mesmo ainda usando o processo de 7 nm. Uma das maiores mudanças foi o design de Core Complex (CCX) com 32 MB de cache L3 unificado por CCD (Core Chiplet Die) nos modelos mainstream e high-end.

Essas mudanças fizeram com que os Ryzen 5000 entregassem o maior aumento de IPC entre gerações (cerca de 16%), colocando a AMD no topo e estabelecendo alguns dos CPUs mais populares até hoje, como os Ryzen 5 5500/5600X e Ryzen 7 5700X/5800X3D.

Em paralelo a série principal, a AMD introduziu os SKUs com sua nova tecnologia de empilhamento de cache, o 3D V-Cache. As CPUs com cache 3D eram mais rápidas em aplicações sensíveis ao uso de memória cache, com destaque para os jogos, fazendo com que os processadores do Time Vermelho superassem a rival com suas 10ª e 11ª gerações de Intel Core.

Essa série teve ainda outros SKUs terminados com G, GE, GT e XT, mantendo boa parte das configurações das versões base lançadas anteriormente.

Zen 4 (Ryzen 7000/8000)

Os Ryzen 7000 marcam a chegada da nova plataforma AM5, depois de 5 anos de suporte com AM4, trazendo também suporte as memórias DDR5 e a interface PCIe 5.0, de novo antes da Intel. Feito em 5 nm, a arquitetura AMD Zen 4 é a primeira a trazer a arquitetura gráfica RDNA 2 das placas de vídeo para CPUs de desktop, embora com capacidade limitada.

Essas melhorias fizeram com que houvesse o menor salto geracional desde o Zen 1, com aumento de IPC de cerca de 13%. Essa geração também ganhou SKUs com a tecnologia 3D V-Cache, permitindo clocks um pouco mais altos. Essa geração ganhou ainda suporte a instruções AVX-512.

Enquanto isso, a Intel chegava com a maior mudança moderna em sua linha de processadores com a 12ª geração (Alder Lake), trazendo arquitetura híbrida com núcleos para performance e núcleos eficientes para diferentes tarefas e equilibrando novamente a disputa no mercado de processadores.

A arquitetura Zen 4 também está presente no lineup Ryzen 8000G, que é focado em gráficos integrados, trazendo uma maior implementação da arquitetura RDNA 2, tornando essas APUs as melhores do mercado para PC de mesa até o momento.

Zen 5 (Ryzen 9000)

A atual arquitetura Zen 5 chegou em 2024 ao mercado, trazendo refinamento de litografia para 4 nm/3 nm (dependendo do die), melhorias como maior paralelismo, previsão de desvios, entre outras, tornando possível entregar uma evolução entre gerações de cerca de 16% sobre Zen 4.

Essa arquitetura também está presente nos Ryzen mobile Strix Point e Krackan Point (Ryzen AI 300) com grande foco em machine learning e IA, trazendo uma mescla de Zen 5 e Zen 5c assim como a Intel já vinha fazendo com as últimas gerações.

Os Ryzen 9000 também receberam SKUs com a 2ª geração da tecnologia 3D V-Cache, trazendo mudanças significativas por conta do reposicionamento físico da memória, permitindo melhor refrigeração e clocks maiores, assim como overclock, algo antes bastante limitado.

Principais tecnologias da arquitetura Zen

Com a arquitetura Zen, a AMD trouxe diferentes tecnologias que foram adicionadas conforme novas gerações chegavam. Vamos dar uma olhada nas principais:

Design de chiplets

Saindo do design monolítico padrão da indústria, e que era praticado também pela Intel, a AMD tornou suas CPUs mais flexíveis, entregando maior eficiência energética e escalabilidade. Esse design consiste em pequenos circuitos integrados que juntos, criam um sistema mais complexo.

Isso, como dito acima, veio a partir dos Ryzen 3000. A Intel, correndo atrás da rival nessas inovações, adotou algo semelhante a partir da 12ª geração de CPUs com a tecnologia Foveros.

Infinity Fabric

O design de chiplets, apesar de ter diferentes vantagens, traz alguns desafios também. Os diferentes chips dentro do encapsulamento de uma CPU precisam se comunicar com velocidade e de forma eficiente. Por isso, a AMD introduziu a interconexão Infinity Fabric para fazer com que os diferentes dies se comuniquem.

Esse recurso conta com sua própria frequência de operação (chamada de FCLK) e é sensível a velocidade da memória RAM. Por isso, é importante, principalmente nos Ryzen mais antigos, configurar esses clocks na mesma velocidade da memória para ter maior desempenho.

PBO - Precision Boost Overdrive

O Precision Boost analisa a temperatura da CPU para definir se pode ou não aumentar as frequências e tensão para entregar mais desempenho. Esse recurso visa melhoria geral de performance e está disponível a partir dos Ryzen 5000.

