AMD Ryzen 5000: ¿Cómo consigue la arquitectura Zen 3 un 20% más de rendimiento?

AMD Ryzen 5000: ¿Cómo consigue la arquitectura Zen 3 un 20% más de rendimiento?

por Antonio Delgado 05/11/2020 2

Introducción. Especificaciones y precios de las CPU AMD Ryzen 5000

El lanzamiento de la arquitectura Zen hace ya tres años supuso la vuelta de AMD a la competitividad en el mercado de procesadores, incluyendo los modelos de alto rendimiento. Poco a poco, con el lanzamiento de Zen+ y el más reciente Zen 2 a 7 nanómetros, la compañía pudo hacer frente a su principal competidor, Intel, tanto en rendimiento como en precios. El mes pasado AMD anunció sus procesadores Ryzen 5000 Series, una nueva familia que estrena la nueva arquitectura Zen 3 con la que afirman disponer de los procesadores más rápidos para cualquier tarea gracias a unas mejoras de hasta el 20% en IPC y rendimiento mono núcleo, al mismo tiempo que mantienen modelos que van desde los 6 hasta los 16 núcleos.

Zen 3 vendría a ser la guinda del pastel que AMD lleva cocinando desde 2017, unos procesadores con los que buscan convertirse en líderes del sector y que suponen un interesante salto de rendimiento al aprovechar su experiencia en los 7 nanómetros junto a una arquitectura completamente renovada tanto en diseño como en tecnologías.

La nueva familia de procesadores AMD Ryzen 5000 llega, al menos en su lanzamiento inicial, con cuatro modelos que suponen la punta de lanza de alto rendimiento para cada rango. De esta forma, el modelo más potente será el Ryzen 9 5950X, un procesador con 16 núcleos y 32 hilos que alcanza una frecuencia máxima de  4.9 GHz de Boost y base de 3,7 GHz. Cuenta con 72 MB de caché total y tendrá un precio de 829,90 Euros y un TDP de 105W. Aquí podéis leer nuestra Review del AMD Ryzen 9 5950X.

Gama/Modelo

Núcleos/Hilos

Frecuencia base

Frecuencia Boost

Cache L2 + Cache L3

TDP

Precio

AMD Ryzen 9

5950X

16N

32H

3.4GHz

4.9GHz

72MB

105W

€829,9

AMD Ryzen 9

5900X

12N

24H

3.7GHz

4.8GHz

70MB

105W

€569,9

AMD Ryzen 7

5800X

8N

16H

3.8GHz

4.7GHz

36MB

105W

€464,9

AMD Ryzen 5

5600X

6N

12H

3.7GHz

4.6GHz

35MB

65W

€309,9

Le sigue el Ryzen 9 5900X con sus 12 núcleos y 24 hilos a 3,7 GHz de Base y 4,8 GHz de frecuencias Boost, su caché combinada es de 70 MB y su precio será de 569 euros al mismo tiempo que mantiene el TDP de 105W de su hermano mayor. En nuestra review podéis conocer de lo que es capaz.

El Ryzen 7 5800X baja hasta los 8 núcleos más habituales, con 16 hilos de ejecución y una velocidad Boost de 4,7 GHz desde los 3,8 GHz de base. En este caso, por el diseño interno que veremos más adelante, su caché combinada es de 36 MB y su TDP se mantiene en 105W. Costará 464,9 euros y tenéis aquí nuestro análisis completo.

Finalmente, el Ryzen 5 5600X será la opción más económica, al menos mientras no lleguen los modelos sin "X". Tendrá 6 núcleos y 12 hilos con una velocidad base de 3,7 GHz y un Boost de 4,6 GHz, con 35 MB de caché combinada y un TDP de solo 65W por 309,9 euros.

Veamos qué esconden estos procesadores y la nueva arquitectura Zen 3.

Arquitectura Zen 3. Nuevo diseño para un 19% más de IPC

Las CPU AMD Ryzen 5000 Series mantienen un proceso de fabricación de 7 nanómetros y todas las mejoras de rendimiento y funcionamiento anunciadas por la compañía recaen, en su mayor parte, en una nueva arquitectura de procesador con cambios muy importantes en su estructura y funcionamiento. 

Estos cambios, como puede ser su estructura en módulos de 8 núcleos en vez de 4, con más memoria caché y una nueva manera de acceder a la misma, hacen que Zen 3 consiga un aumento de IPC del 19% y unas frecuencias de Boost superiores a las anteriores generaciones, además de unas menores latencias al unificar el diseño de los núcleos en esos módulos de 8 y conseguir el mayor rendimiento por Vatio del mercado.

