AI時代算力為王 AMD 64核EPYC重新定義高性能計算

AI時代的算力、算法和數據處在一種螺旋式的提升關系中，雖然芯片製程和計算性能的提升，使得對算力的渴求不像以前那樣迫切，但當算法普及和數據累積達到一個新的程度時，原來的算力又不夠了，成為AI性能提升的硬指標。

2019年5月初，AMD度過了自己的50歲生日。創辦50年來，它已經成長全球唯一一個擁有高性能CPU和GPU芯片的半導體公司。也是在2019年，AMD推出了7nm Zen2架構的新一代霄龍/銳龍處理器，這是21世紀以來繼64位K8之後AMD最重要的CPU升級之一。

在7nm Zen2架構處理器上，AMD再次將CPU性能和核心數量提升到了一個新紀錄上。相比上一代Zen架構，單核心IPC性能提升15%，相當可觀；核心數量更是直接翻番，第二代EPYC處理器以8的倍數從8核、16核……到48核，以及最高的64核128線程，可謂豪華。得益於EPYC的設計下放到消費級產品，主流桌面銳龍也做到了16核32線程，HEDT發燒平台做到了24核、32核乃至64核128線程。

在7nm Zen2發布之後，有分析師評價說，這是AMD 50年來首次在架構及工藝上同時領先對手，這在以前是沒有過的。

AMD CEO蘇姿豐在去年的發布會上表態，AMD已經變了，得益於一系列技術及產品突破，AMD從大家印象中的市場導向型企業變成了技術導向型企業，並且是「技術領導「型企業。

從2017年正式重返高性能計算領域，在2年時間里AMD經過三代銳龍、兩代霄龍處理器的發展，就站上了高性能計算領域的制高點，他們是怎麼做到的呢？

7nm Zen2創新制勝：x86首發小芯片設計 64核128線程破紀錄

在AMD推出Zen架構處理器之前，x86 CPU行業的發展已經停滯多年了。單核性能多年沒有明顯提升，多核也沒有明顯變化，桌面市場10年間都是最多4核8線程，服務器市場還停留在20+核心時代，業界無奈稱之為「擠牙膏」，這嚴重阻礙了x86行業的發展。

AMD在第一代Zen上取得了突破，IPC性能大漲52%不說，還順手將CPU核心數量提升了一倍，桌面普及8核16線程，EPYC霄龍處理器也做到了32核64線程，多任務性能輕松碾壓對手的CPU。

在7nm Zen2處理器上，AMD又實現了一次性能突破，大膽放棄了傳統設計思路，首次在x86行業使用了chiplets小芯片設計，CPU計算核心與IO核心分離，核心數翻倍，最多64核128線程，再一次將CPU計算性能推向了新高潮。

以第二代EPYC為例，它的64核架構實際上就是1+8模塊組成的。中間最大的那個是IO核心，稱為IOD（IO Die），使用了12nm工藝製造，根據需要集成了不同數量的DDR主控、PCIe主控、IF總線等IO單元，EPYC版的IOD核心面積416mm2，集成340億晶體管。

IO核心周圍的8個模塊則是CPU核心，7nm工藝製造，成為CCD（Core Chiplet Die），每個CCD中有8核16線程CPU，面積74mm2，集成38億晶體管。

這樣一來，AMD在設計EPYC處理器的時候就有足夠的靈活性，好像搭積木那樣堆出不同核心的EPYC處理器，以8的倍數，從8核到64核CPU只需考慮不同的IO核心及CCD核心搭配即可。

這種巧妙的設計不僅賦予了第二代AMD EPYC處理器靈活性，還大幅降低了成本。根據AMD的測算，核心數越多，成本優勢就越明顯，64核7nm銳龍作為100%基準的話，那麼48核的成本就是0.9，而原生48核設計的成本至少是1.9，比小芯片設計高太多了，幾乎翻倍。

當然，最重要的一點還有，在第二代EPYC處理器多核性能再次翻倍的同時，單核性能並沒有止步，通過7nm工藝及架構改進，AMD在Zen2上實現了15%的IPC性能提升，Cinebench基準測試中實際提升20%以上。

總之，AMD的64核EPYC處理器憑借7nm Zen2巧妙、靈活的架構設計，再次將高性能計算能力翻倍，從發布到現在已經打破了至少140項世界計算紀錄，並且還在持續不斷地提升中。

EPYC高性能計算成功之道：把握技術趨勢、敢於創新

為何EPYC處理器能夠取得這樣的成功，2011年進入AMD公司、2014年擔任CEO的蘇姿豐（Lisa Su）是最有發言權的。此前，對半導體行業另一個巨頭英特爾來說，發展是遵循其著名的Tick-Tock戰略的，要麼提升芯片製造工藝，要麼更新設計架構。

對AMD來說，他們急需一次爆發，因此公司決定雙管齊下，創造一個全新的產品組合。

蘇姿豐說服了客戶，花費數年時間打造出了這一代7nm Zen2架構的處理器。在友商仍然使用14nm工藝的情況下，AMD在升級架構的同時，上馬最先進的7nm工藝無疑是有極大風險的，但最後事實證明AMD「賭對了「。

對AMD來說，過去幾年最大的收獲就是他們成功制定並實施了新一代路線圖，從2017年的14nm Zen架構開始，AMD在工藝、架構上就保持着同步升級的節奏，改變了業界Tick-Tock兩年升級一次的慣例。

按照路線圖發展下去，2020年AMD還會推出7nm工藝的Zen3架構的處理器，首發於第三代EPYC處理器「Milan」（米蘭）中，今年底應該就會上市了。

再往後，AMD也正式宣布了5nm工藝的Zen4架構，同樣會首先應用於第四代EPYC處理器「Genoa「（熱那亞）中。

AI時代來臨高性能計算新篇章開啟

憑借7nm Zen2強勁的性能表現，AMD贏得了頂級超算的青睞。AMD先後宣布了新一代E級超級計算機 Frontier和El Capitan，預期峰值處理能力分別為150億億次FLOPS和200億億次FLOPS以上，計劃分別於2021年和2023年交付，後者有望在交付後成為世界上速度最快的超級計算機。

Frontier將採用下一代EPYC，建成後，通過大幅提升大規模人工智能、數據分析和模擬的性能來實現科學突破，幫助科學家開展更多計算。

在Frontier創新成果的基礎上，El Capitan採用代號為「Genoa」（熱那亞）的下一代 AMD EPYC處理器以及針對高性能計算和AI工作負載而優化的新型架構的下一代 Radeon Instinct GPU。前者將基於「Zen 4」處理器核心來支持下一代記憶體和 I/O 子系統，從而更好地服務於 AI 和高性能計算工作負載，後者將採用下一代高帶寬記憶體以實現出色的深度學習性能。El Capitan這樣的設計將在 AI 和機器學習數據分析方面實現飛躍。

接下來的高性能計算該如何發展？從Zen2來看，人們對CPU單核及多核心的性能要求已經達到一個比較滿意的地步，現在更關鍵的是如何利用好這些多核CPU的性能。最有希望的領域應該是AI人工智能了，AI時代的算力、算法和數據交替上升，對更高算力的需求永不停歇，成為AI性能提升的硬指標。

上面提到的Frontier超算性能輕易就達到了目前排名第一的超算系統Summit的7倍水平，而El Capitan的計算能力則更高。