SMT (Simultaneous Multithreading)

Assim como Hyper-Threading da Intel, o Simultaneous Multithreading chegou para aumentar a quantidade de thread por núcleo. Por isso, sempre que você ver as especificações de um processador, ele terá a quantidade de núcleos e threads separadas. Quando não existe esse recurso, algo mais presente nas gerações mais recentes de CPUs da Intel, a quantidade de thread será a mesma dos núcleos.

Em geral, esse recurso existe para aumentar a performance por conseguir executar mais tarefas ao mesmo tempo. Isso é algo mais proveitoso em aplicações que fazem uso de múltiplos núcleos e threads, como renderização de imagem e jogos com grandes mundos complexos, por exemplo.

Cache (L3 e 3D V-Cache)

A AMD tem vantagem quando falamos de memória cache atualmente, especialmente nos SKUs equipados com a tecnologia 3D V-Cache. Com ela, é possível adicionar grandes quantidades de cache L3, passando facilmente de 100 MB. O resultado disso é maior desempenho nas aplicações que se aproveitam do recurso, como jogos. Por isso os Ryzen X3D são normalmente chamados de reis dos jogos.

Vantagens arquitetura Zen vs. Intel

Com a chegada da arquitetura Zen e a evolução com cada geração, a AMD trouxe diferentes vantagens sobre sua rival. A chegada dos Ryzen mudou o cenário do mercado de processadores e fez com que a Intel também se movimentasse para trazer inovações.

Liderança em Multitarefa/Produtividade

Uma das principais e mais notáveis, assim que a primeira geração Zen chegou, foi a mudança na quantidade de núcleos. Como mencionamos antes, os Ryzen 1000 trouxeram mais de 4 núcleos, que era o máximo da Intel até então, e olha que estamos falando de 2017, não faz nem uma década. Por isso, o Time Azul precisou correr atrás desse prejuízo a cada nova geração seguinte.

Eficiência energética

Outra mudança importante foi a eficiência energética. O cenário da época contava com as CPUs FX da AMD, nada eficientes, e a 7ª geração de Intel Core, que tinha o i7-7700K como um verdadeiro forno por consumir muita energia e aquecer demais. A arquitetura Zen chega nesse momento trazendo uma virada nesse aspecto. Isso foi melhorado a cada nova geração, principalmente com as duas últimas, entregando mais performance por Watt, consumindo menos e, consequentemente, aquecendo menos.

Inovação em design (Chiplets)

O design em chiplets a partir da arquitetura Zen 3 proporcionou maior escalabilidade, sendo possível adicionar mais núcleos, cache, entre outras tecnologias, além de ser um processo que permite uma redução nos custos operacionais de fabricação. Apesar dos desafios, como a comunicação interna dos chips, a inovação foi algo bem recebido pela indústria.

Longevidade da plataforma

Desde a chegada dos Ryzen 1000 e a plataforma AM4, a AMD já havia garantido que daria suporte por muito tempo, algo que ia na contramão do que a Intel fazia, lançando novas plataformas quase todos os anos. A AM4 durou 5 anos, mas o Time Vermelho ainda segue lançando processadores para esse socket.

Agora com AM5, que chegou em 2022 com os Ryzen 7000 e a arquitetura Zen 4, a AMD já prometeu outros 5 anos, indo até 2027, assim como fez com a plataforma anterior. A rival, por outro lado, ainda não conseguiu seguir um caminho parecido, trazendo novos sockets quase todos os anos.

Tecnologias variadas

Além disso, os Ryzen também trouxeram primeira a adoção a certas tecnologias novas, como a interface PCIe nas versões 4.0 e 5.0. Outro ponto importante de inovação tecnológica foi a adição de memória cache empilhada com a tecnologia 3D V-Cache, algo totalmente inédito no mercado de processadores e que a Intel não planeja implementar.

Vantagens em jogos

Se no começo a AMD saiu na frente em aplicações de produtividade por oferecer mais núcleos, com o tempo, o Time Vermelho também aprimorou o desempenho em single-core, algo que sempre foi a vantagem dos Intel Core, e passou a entregar maior desempenho em jogos, até superando a rival em alguns cenários específicos. Essas CPUs acabaram se tornando um sucesso no Brasil.

Conclusão

Se não fosse pela chegada da arquitetura Zen, muito provavelmente não teríamos as inovações de hoje em processadores, principalmente no que diz respeito a quantidade de núcleos. A AMD não só trouxe inovação ao segmento, como também forçou a única rival a mexer e também rever os seus planos.

Por mais que o Time Azul tenha inovado, mesmo que anos depois da chegada dos Ryzen, não dá para negar o impacto causado pelo Time Vermelho sob a direção de Lisa Su. A briga que antes nem existia tanto, já que a Intel dominava o mercado com folga, foi bastante benéfico para o consumidor, como qualquer competição é.

A arquitetura Zen 5 fez sua estreia no ano passado com os Ryzen 9000 e Ryzen AI 300 para notebooks, mas sabemos que essas empresas não param. Já existem até mesmo rumores sobre Zen 6. Se virá mais inovações ou somente melhorias sobre o que já existe, teremos que esperar para ver.

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