Todo ello manteniendo el diseño de chiplets, con dos CCDs, ahora con un solo módulo CCX de 8 núcleos y caché unificada en vez de dos de 4, junto con el chipet encarcado de la entrada/salida.

Para conseguir ese 19% de aumento de rendimiento en IPC, todas las mejoras de Zen 3 suman, de hecho, podemos ver en el siguiente esquema qué porcentaje de mejora supone cada una de las novedades de la arquitectura. Como la nueva gestión de la caché, interfaz renovada, sistema de almacenamiento, etc.

La evolución de los chiplets, CCD con CCX unificados de 8 núcleos y 32 MB de L3

Como decíamos, con Zen 2, AMD introdujo un diseño de chiplets donde cada procesador estaba formado por uno o dos CCD que contenían en su interior dos CCX con 4 núcleos y 16 MB de caché L3. Todo ello unido a un tercer chiplet, el cIOD, encargado de entrada y salida hacia el controlador de memoria, PCIe, etc.

Zen 2:

Zen 3 mantiene el diseño de chiplets, con uno o dos CCD para los núcleos y caché L3 y el cIOD para entrada/salida, pero ahora cada CCD está formado únicamente por un CCX que alberga hasta 8 núcleos y una única caché de 32 MB.

El CCD con su CCX se comunica con el cIOD a través del sistema Infinity Fabric que interconecta con un bus de 16B por ciclo de escritura y 32B por ciclo de lectura de manera directa.

Zen 3 con un CCD/CCX (hasta 8 núcleos):

Zen 3 con dos CCD/CCX (hasta 16 núcleos):

El hecho de utilizar un diseño basado en chiplets hace que AMD haya podido realizar estos cambios importantes en el diseño del procesador, en la parte más importante que son los CCD/CCX, sin tener que cambiar de plataforma, ya que al mantener un cIOD similar al de las pasadas generaciones,  se mantiene la compatibilidad con el Socket AM4 y con los chipsets 500 y 400.

Caché unificada en Zen 3

Con Zen 2, un CCD con 32 MB de caché L3 y 8 núcleos estaba dividido en dos CCX, por un lado teníamos 16MB de L3 que se compartían entre cuatro núcleos, y por otro lado otros cuatro núcleos  con sus propios 16 MB de caché L3. Esto hacía que el máximo de caché a la que tenía acceso un núcleo fuera siempre 16 MB, aunque ese CCD de 8 núcleos tuviera un total de 32 MB L3.

Ahora, como hemos visto, con Zen 3 cada CCD cuenta con un único CCXde 8 núcleos con acceso a un bloque de 32 MB de caché L3 en común. De esta manera, todos los núcleos tienen acceso al total de los 32 MB de caché L3, haciendo que si, por ejemplo, tenemos una aplicación que funciona de manera intensiva en un solo núcleo, este núcleo pueda sacar partido de los 32 MB de caché teniendo acceso directo a ellos, el doble de los que tendría disponibles en Zen 2.

Nuevo diseño del núcleo Zen 3

En la siguiente diapositiva podemos ver cómo está distribuido un núcleo de la nueva arquitectura Zen 3 y su comparativa con Zen 2 para poder apreciar los cambios de manera más directa.

Se ha mejorado el sistema de predicción y ahora es capaz de recuperarse más rápido cuando se realiza una predicción errónea (este sistema predice qué instrucciones y datos se van a necesitar basándose en las anteriores). Además, se ha reducido la latencia en ciertas operaciones.

Seguimos teniendo dos hilos por cada núcleo, mediante la tecnología AMD SMT, y un nuevo sistema avanzado de predicción renovado.

Para las Caché tenemos I-Caché de 32k de 8 vías junto con caché de operaciones con instrucciones de 4K, además de D-Caché de 8 vías y caché L2 de 512k de 8 vías con conexión a través de la D-caché al registro de enteros y de punto flotante. Cada núcleo cuenta con cuatro unidades de enteros con sus propias unidades de datos.

Es capaz de realizar 3 operaciones de memoria por ciclo.

El cálculo con enteros también se ha mejorado consiguiendo una ejecución más amplia al mismo tiempo que se mantiene el mismo número de ALUs en cada núcleo (Unidad Aritmético-Lógica). Los "programadores" o Schedulers ahora se comparten para un par de ALU y AGU (Unidad de generación de direcciones)

Con todas estas mejoras se consigue ese aumento del 19% de instrucciones por ciclo de reloj o IPC.

