AMD = A Modular Datacenter ?

看起來似乎有強行把芯片設計和數據中心建設拉到一起尬聊的感覺，但世間也沒有那么多的一見如故，一些有意義的討論未嘗不是從尬聊開始的。

就我個人而言，今年已經多次在關于數據中心的文章和（線上）分享中提到AMD：“從1月29日開始到2月6日，騰訊會議每天都在進行資源擴容，日均擴容云主機接近1.5萬臺，8天總共擴容超過10萬臺云主機，共涉及超百萬核的計算資源投入，全部由騰訊云自研的服務器星星海提供支撐。”這款服務器基于AMD去年8月發布的代號Rome（羅馬）的第二代EPYC處理器，最大的特點就是核多——雙路配置再算上超線程，一臺采用騰訊云定制版EPYC處理器的星星海服務器可以為云服務器提供多達180個核——也就是說，這100萬核服務器資源，“只”需要不到6000臺該款自研服務器即可滿足。

騰訊云星星海SA2服務器采用2U高度結合類似遠程散熱片（remote heat-sink）的設計，配合6個60mm風扇，據稱可以支持2個300W級別的CPU（AMD第二代EPYC處理器公開版本最高TDP為280W）

實際上，官方名稱為AMD EPYC 7002系列的第二代EPYC處理器最多能提供64個核芯、128個線程，騰訊云定制版本選擇了48核芯（96線程）而已。至少在CPU的核數（core count）上，AMD給Intel（英特爾，昵稱“大英”）造成了很大的壓力。上個月英特爾發布了代號為Cooper Lake的第三代至強可擴展處理器（Xeon Scalable Processor，XSP），主打四路和八路市場，四路配置可提供112核芯224線程，核數上堪與雙路EPYC 7002系列抗衡，為10nm制程的Ice Lake爭取時間。

摩爾定律難以延續的后果就是CPU的功耗持續攀升，第一代至強可擴展處理器（公開版）里TDP最高的205W，到第三代已是尋常，250W算是克制——畢竟要考慮四路的散熱需求

話說上一次AMD搞得大英如此狼狽，還要追溯到本世紀初的64位路線之爭。眾所周知，英特爾是x86及其生態（特別是軟件生態）的締造者，屬于“親媽”級別，AMD充其量是個“后媽”。但是，x86幾十年的發展史證明，“親媽”未必就比“后媽”更了解孩子的發展潛力。也可以前一陣大火的劇集《隱秘的角落》為例，看完就會發現，對于朱朝陽的隱藏能力，后媽的認知似乎先于親媽。

Cooper Lake：你看我還有機會嗎？

簡單的說，Intel建立發展x86生態，AMD堅定捍衛x86路線——不斷改造作為生態核心的x86處理器，煥顏新生。

盛衰無常：架構與制程的雙簧

雖然已經在過去十年中逐漸淪為愛好者口中的“牙膏廠”，但在歷史上，英特爾一直不乏創新精神。對待x86的態度可以算是這種精神的一個體現，起碼在進入64位時代之前，英特爾其實不太瞧得上x86，總覺得這個娃太low——可能是親媽更了解孕育過程中的種種先天不足吧——幾次三番地在重大的轉折點，想要“與時俱進”，重起爐灶，帶給用戶“船新體驗”。反而是AMD屢屢在關鍵時刻出來捍衛x86，通過翻新加蓋來維持其生命力。

64位是關鍵的轉折點。上世紀九十年代末，還是32位的x86剛“插足”服務器市場不久，英特爾選擇與惠普（HP）聯手開發基于IA-64架構的Itanium（安騰）作為接班人，與已經64位了的RISC陣營大佬們對抗。然而，AMD認為x86還可以搶救一下，決定通過64位擴展來“續命”，并在2003年4月發布首款64位x86處理器Opteron，兩年后又把x86(-64)帶入多核時代。

此時，英特爾已經在IA-64的路上走了十多年。時過境遷，當初設定的目標并沒有實現，而x86擴展到64位和多核之后，不僅軟件和應用的生態系統得到了完整的繼承，性能也完全可以一戰。用戶用腳投票，大英不得不從。

