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PC处理器市场在变天:Intel的王者宝座还能坐多久?

时间:2020-02-13 作者:黄烨锋 阅读:
前不久,UserBenchmark跑分测试的数据库中出现一款名为“Ryzen 7 4800U”的低压处理器,8核心、16线程,其跑分成绩达到了单核138分,全核1074分(搭载该处理器的笔记本型号为HP EliteBook 845 G7 Notebook PC)。这个分数在处理器中是什么量级呢?
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前不久,UserBenchmark跑分测试的数据库中出现一款名为“Ryzen 7 4800U”的低压处理器,8核心、16线程,其跑分成绩达到了单核138分,全核1074分(搭载该处理器的笔记本型号为HP EliteBook 845 G7 Notebook PC[1])。这个分数在处理器中是什么量级呢?Intel去年年中发布的、定位笔记本产品的标压旗舰处理器Core i9-9980HK(TDP 45W)在UserBenchmark数据库中的跑分为单核128分,多核1101分。

要知道,Ryzen 7 4800U是来自AMD的定位超级本TDP 15W的低压处理器。这其中令人惊奇的点有两个。其一Ryzen 7 4800U是AMD的低压处理器,其跑分成绩已经和Intel九代酷睿的笔记本标压处理器相似;

其二,目前采用Intel最新的十代酷睿低压处理器Core i7-10710U(6核心、12线程),在UserBenchmark的用户提交得分数据库中,最顶尖的得分是143分/910分(所有用户提交平均分115分/638分)[2]。由于AMD Ryzen 7 4800U的频率更低,所以理应拿来做对比的应该是4700U,无奈尚无4700U的成绩,所以单核性能没有很好的参照。但至少AMD定位笔记本的低压处理器,已经部分达到或超过了Intel的同代竞品,这在过去十几年都是相当罕见的,尤其是高端市场的竞争。

当然,我们之前针对笔记本散热的探讨文章[3]就已经提过,讨论低压处理器的性能需要极大程度考虑设备的系统设计,包括运行功率、散热设计等。Ryzen 7 4800U并未正式上市,UserBenchmark数据库中的这个抢跑成绩,除了数字之外,没有透露任何信息。所以我们并不清楚这个成绩究竟是怎么跑出来的,以及是否能够反映实际运行环境。

只是无论如何,AMD自2017年以来发动的这波攻势,大概都是Intel始料未及的,毕竟Intel稳坐PC处理器市场头把交椅已经有十多年之久,并且始终在技术、产品表现上相比AMD有着碾压级别的优势。

当年市场份额由盛转衰

AMD在2017年发布初代Zen架构以后,十多年来第一次在处理器性能上有了与Intel叫板的资本,而且还保持了传统的性价比优势。因此,我们对当前PC处理器市场进行了一次简单的梳理,有关市场分析的详情可参见即将发布在3月刊《国际电子商情》的文章。这里援引其中的一部分数据:上个月有不少媒体撰文提及,AMD的PC处理器市场份额已经逼近40%。

实际就统计机构Mercury Research的历史数据来看,AMD在这块市场的季度出货量占比常年徘徊在10%左右,近九成市场长期被Intel把持。如果AMD能在短短两年不到的时间里将市场局面扭转至40%,那也绝对称得上是逆袭了。不过实际情况恐怕并没有这么美好。40%这个数据的出处,是一个基准测试平台PassMark[4]。它统计的是每个季度,提交跑分成绩的用户数量。

来源:PassMark[4]

上面这张图是PassMark统计自2004年第一季度至今的用户占比数量变迁。到2020年第一季度,其AMD用户数量占比的确已经接近40%。但从其统计方法就很容易想见,这个数据不能代表一般的消费市场。因为一方面PassMark只针对Windows平台,另一方面会提交测试成绩的用户大多都是技术爱好者——而AMD在技术爱好者中的用量会显著大于普通消费用户。所以40%这个数字大致上是不靠谱的。