Ese 19% es la media geométrica en distintos entornos, en ciertos casos se pueden conseguir mejoras de hasta el 39%. Por ejemplo, en la siguiente gráfica se ha comparado Zen 2 con Zen 3 en procesadores de 8 núcleos con una frecuencia fija de 4 GHz.

Los Ryzen 5000 con Zen 3 son los primeros procesadores del mundo que superan los 600 puntos en los test de un núcleo de Cinebench, un resultado directo de estos aumentos de IPC junto con las mayores frecuencias que alcanzan.

Esto tiene un impacto directo también en juegos, ya que tanto las mejoras de IPC como el acceso unificado atoda la caché disponible de cada CCD, sumado a las mayores frecuencias, hacen que el aumento de rendimiento en juegos sea de hasta el 50%.

Todo ello con un rendimiento por watio de hasta 2,8 veces el que consigue un Core i9-10900K, según los datos de la propia AMD.

Nuevas medidas de seguridad y nuevas instrucciones

El aspecto de la seguridad del hardware, sobre todo de la CPU, ha cobrado una gran importancia en los últimos años, cuando han aparecido diversos ataques que afectaban directamente a partes concretas de los procesadores como su sistema predictivo. 

Zen 3 introduce algunas mejoras de seguridad adicionales a las que ya se introducían en Zen 2. En concreto, los procesadores Ryzen 500 incluyen la tecnología CET (/Control-flow Enforcement Technology, enfocada a evitar los ataques de tipo ROP (Return-oriented programming), que son aquellos que permiten ejecutar instrucciones de código máquina presentes en la memoria del sistema aunque existan mecanismos de seguridad hardware. Básicamente,  CET implementa una pila de llamadas adicional que compara los resultados y las llamadas para terminar procesos malintencionados de este tipo.

Adicionalmente, también se han añadido instrucciones ISA en Zen 3, como son el soporte AVX2 para las instrucciones VAES/VPCLMULQD, y MPK (Memory protection keys)

Mejor aprovechamiento de altas velocidades de DDR4

Una de las novedades que introduce la arquitectura Zen 3 es la nueva relación  entre los relojes de la memoria (mclk, la frecuencia los módulos de RAM) , el reloj del control de memoria (uclk, que define la velocidad de emitir/recibir comandos a la RAM) y el reloj del enlace Infinity Fabric (fclk, encargado de comunicar los núcleos del procesador con otros núcleos y con controladoras PCIe, SATA, USB etc.).

En Zen 3, la relación de velocidad entre esos tres relojes se define como 1:1:1, lo que significa que dependiendo de la memoria de la RAM, el resto de buses se sincronizarán con la misma frecuencia, de tal forma que si tenemos unas memorias DDR4-3200, (velocidad real de 1.800 MHZ), tendremos 1.800 MHz también en el controlador UCLK y en Infinity Fabric FCLK, haciendo que todo el sistema vaya más rápido.

Esta relación se mantiene así para cualquier velocidad de memorias, al contrario que con Zen 2, donde si pasábamos de 3.800 MHz, el FCLK pasaba a relación 1:2 y se dividía entre 2 la frecuencia.

Esto significa que, a mayor velocidad de memoria, más rendimiento de manera más directa que en arquitecturas anteriores, y ofrece posibilidades  extra a la hora de overclockear el sistema completo, ya que podremos realizar overclock a las memorias sin estar limitados por aumento de las latencias del sistema a la hora de dividir entre dos el FCLK. Con Zen 3 el FCLK siempre aumentará conforme aumentemos las frecuencias.

Concretamente, AMD afirma que, al igual que los 3.800 MHz eran un "punto dulce" para Ryzen 3000 (Zen2), los Ryzen 5000 (Zen3) encontrarán ese punto en los 4.000 MHz. Aunque, para que nos hagamos una idea, AMD ha utilizado memorias DDR4-3600 para los test internos de rendimiento que os hemos mostrado.

Voltajes y temperaturas de operación

El rango de voltajes a los que funcionan estos nuevos procesadores basados en Zen 3 va desde los 0.200v hasta 1.500 v durante un funcionamiento con los valores de stock. El procesador es capaz de ir variando los voltajes y los estados dependiendo de cada momento, hasta un nivel en el que no tiene sentido realizar downcloking o downvolting, ya que se consigue más ahorro energético dejando que el procesador se autogestione.