第二代EPYC處理器發布會上，Google出示2008年7月9日上線的其第100萬臺服務器的照片，追訴與AMD的革命友情……還是臺四路服務器

英特爾痛定思痛，決定用架構和制程構筑雙保險，在2007年提出了Tick-Tock（取自于時鐘的“嘀-嗒”周期）量產模式，即先通過制程升級將芯片面積縮小，是為Tick；再基于操練純熟的制程改用新的微架構，是為Tock。當時的英特爾工廠在技術和產能上都占據明顯優勢，只要架構上回到正軌，左右手組合拳一出，產量受限的AMD哪里支撐得住？在2008年推出Nehalem微架構之后，英特爾終于奪回主動權。

在英特爾施加的強大壓力下，AMD在處理器架構上也犯了錯誤，2011年推出的Bulldozer（推土機）架構采用了即使現在看來也過于激進的模塊化設計。隨著2012年英特爾開啟至強E5時代，AMD在節節失利后不得不退出服務器市場，上一個巔峰期徹底結束。

有道是：福兮禍所依，禍兮福所伏。先賢曾經曰過：縱有架構、制程雙保險，奈何CEO是單點。2016年英特爾推出最后一代至強E5/E7（v4），這是英特爾首批采用14nm制程的服務器CPU，同時也宣告了Tick-Tock模式的終結，改用Process–Architecture–Optimization （制程-架構-優化）的三步走模式。

在這個可以簡稱為PAO的模式里，雖然仍是先制程、后架構的節奏，但新加入的優化不管是針對兩者中的哪一個還是兼而有之，都起到了拉長制程換代周期的效果。第三代至強可擴展處理器已經是第四波采用14nm制程的服務器CPU，14nm后面的“+”都數不清楚有幾個了——還好預計年底發布的Ice Lake將終止這個“土撥鼠之日”式的制程循環。

架構層面上，從代號Skylake的初代至強可擴展處理器開始，由環形總線改為6×6的2D-mesh，然后持續“優化”。在架構的角度，Mesh和環形總線都屬于所謂傳統的單片（Monolithic）式架構，優點是整體性好，涉及到I/O的性能比較有保證；缺點是對制程不太友好，隨著規模的擴大，譬如核數和Cache的增加，良率上的挑戰很大，高端產品的成本下不來，這對于追求高核數的云計算服務提供商顯然不是個好消息。

至強E5/E7 v4的四環（2組雙向環形總線）與至強SP的6×6 Mesh架構

關鍵時刻，又是沉寂多年的AMD挺身而出，接盤Tick-Tock，以自己的方式“維護”摩爾定律。

這個方式，就是模塊化。

MCM：同構對等模塊化的利與弊

先簡單回顧一下AMD之前的模塊化設計為什么會失敗。Bulldozer架構的模塊化設計，建立在AMD對未來應用趨勢的不靠譜假設上，即整數（Integer，INT）運算將占據絕對主導地位，結論是增加整數運算單元，減少浮點（Floating Point，FP）運算單元。于是，Bulldozer架構很“雞賊”的采用了兩個（具有完整整數運算單元的）核芯共用一個浮點運算單元的模塊化設計，兩個模塊就可以提供4個核芯（但只有2個浮點運算單元），6核以此類推。

模塊化本身并沒有錯，Intel Nehalem的模塊化設計就很成功。Bulldozer錯在“拆東墻補西墻”，結果連補強都算不上

不用放馬后炮，這也是一個妄揣用意（用戶意志）的行為。即使是在AI大行其道的今天，第二代英特爾至強可擴展處理器已經支持INT8加速推理運算，也不能和通常意義上CPU的整數運算劃等號。貿然押寶，錯了當然怪不得別人。

不難看出，Bulldozer的模塊化，與之前Intel Nehalem架構的模塊化設計，只限于架構層面，并不是為制程考慮——CPU不論幾個模塊多少核，都是作為一個整體（die）來制造的，畢竟十年前制程還沒到瓶頸。

然而，到了AMD以代號Naples的（第一代）EPYC處理器重返服務器市場的2017年，摩爾定律放緩的跡象已很明顯。同樣的14nm（可能還沒有英特爾的先進）制程，AMD如何以更低的成本提供更多的核芯？

EPYC系列處理器基于AMD的Zen系列架構，從Zen、Zen+到Zen 2，以及規劃中的Zen 3的發展路線，有點像前面提到的Tick-Tock：開發一個良好的基礎然后交替演進，不斷優化。