不过从这张图的历史趋势来看,虽然占比数字可能无法代表市场整体状况,但其历史走向还是符合实际情况的。比如这张图中在2005年前后,AMD与Intel的市场份额非常接近。实际上,AMD在2003年推出K8处理器,首度将内存控制器放到CPU内部,同时很快引入了x86-64处理器Athlon 64,实现对64位的支持——无论在这个向下兼容的决定中,AMD是否存在过错,当时AMD都一度将自家的PC处理器产品推向了高峰。而且在此期间,著名的Intel Pentium 4正在背负高频低效的骂名。2004年下半年起的一段时间内,AMD出现了与Intel在PC处理器市场份额上相持不下的局面。

但好景并不长,收购ATI成为AMD走下坡的转折点。有关收购导致的问题在此不多做赘述,但AMD 2006-2008三个财年的营业利润(Operating Income)都处在亏损状态,其中2007年的营业利润为-27.10亿美元。2009年,AMD就出售了旗下的晶圆制造厂(即现在的Global Foundries),以及移动图形芯片业务(也就是现在高通的Adreno)。

2011年AMD为PC处理器做出了现在看来完全错误的技术决策:CMT(Clustered MultiThreading),并在后续的处理器产品上,单核性能拉开了与Intel越来越大的差距,直至几乎完全放弃高端市场,以及被嘲笑“i3秒全家”。实际上,2012、2014、2015、2016年AMD的营业利润都全部以负数状态出现在财报中,其中2012年、2015年,AMD的年度收益(Revenue)也出现大幅滑坡,分别下跌17%和28%[5]。我们没有仔细去研究这些年AMD财务出现问题的具体原因,但可以肯定的是,这十几年,AMD的日子都不大好过。这些在PassMark的市场份额走势中也相当明确地展现出来了。

不过在PassMark的数据里,2017年似乎成为又一个转折点,并在2019年有一波强势反弹。2017年正是AMD宣布推出Zen架构的一年,而去年则有Ryzen 3000系列发布。

我们虽然撰文仔细解释过Zen 2架构相较上代架构的改进[6],但实际上,Zen初代架构的发布对AMD来说才真正有着里程碑式的意义。也是从Zen初代开始,AMD的PC处理器终于在单核性能上赶上Intel,弥合了多年来的产品竞争鸿沟。针对这一点,我们首先来谈一谈在Zen以前,AMD选择CMT技术路线之后,其处理器走的是怎样一条路。

把点歪的技能树扶正

在过去十几年里,AMD都在采用一种名为推土机(Bulldozer)的处理器微架构。这里我们不谈AMD在CPU工艺方面的落后问题,毕竟Intel保持了十多年的制造工艺绝对领先:2017年Zen发布之际,AMD更早的APU主流产品线还在用28nm工艺,这个时候Intel的Kaby Lake处理器产品已经在用14nm工艺。更重要的是,推土机架构一直以来的重点在于:将整数scheduler和吞吐能力翻番,整数单元模块能够同时接收两个指令的线程——这样一来对于整数运算负荷比较重的工作,会有优势。

但每两个整数单元共享一个浮点运算单元。推土机更适合用模块(module)来划分,而非传统的核心(core)。两个物理整数核心,以及一个浮点核心构成一个模块[7]。在“核心”这个概念上,AMD也在宣传中将1个模块算作2个核心。这种CMT的微架构理念,意即:处理器的某些部分,是给两个线程共享的;而某些部分则是每个线程独占的。

推土机架构一个完整的模块,也就是2个核心,来源:Wikipedia[7]

这种思路与Intel选择的SMT(Simutaneous MultiThreading)就有显著不同,在Intel的超线程技术中,两个虚拟的并发线程,共享一个物理核心的资源。

说得再具体一点,一个推土机CMT模块,针对整数运算来说就是两个核心,但对浮点运算来说有时是一个核心、有时又可以算作两个核心——这主要取决于执行的两条线程中,浮点指令是否填满了CMT模块中的浮点单元,以及浮点运算单元正在执行的是128bit还是256bit浮点操作。因为在模块中,每两个整数核心,只搭配了一个浮点单元——这个浮点单元又包含两个128bit FMAC(浮点乘法累加)执行单元。