De hecho, el cambio entre estados y voltajes de Zen 3 es tan rápido que el sistema operativo no es capaz de monitorizarlos todos. El procesador puede cambiar cada ms, mientras que el sistema operativo más rápido monitoriza cada 250 ms.

Esto tiene ciertas implicaciones cuando se alcanza el estado C6, un estado en el que un núcleo deja de consumir. Se trata de una estrategia que AMD utiliza para gestionar al máximo la eficiencia energética, siendo C6 el estado más profundo del procesador que, a modo de resumen, lo que hace es desconectar el núcleo de la energía, pasando a recibir 0,0 v.

Esto supone un problema a la hora de monitorizar el voltaje por parte del sistema operativo, ya que, como decíamos, el sistema operativo no es capaz de monitorizar con la misma velocidad que el procesador cambia de estado, además acceder al Vcore cuando el núcleo está en estado C6 haría que el núcleo saliera de ese estado, eliminado las funciones de ahorro de energía.

Es por ello que el sistema operativo solo puede monitorizar el VID y el Vcore en el último estado anterior a C6, por lo que mostraría que en el estado C6 se está en un voltaje alto, en vez de 0,0v, por eso hay que tener en cuenta que las herramientas actuales de medición de Vcore podrían estar dando resultados no reales.

La manera de poder monitorizar esto y ver el funcionamiento del procesador es utilizando observaciones indirectas mediante la media. A través de Ryzen Master es posible conocer el ACV (Voltaje de núcleo medio), esto se basa en una medición del voltaje de todos los núcleos para conseguir una media. De esta forma, aunque un núcleo esté a plena carga, si el resto está en C6, se mostrará un voltaje más cercano al real del conjunto del procesador.

Por ejemplo, en estas diapositivas podemos ver el voltaje que muestra el CPU-Z cuando se ejecuta el cinebench R20 en el test de un núcleo, con un valor de 1,43v mostrado. Aunque realmente solo estarían dos núcleos en el estado p0.

Sin embargo, la media o ACV, mostraría un voltaje de 0,52v.

Windows 10 ya está optimizado para Zen 3

Al contrario que con el lanzamiento de anteriores generaciones de Ryzen, donde AMD lanzó también un "AMD Ryzen Balanced Power Plan" para una gestión óptima de la energía y desempeño de sus procesadores, Los Ryzen 5000 ya cuentan con soporte directo en Windows, haciendo que el Ryzen balanced power plan pase a estar obsoleto.

Desde el May 2020 update, el plan energético óptimo es el que trae el sistema por defecto, y no hace falta instalar nada más. No obstante, se sigue recomendado instalar los drivers de Chipset más actuales desde la web de AMD:

Rango de temperaturas máximas de Ryzen 5000

En cuanto a gestión térmica, los AMD Ryzen 5000 Series están pensados para gestionar automáticamente sus frecuencias y rendimiento dependiendo de distintas variables como la temperatura, al igual que sus predecesores.

Los rangos de temperatura en los que se moverán dependerá del tipo de disipación, estableciendo AMD 5 niveles de temperaturas máximas que puede alcanzar el procesador.

De esta manera, con el disipador de serie, los Ryzen 5000 de 65W pueden alcanzar hasta  los 95ºC, mientras que los de 105W se quedarán en 90ºC.

Con un disipador de gama baja adicional, el rango de temperaturas rondará los 80-95ºC, mientras que con un disipador de torre de gama media las temperaturas deberían andar entre 70 y 85ºC. Este tipo de disipadores ya superaría los requisitos de disipación del procesador, al igual que los disipadores de gama más alta que colocarían las temperaturas máximas entre los 60 y los 80ºC.

Soporte para chipsets AMD 500 y 400

Los procesadores Ryzen 5000 mantienen soporte con el socket AM4 que la compañía lanzó con los primeros Ryzen. Sin embargo, se requiere de un chipset de serie 500 o 400 para funcionar. Debido al diseño de chiplets y al mantener el mismo tipo de cIOD, AMD ha podido implementar la parte de los núcleos (CCD) con la nueva arquitectura Zen 3 mientras se mantiene la compatibilidad con el socket AM4 y las últimas plataformas.