與先輩們不同，Zen系列的模塊化明顯側重于解決制程面對的挑戰，即芯片在物理上被切割為多個die（晶片），通過Infinity Fabric（IF）互連為一個整體，所以每個die就是一個模塊，但不一定是模塊化設計的最小單位。

第一代EPYC處理器的4個die及Infinity Fabric示意

還是從初代EPYC處理器所采用的Zen架構說起。Zen確立了該系列計算單元模塊化的最小單位CCX（Core Complex，核芯復合

體），每個CCX包括4個Zen核芯（Core），以及8 MiB共享L3 Cache，每核芯2 MiB。

從AMD公開的示意圖來看，各片（Slice）L3 Cache之間的連接方式像是full-mesh（全網狀，即每兩個點之間都有直接連接，無需跳轉），CCX內部的跨核芯L3 Cache訪問是一致的

Zen的CCD里除了2個CCX，還有2個DDR內存控制器（各對應1個內存通道），用于片上（die之間）互連的Infinity Fabric（IF On-Package，IFOP），而CPU之間互連的Infinity Fabric（IF Inter-Socket，IFIS）與對外的PCIe通道是復用的——這個知識點在后面會用到。

芯片層面的模塊是CCD（Core Complex Die），包括2個CCX，共8個Core、4 MiB L2 Cache、16 MiB L3 Cache。官方名稱為AMD EPYC 7001系列的第一代EPYC處理器只有CCD這一種（die層面的）模塊，所以每個CCD除了2個CCX，還有大量I/O接口器件，包括DDR、Infinity Fabric/PCIe控制器，CCX占CCD面積的比例只比一半略多（56%）。

這個多芯片模塊（multi-chip module，MCM）架構的代號為Zeppelin（齊柏林），四個這樣的“復合型”CCD構成完整的第一代EPYC處理器，最多能提供32核芯、64 MiB L3 Cache，直接減少CCD的數量就會得到面向PC市場的高端（2×CCD）和主流產品（單CCD）。

按照AMD提供的數據：每個die的面積為213mm2（平方毫米），4個die的MCM封裝總面積為852mm2，如果要用大型單一芯片來實現，面積可以縮小到777mm2，大約節省10%，但是制造和測試成本要提高約40%，完全32核的收益下降約17%、成本提高約70%。投入產出比當然非常劃算，也變相的說出了大英的苦衷——可是，后者為什么還在堅持單片路線呢？

MCM這種完全對稱的模塊化方案，如果套用到數據中心領域，相當于一個園區，幾棟建筑結構和功能完全一樣，都包含了機房、變配電、柴發、冷站、辦公和接待區域等。好處當然是彼此之間沒有硬性依賴，每棟建筑都可以獨立作為數據中心使用，照此復制就可成倍擴大規模；缺點是沒有其他類型的建筑，而有些功能還是需要專門的建筑集中和分區管理的，譬如人員辦公和統一接待……

如果一個數據中心園區只有黃框里這一種建筑（模塊）……實際上，加上左邊的66KV變電站，這里也只是整個園區的一角

況且，與絕大多數的數據中心園區不同，CPU對各模塊之間的耦合度要求高得多，否則無法作為一個整體來運作，分工合作快速完成數據處理等任務。而這，正是MCM方案的局限性所在。

第一代EPYC的每個CCD都有“自己的”內存和I/O（主要是PCIe）通道，加上CCD之間的互連，每個CCD的外部I/O都很“重度”

多芯片（對稱）設計、全“分布式”架構的特點是內存和I/O擴展能力與CCD數量同步，隨著核芯數量的增加，內存和I/O的總“容量”（包括帶寬）會增加，這當然是優點，但缺點也隨之而來：

首先是局部性（locality）會降低I/O的性能，主要是跨CCD的內存訪問時延（latency）明顯上升。因為每組（2個）CCX都有自己的本地內存，如果要訪問其他CCD上連接的內存，要額外花費很多時間，即所謂的NUMA（Non-Uniform Memory Access，非一致性內存訪問）。雖然Zen的CCD上有足夠多的IFOP，讓4個CCD之間能組成全連接（full-mesh），無需經其他CCD跳轉（類似于CCX內4個核芯之間的狀況），但I/O路徑畢竟變長了；如果要訪問其他CPU（插槽）連接的內存，還要經過IFIS，時延會進一步上升。