之所以选择这种方案,按照AMD所说是因为他们认为,当时的绝大部分操作系统工作,都是基于整数运算的,比如说循环迭代、真假布尔值比较或者预测。CMT所要达成的理念是:更加充分、高效地利用执行单元。然而在实际发展中,操作系统日常负载对浮点运算能力开始提出更高的要求,传统的操作系统在分派任务的时候也面临效率问题。且在仅有一个线程的情况下,CMT模块就面临大量整数运算单元空闲的问题。CMT这种方案最早在Sun公司推出之初,就定位于偏弱的单核性能,以及借由堆核心的方式来达成高性能,实际证明并不适用于PC市场。比较有趣的是,由于CMT这种设计方案的特殊性,当时甚至有消费用户将AMD告上法庭,称AMD宣传的核心数目存在欺诈问题。[8]

此外,推土机还有一些设计理念也始终被人诟病。比如说直写式(write-through)的L1 cache,以及一个模块共享的L2 cache,都导致了更高的延迟和功耗。另外推土机没有采用μop cache,也增加了指令解码功耗与延迟。加上制造工艺方面的缺陷,AMD在高端市场上没有能力与Intel一战也显得理所应当。

推土机的最后一代产品挖掘机(Excavator,第四代推土机)在规划中,已经针对原版的推土机设计做了很大的改进,包括芯片设计上金属堆叠、新的线程/dispatch机制,新的内部分析技术实现更低的功耗、更高的性能;更大的L1-D cache,L1 BTB(Branch Target Buffers)等。在2016年AMD公布的一张产品规划图中,采用新核心(挖掘机这代微架构的核心名为Carrizo)的APU,预计到2020年能效(energy efficiency)相较2014年可以提升25倍[9]。

不过我们都知道,2017年Zen就问世了,推土机退出历史舞台。只是Zen的诞生也并不是一蹴而就的。一般我们认为,2012年Jim Keller回归AMD是Zen得以诞生的主要推力[10]。Jim Keller当时的目标就是要构建一支队伍,为新架构奠定基础。Jim Keller在AMD花了三年时间构建起Zen,之后又去了Tesla。

随后AMD又花了一年时间对Zen做精调,Zen便以Ryzen(锐龙)处理器的名号于2017年问世了。Zen架构的目标就是构建起属于高端CPU应有的性能,或者说要像Intel那样获得足够好的单核性能,所以放弃CMT是一定的。鉴于篇幅关系,本文不打算花太多笔墨去谈Zen初代架构是什么样,更多内容可以参见我们早前对Zen 2二代架构的解析[6]。

最初AMD提到,Zen相较挖掘机核心的IPC性能提升40%

Zen架构从各种角度,都更像是当代的高性能处理器了,或者说这才是高性能处理器应有的样子。相较推土机,Zen的改进主要在于第一加入了μop cache,这样一来最近用过的指令就能放进μop队列,而不需要进行再次解码,一定程度节省了核心与cache之间的开销;L1、L2、L3三个层级的cache改进,包括cache带宽、容量的显著增加;以及真正转向SMT,一个物理核心能跑两个线程,第二条线程也能访问执行端口、队列、cache。

在实现方式上,AMD的SMT和Intel的超线程还是有区别的,比如说Zen采用两个scheduler,一个给INT整数,一个给FP浮点。更多的变化当然不止这些,比如在功耗问题上,Zen针对围绕核心的关键路径做更为激进的监控,在各个区域控制好频率和功率(Zen有更多的不同时钟区域);还有加强的分支预测器,更大的scheduler、dispatch、retire,加强的load/store单元等等。

Ryzen处理器还有一点十分重要的改进,即初代开始采用GlobalFoundries的14nm FinFET工艺;而且在Ryzen 3000(Zen 2)产品上针对桌面端CPU采用台积电的7nm工艺。由于Intel的10nm工艺迟迟未能进入量产阶段,且应用于Ice Lake-U十代酷睿移动版的10nm工艺显然也还不够成熟:市场上已经部署的Ice Lake处理器频率未能抬升到与14nm Comet Lake同等高度,即表明Intel仍需要时间对10nm工艺做调优。考虑到Intel的10nm工艺,与台积电的7nm工艺基本可认为是同代工艺,那么AMD多年的CPU制造工艺落后问题也几近解决。