Desde el día de hoy, todos los procesadores AMD Ryzen 5000 con arquitectura Zen 3 son compatibles con las placas base con chipsets de la serie 500 actualizados con AGESA 1.0.8.0 o más nueva, aunque para tener compatibilidad total deberán actualizar la BIOS de la placa con AGESA 1.1.0.0, disponible a partir de hoy.

AMD ha asegurado también compatibilidad con la anterior generación de chipsets, la serie 400, no obstante, hasta principios del próximo año 2021 no estarán disponibles las primeras BIOS beta de los fabricantes, ya que se encuentran todavía en fase de desarrollo.

Rendimiento Gaming y para creadores

Todas las mejoras de rendimiento e IPC que hemos visto hasta ahora van enfocadas, al fin y al cabo, a la ejecución de todo tipo de programas y aplicaciones. Sin embargo, el gaming es uno de los sectores donde el PC ha ganado más presencia, y AMD ha centrado en ese sector gran parte de sus esfuerzos a la hora de mostrar de lo que es capaz Zen 3. El propio lanzamiento, mostrando primero los cuatro procesadores con mayores frecuencias, ya nos deja hacernos una idea, pero también la gran batería de pruebas de rendimiento en juegos que la compañía ha mostrado para reclamar el trono de los mejores procesadores para gaming con estos Ryzen 5000.

Los test que han mostrado se han realizado en resoluciones de 1080p y 720p, cantidadoes donde las tarjetas gráficas no tienen  tantos problemas para renderizar y donde las variaciones de rendimiento son más sensibles al rendimiento del procesador.

El equipo de pruebas donde han comparado Intel y AMD cuenta con los mismos componentes y entorno térmico, e incluso la gráfica utilizada es una RTX 2080 Ti para ambos equipos. Con todo ello, AMD afirma que el AMD Ryzen 9 5900X es el mejor procesador para gaming del mundo, asegurando que es el rival a batir.

AMD promete mejoras de rendimiento de hasta el 21% comparándolo con el Core i9-10900K, superándolo en 30 de 40 juegos probados.

En creación de contenidos, el aumento de rendimiento respecto de la generación anterior alcanza cotas de hasta 1,19x en este procesador.

El Ryzen 7 5800X compite con el Core i7-10700K, pero es capaz incluso de superar también a un Core i9-10900K en varios títulos.

El Ryzen 5 5600X será la opción más económica, con sus 6 núcleos, 12 hilos y todas las mejoras de IPC de Zen 3, superando sin problemas a un Core i5-10600K.

Finalmente, el Ryzen 9 5950X será la opción para los que buscan el máximo rendimiento en cualquier entorno, ya sea juegos, creación de contenido o tareas avanzadas, gracias a sus 16 núcleos y 32 hilos Zen 3.

Resumen y Conclusión

Hemos repasado todas las novedades que introducen los procesadores AMD Ryzen 5000 series con el lanzamiento de los Ryzen 9 5950X, Ryzen 9 5900X, Ryzen 7 5800X y Ryzen 5 5600X, unos procesadores que prometen hasta un 20% más de rendimiento e IPC y con los que AMD reclama el trono de los mejores procesadores de sobremesa para gaming o creación de contenido.

Estos procesadores estrenan la nueva arquitectura Zen 3 integrada en su distribución en chiplets, ahora con un diseño de CCD de 8 núcleos con acceso al total de los 32KB de caché L3, el doble que la que podían acceder los núcleos Zen 2, junto a varias novedades que le permiten, no solo aumentar su rendimiento, sino que convertirse en los procesadores con mayor eficiencia y rendimiento por Vatio del mercado.

Todo ello, unido a otras mejoras de la arquitectura, al aumento de frecuencias y a un mejor aprovechamiento de las memorias entre otras cosas, dan el pistoletazo de salida para una generación con la que AMD quiere terminar su reconquista del mercado de las CPU y que obligará a Intel a responder para seguir luchando por el pastel de los procesadores.

Sin duda el mercado de los procesadores de PC vive una época realmente interesante para los entusiastas del hardware.

¡No os perdáis nuestras reviews de los nuevos AMD Ryzen 5000!:

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Redactor del Artículo: Antonio Delgado

Antonio Delgado

Ingeniero Informático de formación, redactor y analista de hardware en Geeknetic desde 2011. Me encanta destripar todo lo que pasa por mis manos, especialmente lo más novedoso en hardware que recibimos aquí para hacer reviews. En mi tiempo libre trasteo con impresoras 3d, drones y otros cachivaches. Para cualquier cosa aquí me tienes.