CCD里的兩個CCX也通過Infinity Fabric連接，同樣會增加跨CCX的Cache訪問時延

根據AMD提供的數據，不同內存訪問的時延水平大致如下：

隨著訪問路徑變長和復雜，時延以大約一半的比例增加，這個幅度還是很明顯的。

同一個CCD里的內存訪問沒有明顯差異，而跨CCD的內存訪問，時延增加就很明顯了

然后是PCIe，前面已經有圖說明，Zen用于CPU之間互連的IFIS與PCIe通道是復用的，即單路（單CPU）的情況下全都用于PCIe通道，共有128個；雙路（雙CPU）的情況下每個CPU都要拿出一半來作為（兩者之間的）IFIS，所以（對外的）PCIe通道數量仍然是128個，沒有隨著CPU數量的增加而增長。

簡單歸納一下，Zen架構的問題是：核數越多，內存訪問的一致性越差；CPU數量增加，外部I/O的擴展能力不變——NUMA引發的跨CPU訪問時延增長問題還更嚴重。

單CPU就能提供128個PCIe 3.0通道原本是第一代EPYC處理器的一大優勢，但雙CPU仍然是這么多，就略顯尷尬了

核數進一步增加的困難很大，不論是增加每個CCD的核數，還是增加CCD的數量，都要面臨互連的復雜度問題，也會進一步惡化一致性。

說得更直白一些，就是Zen架構的擴展能力比較有限，難以支持更大的規模。

既然雙路配置有利有弊，AMD又是時隔多年重返服務器市場，單路一度被認為是EPYC的突破口，譬如戴爾（Dell）在2018年初推出三款基于第一代EPYC的PowerEdge服務器，其中就有兩款是單路。

1U的R6415和2U的R7415都是單路服務器

類似的情況在通常用不到那么多核及I/O擴展能力的PC市場體現得更為明顯，在只需要一到兩個CCD即可的情況下，消費者更多感受到的是低成本帶來的高性價比，所以“AMD Yes!”的鼓噪主要來自個人用戶，服務器市場在等待EPYC的進一步成熟。

只有1個die的Ryzen將Zen架構的缺點最小化，獲得個人用戶的喜愛也就不足為奇了

Chiplet：異構混合模塊化的是與非

時隔兩年之后，AMD推出基于Zen 2架構的第二代EPYC處理器，通過架構與制程一體優化，達到最高64核、256 MiB L3 Cache，分別是第一代EPYC的2倍和4倍，內存訪問一致性和雙路的擴展性也有不同程度的改善，終于獲得了一眾云服務提供商（CSP）的青睞。

Zen 2的整體設計思維是Zen的延續，但做了很多明顯的改進，配合制程（部分）升級到7nm，突破了Zen和Zen+在規模擴展上的限制。

首先，Zen2架構延續了Zen/Zen+架構每個CCD有2個CCX、每個CCX有4個核芯共享L3 Cache的布局，但是每個核芯的L3 Cache增大一倍，來到4MiB，每個CCX有16 MiB L3 Cache，是Zen/Zen+架構的兩倍。

CCD層面的主要變化是把DDR內存、對外的Infinity Fabric（IFOP/IFIS）和PCIe控制器等I/O器件剝離，以便于升級到7nm制程。AMD表示，第一代EPYC中，上述I/O器件占CCD芯片面積的比例達到44%，從制程提高到7nm中獲益很小；而第二代EPYC的7nm CCD中，CPU和L3 Cache這些核心計算、存儲器件的占比，高達86%，具有很好的經濟性。

被從CCD中拿出來的DDR內存控制器、Infinity Fabric和PCIe控制器等I/O器件，組成了一個單獨的I/O芯片，即I/O Die，簡稱IOD，仍然采用成熟的14nm工藝。

自左至右，分別是傳統單片式、第一代EPYC的MCM、第二代EPYC的Chiplet三種架構的示意圖

一個IOD居中，最多8個CCD圍繞著它，AMD把這種做法稱為Chiplet（小芯片）。

如果繼續拿數據中心的模塊化來強行類比，相當于把整個園區內的變電站、柴發、冷站、辦公和接待區域都整合到一個建筑里，位于園區中央，周圍是構造完全相同的一座座機房樓……你說，這樣一個所有機房樓都離不開的建筑，該有多重要？