在Zen架构问世最初,AMD宣称相较最出色的推土机产品,其IPC提升超过40%,且功耗不变——在产品问世之际,当时就有不少技术爱好者和分析师质疑AMD是否真能达成自己所说的成绩。而在正式发布会上,AMD又改了这个数字,提及依据SPEC的基准测试成绩来看,新一代产品相比打桩机核心(Piledriver)性能提升52%,相比挖掘机(Excavator)提升64%。

与此同时,AMD还提到了每瓦性能2.7倍的提升,而为效率提升做出贡献的主要包括了上图中提到的这些因素。

单线程性能对比,蓝点表示Intel Core产品,红点表示AMD产品,未标注文字的蓝点应该是不同频率下Intel Kaby Lake处理器的成绩,来源:AnandTech[11]

多线程性能对比,来源:AnandTech

AMD在Ryzen初代(Zen初代)刚发布之后,从AnandTech的测试结果来看,Ryzen初代处理器最重要的变化就在单线程性能表现上,AMD终于达到了与Intel同代旗舰PC处理器产品相似的水平,这也是AMD这些年在Zen身上努力的方向,包括全新的预取(pre-fetch)算法,μop cache的引入,明显更大的L2 cache等等。单核性能以往从来都是Intel的传统优势项目,Intel也在包括微架构、制造工艺等诸多层面为保持这种优势地位做了不小的努力。

Ryzen初代产品的多线程测试则表现出了十分显眼的竞争力,尤其在综合考量产品售价(横轴,此时尚未考虑到Intel产品的后续降价)与性能表现时。这样的性能表现在以往可是从未有过的。值得注意的是,上面这两张图中的A10-7890K乃是此前AMD推土机APU产品(Kaveri)中性能之冠,Ryzen 7 1700较之已经有了性能方面极大的提升。

总体产品性能与价格对比,来源:AnandTech

次年,AMD发布改良版Zen架构:Zen+,以及采用Zen+的Ryzen 2000系列产品;2019年的CES展会上,Zen 2架构宣布推出,且这一年Ryzen 3000系列产品开始采用台积电的7nm工艺(Ryzen移动平台产品例外)。如果说初代Zen发布,还算是将性能达成可与Intel媲美的程度,那么其后的步伐就大有在性能上赶超Intel的意思了。

尤其就日常任务来看,当AMD的处理器开始在单核性能表现上与Intel越来越齐头并进时,Intel的产品策略也做了相当激进的调整,这是过往十几年都不曾出现过的局面。例如Intel一举将第八代Core低压处理器的核心数量翻倍——被用户戏称为“一屁股坐在了牙膏管上”,且架构都还没来得及做大幅调整(Kaby Lake Refresh)就开始做产品部署;另外就是产品的降价策略越来越激进,尤其在Ryzen第三代线程撕裂者(Threadripper)CPU正式发布以后,Intel很快就对高端产品线Cascade Lake-X架构Core i9相应产品做了价格调整,最高降幅达到50%。

从现有双方桌面级PC处理器的高端产品对决来看,去年年末同期上市的AMD Ryzen 7 3950X(16核/32线程/4.5GHz睿频/TDP 280W/TSMC 7nm/749美元)与Intel Core i9-10980XE(18核/36线程/4.6GHz睿频/TDP 165W/14nm/999.99美元),同平台下,后者已经开始在应付某些CPU绝对性能跑分测试(如Cinebench R15/R20)时相较前者越来越吃力。

当然在Intel坚守的类似于SPECworkstation这样的生产力测试项,以及游戏项目测试中仍然保有优势;另外在第十代Core产品中,Intel加入了一些新的特性,包括AVX-512原生支持,以及Intel Deep Learning Boost,对AI做加速(其中包含有AVX-512矢量神经网络指令支持)。只不过现有消费级桌面用户市场还鲜有应用场景,而且这些新特性大概暂时不能反映到系统性能跑分成绩上来——这对Intel而言或许也不算公平。

