吊打英特尔的多核架构！AMD 16核处理器核心结构揭秘

AMD利用自行开发的Zen处理器微架构，规划2组Core Complex合并在一起的IC设计，从服务器EPYC至桌上型Ryzen 3，都是由此晶粒组合或屏蔽部分区块而来。近日正式发售的Ryzen Threadripper为启用2个晶粒的产品，各晶粒自行控制双通道內存，这也带来过去罕见的NUMA架构。

目前Intel和AMD两大x86处理器制造商所推出的最新款HEDT平台，其记忆体模组均可利用4组总线信道达到增加读写频宽目的，不过前者仅使用1组內存控制器支持4组信道，后者使用2组內存各自控制2组信道。虽然最终算出来的理论频宽相同，可是「同款不同师傅」，实际应用上会有些差异。

以Intel代号Skylake-X的处理器为例，其多处理器架构为SMP（Symmetric multiprocessing）对称多处理，也就是每个处理器核心的地位都是相等的，处理器均连结至单一总线（或是类似功能的Crossbar交换机）并共享主要內存资源。这种结构不需要特别变更软体，就能够利用多核多处理器并行处理多个作业，提升整体性能。自从双核心处理器在消费家用市场问世后，这就是你我家中电脑的结构。

▲当年AMD Athlon X2利用Crossbar将2个处理核心和內存控制器总线串接在一起。

不过这种将各个处理器统一连结至单一总线的结构，容易使得多核心多处理器的数量受限，因为单一总线频宽有限的关系，性能无法跟随核心或是处理器数量等倍数无限成长，反而会因为汇流排过于忙碌，核心或是处理器没有办法获得所需资料或写回运算结果。

「那就增加总线数量吧！」这种简单又暴力的方法早在商业环境行之有年，各位读者们就算没摸过，也应该看过具备2组以上处理器插槽的主机板，由于內存控制器早已整合进入处理器封装当中，也就意味着该主机板拥有与处理器插槽数量相等的內存总线，各自管理与控制对应的內存，处理器插槽之间再以其它形式的总线互通有无。这种架构就可以在增加核心或是处理器数量的同时，也提供同等倍数的总线数量，不怕单一总线被众多存取指令与资料塞爆。

虽然各个处理器封装内的內存控制器各自连结对应的记忆体模组，整体来看还是将所有的內存容量视为1个可以使用的大区块，只是当A处理器插槽内部的处理器核心想要存取B处理器插槽连结的內存时，会有额外的存取延迟，频宽也不会如存取连结至A处理器插槽的內存般快速。处理器核心存取內存空间会因为远近而有不同的速度，这种架构就称为NUMA（Non-Uniform Memory Access）非统一內存存取；而先前连结至单一总线，內存空间存取速度一致的架构，称之为UMA（Uniform Memory Access）统一內存存取。

▲存取由该Core Complex连结的內存延迟为78ns，存取另一组时为133ns。

回到AMD Ryzen Threadripper的讨论，该处理器内部启用2个晶粒，单一晶粒分别连结双通道四组记忆体模组插槽，合并起来就是四信道八组记忆体模组插槽。由于內存分属不同的总线，所以是NUMA架构，具备2个节点（1组总线所连结的处理器和內存），这在家用市场（或是更精细的说：HEDT市场）可谓首见。

由于NUMA存取不同位置的记忆体会有不同速度的特性，软体（无论是作业系统或是应用程式）必须要特地为NUMA最佳化，才可以提供最佳的运作性能。若是程序运作时需要较大的內存频宽，则需最佳化成Distributed Mode，反之对于內存存取延迟较为敏感，则变更为Local Mode。依据AMD释出的资料，Ryzen Threadripper的Distributed Mode频宽大约多出0.56%～21.65%，Local Mode延迟减少约23.82%。

▲若是程式运作时对于记忆体延迟较为敏感，需要最佳化成Local Mode。

▲使用AIDA64实际量测2种不同內存存取模式的频宽和延迟差异。

作业系统部分，家用产品从Microsoft Windows 7开始之后的版本就支持NUMA，Linux kernel则是从2.5版开始提供基础性支持。也就是说现在购买Ryzen Threadripper处理器搭配Windows 10作业系统并没有问题，端看软体应用程式是否针对首次飞入寻常百姓家的NUMA最佳化。