僅從布局看，和第二代EPYC處理器有點像的數據中心，但變電站在園區外，制冷也是分布式的（與4個機房模塊在一起），中間的建筑并沒有上面設想的那么重要

第一代EPYC處理器（Naples）與第二代EPYC處理器（Rome）的片上布局對比，后者是1個IOD + 8個CCD，共9個小芯片組成的混合多die設計

因為CCD的數量增加一倍，所以Rome的核數可以達到Naples的兩倍；因為每個CCX/CPU核芯的L3 Cache容量也增加了一倍，所以Rome的L3 Cache總容量可以達到Naples的四倍。

14nm IOD + 7nm CCD的組合——因為不是全部升級到7nm，所以我更愿意稱之為制程的“優化”——體現了更高的擴展性和靈活性，使第二代EPYC能夠以較低的制造成本提供更豐富的產品組合，提高了市場競爭力。但是，事情并沒有看起來這么簡單，要了解產品的具體構成和預期的性能表現，您還需要繼續往下看。

2019年8月，第二代EPYC正式發布后不久，AMD在Hot Chips大會上介紹了Zen 2產品的Chiplet設計。可能是之前有Zen+架構采用12nm制程的緣故吧，IOD的制程被寫成了12nm，其他場合的官方材料都是14nm，所以我們還是以后者為準

今年2月IEEE的ISSCC（International Solid-State Circuits Conference，國際固態電路峰會）2020上，AMD更詳細的介紹了Zen 2這一代產品的設計。結合前一幅圖可以看到，第二代EPYC的IOD具有83.4億晶體管，數量與同樣采用14nm制程的英特爾Skylake/Cascade Lake相當——雖然兩者的晶體管類型構成有很大差別，但可以作為一個參照，說明這個IOD自身的規模和復雜度。

從紅框中的選項來看，EPYC 7302 CPU有4個CCD，每個CCX有2個核芯，可以選擇各啟用1個

IOD集中所有I/O器件的一個好處是，CPU能提供的內存通道數量與CCD的數量無關。E企實驗室前一陣測試了基于第二代EPYC處理器的Dell PowerEdge R7525服務器，送測配置包括2個AMD EPYC 7302處理器，從PowerEdge R7525的BIOS設置中可以看到，這款16核的CPU有4個CCD（而不是8個），應該對應下圖中右二的情形：

上方柱狀圖是AMD列出7+14nm Chiplet方案與假設的單片7nm方案相比，成本優勢可以達到一半以上（64核沒有假設，可能是指單片式很難制造）；下方從左至右依次是8、6、4、2個CCD的布局，原則是盡可能的對稱

雖然7302在EPYC 7002系列產品中定位偏低端，只有16個核芯，用4個CCX就能滿足，但是它擁有128MiB的L3 Cache，這又需要8個CCX才可以。因此，7302的每個CCX只有2個核芯，享受原本屬于4個核芯的16 MiB L3 Cache。

從EPYC 7002系列的配置表中可以看出，7302下面72開頭的產品才是真正的低端，譬如同樣是16核的7282，不僅L3 Cache容量只有7302的一半（倒是符合每核4 MiB的“標配”），而且僅支持4個內存通道，也是7302等產品的一半——說明其CCD數量是2個，就像前一幅圖右下方所示的情況——4個內存通道配置的運行頻率也低，只有DDR4-2667，與標準的8通道DDR4-3200相比，理論內存帶寬僅為40%多

Dell PowerEdge R7525用戶手冊里對內存條的安裝位置有很詳細的說明，畢竟插滿8個內存通道和只用4個內存通道，性能差距太大

IOD集中所有I/O對性能也有好處，因為內存控制器集中在一個芯片上，有助于降低內存訪問的局部性（NUMA）。不過，AMD在很多場合放出的示意圖很有誤導性，容易讓人以為，對Rome（下圖右側）來說，同一個CPU上的內存訪問是不存在NUMA的。