但无论如何,Intel在PC处理器领域性能方面的绝对领先优势的确已经不再。

市场变化的迹象

有关PC处理器市场方面更为抽象的变化,如前文所述,将在3月刊的《国际电子商情》杂志中刊发。而在本文,我们谈到了一些更偏向技术层面,以及更具体的市场行为,包括Intel开始更为积极地参与到堆核心的竞争中来,且在近两年持续多次对产品价格做出调整,甚至越来越注重召开产品发布会的时机。这些都是对AMD产品愈发具备竞争力的回应。

Intel在PC处理器市场的基本盘更在于PC OEM厂商:去年微软首次在Surface产品线上引入了AMD Ryzen版本的Surface Laptop 3笔记本,而且价格相较Intel Core版更便宜。这原本是比对同一款消费电子产品,相同外壳、尺寸甚至是散热设计的前提下,Intel与AMD竞品的大好机会。不过可惜的是,在移动产品线上,Intel与AMD的产品更多表现出了错位竞争的方式。

就两个版本的Surface Laptop 3在性能、续航及效率上的对比结果来看,Intel Core版仍然是碾压AMD Ryzen版的[12]。不过微软为这款笔记本选配的Intel处理器是最新的Ice Lake-U产品,即第十代Core低压处理器中,采用新工艺(10nm)和新架构的产品;而AMD Ryzen版,虽说也是最新的Ryzen 3000系列,但移动版的Ryzen 3000并没有采用最新的Zen 2架构,也没有采用7nm工艺。这种错位竞争实则产生了明确的代差。

无论如何,PC OEM厂商开始在同型号产品中采用AMD、Intel两个版本的处理器乃至两个平台,都表现出AMD的市场竞争力正在加强,且延续多年的市场颓势也在发生变化。微软也并非唯一一个正在这么做的OEM厂商。AMD竞争力的加强,从其近两年的财报就能看出十分显著的变化,不仅是年度收益持续上扬,FY2019 Q4营业利润增幅达到了213%。

上个月的CES 2020展会上,AMD宣布推出Ryzen 4000系列移动处理器,相较Ryzen 3000系列移动处理器,这次的产品也开始和Ryzen桌面版一样采用台积电7nm工艺,Zen 2架构核心,TDP设计15-45W不等。移动版Ryzen 3000系列还在用一代改良版的Zen+架构,以及Global Foundries的12nm工艺。另外这次的Ryzen 4000移动版核心数目至多推高到了8个[13],前文提到的Ryzen 7 4700U/4800U即在其列,8核低压处理器对超级本市场来说又是一剂强心针。

除CPU部分之外,其余部分的提升还包括:

  • 图形计算部分至多8个Vega CU(计算单元),相比上一代频率更高,但少了3个CU。不过AMD表示由于工艺提升,8 CU在实际性能表现上是优于上一代的11 CU的。AMD宣称在3D Mark Time Spy中,这次的图形性能比Intel Core i7-1065G7(Intel最新的10nm、Ice Lake-U架构低压处理器)高出28%,
  • 主内存支持LPDDR4X,至多64GB。AMD特别在发布会上说,这次的主内存时钟与Infinity Fabric是脱钩的,所以空闲状态(idle states)就能进一步节能——这一点似乎原本就属于Zen 2架构的特性;配合在APU供电方面的架构改进,进一步降低功耗;另外进入和退出空闲状态的延迟,部分减少80%,帮助进行功率门控(power gating),以及确保响应及时。
  • 包括标压版在内的Ryzen 4000移动处理器,都仍不支持PCIe 4.0。

AMD宣称TDP 15W的CPU每瓦性能能够提升2倍,所以核心数量翻倍,且频率不变,但功耗保持一致。APU整体的同频功耗降低20%。可能比较令Intel感到恐怖的是,AMD宣称,Ryzen 4000移动版处理器预计会在今年一季度上市。这大概足够给Intel再次造成压力了,因为从Intel的计划表来看,Ice Lake之后的下一代产品(Tiger Lake,以及Intel的10nm真正成熟)预计今年年末才会问世。

而本次发布也造就了文首提到的Ryzen 7 4800U低压处理器达到标压处理器跑分成绩的局面,即便对于这里的跑分环境我们仍然抱持怀疑态度。但很显然,今年的PC,尤其笔记本市场又将掀起一波性能攀升的小高潮,这在摩尔定律持续减缓的当下实在是罕见——技术的良性竞争就是可以为消费用户带来这样的遍历。

除此之外,预计到今年第三季度Zen 3架构就要登场了,Ryzen 4000桌面版处理器也将到来。这是Intel又需要花时间精力正面迎击的战局,Intel在过去十几年里似乎从未如此被动过。

去年11月份德国最大零售商Mindfactory.de的CPU总销量中,有82%是属于AMD的,最畅销的产品为Ryzen R7 3700X/3600X。在Mindfactory.de的历史上,2018年以前都没有AMD超过Intel的情况发生。同样是这个月,亚马逊最畅销处理器Top 10榜单,AMD占了8个席位,其中排名第一的是Ryzen 2700X。虽然如前文所述,CPU的消费市场出售渠道并不能说明太大的问题,Intel都必须重视如今这一局面了。

不过最后还是需要提及,就我们观察近些年Intel的财报状况,单从年度收益、净利润和现金流的角度来看,AMD这家公司的规模始终与Intel不在一个量级上;AMD历年的年度营收都不到Intel的1/10。而且Intel的盈利来源也远不止CPU市场。但对Intel而言,PC处理器所在的CCG(客户运算事业群)业务仍然占到其年度总应收的约52%,虽然我们不清楚PC处理器在其中具体占比是多少。

且Intel近些年的财务状况始终十分健康。在财力雄厚,以及早年有着教科书级别的市场行为做助力的前提下,Intel要找回市场,并且重新拥有技术方面的领先优势或许也并不算难事。只是此刻,Intel已经需要在意市场状况的变化、对手动向,以及找到最快的应对之策了。

参考来源:

[1] HP EliteBook 845 G7 Notebook PC Performance Results - UserBenchMark

(https://www.userbenchmark.com/UserRun/23316225)

[2] Intel Core i7-10710U - UserBenchMark

(https://cpu.userbenchmark.com/SpeedTest/900004/IntelR-CoreTM-i7-10710U-CPU)

[3] 聊聊无风扇的Surface Pro:性能比一般笔记本差多少? - 面包板

(https://mbb.eet-china.com/blog/3893689-413612.html)

[4] AMD vs Intel Market Share - PassMark

(https://www.cpubenchmark.net/market_share.html)

[5] AMD Financial Statements 2005-2019 - MacroTrends

(https://www.macrotrends.net/stocks/charts/AMD/amd/financial-statements)

[6] 13年了,Zen 2架构终于让AMD达到Intel的高度?- EE Times China

(https://www.eet-china.com/news/201907191446.html)

[7] Bulldozer (microarchitecture) - Wikipedia

(https://en.wikipedia.org/wiki/Bulldozer_(microarchitecture)#CMT)

[8] 博弈的艺术 AMD RYZEN 7锐龙处理器深度测试 - EVOLIFE.CN

(https://www.evolife.cn/computer/54351.html/2)

[9] AMD Carrizo Part 2: A Generational Deep Dive into the Athlon X4 845 at $70 - AnandTech

(https://www.anandtech.com/show/10436/amd-carrizo-tested-generational-deep-dive-athlon-x4-845)

[10] Jim Keller (engineer) - Wikipedia

(https://en.wikipedia.org/wiki/Jim_Keller_(engineer))

[11] The AMD Zen and Ryzen 7 Review: A Deep Dive on 1800X, 1700X and 1700 - AnandTech

(https://www.anandtech.com/show/11170/the-amd-zen-and-ryzen-7-review-a-deep-dive-on-1800x-1700x-and-1700/23)

[12] The Microsoft Surface Laptop 3 Showdown: AMD's Ryzen Picasso vs. Intel's Ice Lake

(https://www.anandtech.com/show/15213/the-microsoft-surface-laptop-3-showdown-amd-picasso-vs-intel-ice-lake)

[13]AMD Ryzen 4000 Mobile APUs: 7nm, 8-core on both 15W and 45W, Coming Q1

(https://www.anandtech.com/show/15324/amd-ryzen-4000-mobile-apus-7nm-8core-on-both-15w-and-45w-coming-q1)

责编:Luffy Liu

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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