從上面的數據來看，第二代EPYC處理器的“本地”內存訪問時延有所增長，畢竟內存控制器和CCX不在一個die上了；收益是跨CPU內存訪問的時延有所下降，總體更為平均

好在，稍微詳細一點的架構示意圖表明，一個EPYC 7002系列CPU內部的內存訪問仍然會有“遠近”之分：

Dell PowerEdge R7525的BIOS配置中，可以在L3 Cache的NUMA設置為Enabled之后，看到每個CPU內部其實還是可以像EPYC 7001系列一樣，分成4個不同的NUMA區域

這時學術性會議的價值就體現出來。AMD在ISSCC 2020上的演講表明，完整版的Server IOD要承載的功能太多，已經有太多的晶體管，中間都被Infinity Fabric和PCIe相關的I/O所占據，內存控制器只能兩兩一組布置在IOD的四角，每2個CCD就近共享2個內存控制器。由于中間已經沒有走線空間，只能構成一個沒有對角線連接的2D-mesh拓撲——僅從拓撲角度而論，還不如EPYC 7001系列4個CCD的full-mesh連接方式。所以，臨近的訪問有長短邊造成的延遲差異，對角線的內存訪問因為要走過一長一短兩條邊，沒有捷徑可走，自然要更慢一些。

注意放大看IOD布局示意圖和右側1～4的不同等級時延注解，可以理解為每個CPU內部仍然分為4個NUMA區域：本地、短邊、長邊、（拐個彎才能抵達的）對角線

Hot Chips大會上的這張示意圖突出了不同功能的Infinity Fabric導致的IOD中部擁擠，和DDR內存控制器都被擠到邊角上的感覺。結合前一張圖，不難理解，像EPYC 7282這樣只有2個CCD對角線布置的低端SKU，另一條對角線上的4個DDR內存控制器主要起增加內存容量的作用，不如只保留CCD就近的4個內存通道

總之，不管是EPYC 7001系列的MCM，還是EPYC 7002系列的Chiplet，隨著芯片數量的增長，性能肯定會受到越來越明顯的影響（而不是近乎線性的同步提升），只是好的架構會延緩總體性能增長的衰減速度。

這里我們可以回過頭來看看同樣基于Zen 2架構的第三代AMD Ryzen處理器，主流PC產品沒有那么多核數要求，只用2個CCD即可滿足，所以其配套的Client IOD（cIOD）正好是Server IOD的四分之一，從前面圖中晶體管數量的對比（20.9億 vs. 83.4億）也可以看出來。

代號“Matisse”的第三代Ryzen，仍然可以看到兩個DDR4內存控制器偏居一隅的“遺存”，但對兩個CCD已經公平了很多，基本不存在NUMA問題。也就難怪“AMD真香”黨在消費類用戶中比例要大得多

盡管CCD升級到了7nm，但更多核芯、更大得多的L3 Cache，意味著整體功耗的上升，譬如同樣16核的7302和7282，前者Cache大一倍，頻率略有提高，默認TDP就來到了155W，Dell為送測的R7525配備了180W的散熱器——而EPYC 7282的TDP則“只有”120/150W。當然，CCD應用7nm的效果還是比較明顯的，同樣16核、L3 Cache只有7302四分之一，運行頻率還低500MHz的7301，TDP也有150/170W，基本與7302相當。

為了滿足云計算、高性能計算（HPC）和虛擬化等場景的用戶需求，AMD又向EPYC 7002系列CPU中增加了大量多核大(L3) Cache以及核數雖少但頻率很高的型號（如今年初發布的7Fx2系列），導致全系列產品中TDP在200W以上的SKU占比很高，也給服務器的散熱設計帶來了更高的挑戰。

200W+的CPU將越來越常見

EPYC 7002系列的另一大改進是PCIe從3.0升級到4.0，單路仍然是128個通道，但雙路可以支持多達160個通道（譬如Dell PowerEdge R7525的特定配置）——在主板支持的情況下。第一代EPYC處理器推出時的一個賣點是，為其設計的主板也可以支持第二代EPYC處理器。沒有廣而告之的是，要支持PCIe 4.0，主板需要重新設計。用老主板可以更快的把第二代EPYC處理器推向市場，卻不能充分發揮新CPU的全部能力。

不過，PCIe 4.0本身就是一個很大的話題，留待以后（有機會的話）專文討論。