Обзор процессора AMD Ryzen 9 3950X: фаталити

Один из самых базовых принципов, которому следует компания AMD в течение последних лет, звучит так: «А давайте добавим ещё ядер». Именно под этим девизом ведут своё триумфальное шествие как настольные процессоры Ryzen вместе со своими HEDT-собратьями Threadripper, так и серверные чипы семейства EPYC. Для наглядности можно подробнее вспомнить о предложениях AMD для массового сегмента, появившихся на рынке в течение последних лет: в первом поколении Ryzen против четырёхъядерных Kaby Lake она выставила процессоры с восемью ядрами, затем восьмиядерные Ryzen воевали с шестиядерными Coffee Lake, а в этом году на расправу с восьмиядерниками Coffee Lake Refresh был брошен двенадцатиядерный Ryzen 9 3900X. Но на этом история про то, насколько AMD прониклась идеей осыпать пользователей ядрами, далеко не заканчивается, потому что венцом семейства Ryzen 3000 компания решила сделать ещё более монструозный процессор — с шестнадцатью ядрами.

Впрочем, несмотря на сохранение тяги к увеличению числа ядер при каждом удобном случае, теперешняя тактика AMD всё-таки заметно отличается от того, как она действовала до этого. Если в 2017 и 2018 году дополнительные ядра в Ryzen выступали некой компенсацией их более низкой, чем у конкурента, удельной производительности и частоты, то с архитектурой Zen 2 «красные» наверстали отставание в показателе IPC и стали претендовать на то, чтобы перекроить под себя весь процессорный рынок. Как выяснилось ещё четыре месяца назад, когда вышли 12-ядерные Ryzen 9 3900X, за массовые процессоры AMD с исключительными характеристиками пользователи готовы платить существенно больше типичных для этого рыночного сегмента 500 долларов. Далеко ходить за примерами не нужно: когда проблемы с производством Ryzen 9 3900X обернулись суровым дефицитом и цена 12-ядерников в пике подскакивала до $900, покупателей это совершенно не останавливало – они продолжали методично сметать их с прилавков.

Теперь же AMD хочет окончательно закрепить массовую платформу Socket AM4 в более высоком позиционировании, доказав, что ей не возбраняется стоить в полтора раза больше устоявшейся годами цены. Доказывать это будет новый флагман Ryzen 9 3950X, в котором число вычислительных ядер увеличилось ещё на ступень — до 16. Такой процессор оценивается производителем в $749, позволяя платформе Socket AM4 совершить беззастенчивую вылазку на территорию HEDT, и, судя по тому, что уже было известно про Ryzen 9 3950X до сегодняшнего дня, не только провести разведку боем, но и надёжно там обосноваться. Уверенность в состоятельности новинки дают её характеристики. При помощи современного технологического процесса TSMC с 7-нм нормами и благодаря новаторскому чиплетному дизайну компания AMD смогла сделать так, что увеличение количества ядер в Ryzen 9 3950X не приводит ни к снижению рабочих частот, ни к ухудшению энергоэффективности. В результате 16-ядерный флагман должен достойно проявлять себя во всём спектре существующих задач, а в ресурсоёмких многопоточных нагрузках от него можно ожидать по-настоящему прорывной для массового сегмента производительности.

Иными словами, Ryzen 9 3950X, которому посвящается этот обзор, претендует на то, чтобы стать эдаким уберпроцессором для массовых платформ, которые характерны тем, что предполагают использование двухканальной памяти и имеют ограничения в количестве поддерживаемых линий PCI Express. Но именно здесь и кроется основная интрига сегодняшнего теста: при знакомстве с характеристиками Ryzen 9 3950X у многих может возникнуть ощущение, что для обычной общеупотребительной платформы это «уже чересчур», ведь получается так, что наряду с богатырским 16-ядерником производитель разрешает устанавливать в неё и двухъядерные процессоры-затычки стоимостью от $50. Удастся ли многообещающему Ryzen 9 3950X «расправить крылья», или его потенциал так и окажется нереализованным из-за ограничений в пропускной способности подсистемы памяти и по мощности питания? Об этом и поговорим дальше.

⇡#Ryzen 9 3950X в подробностях

С точки зрения топологии новый 16-ядерный Ryzen 9 3950X очень похож на рассмотренный нами ранее Ryzen 9 3900X. Перед нами – второй массовый процессор AMD, который основывается не на двух, а сразу на трёх полупроводниковых кристаллах, называемых в современной терминологии чиплетами. Один из этих кристаллов – универсальный 12-нм чиплет cIOD, отвечающий за функции ввода-вывода и содержащий внутри себя контроллер памяти, контроллер PCI Express и элементы SoC. Два других – 7-нм чиплеты CCD, в которых находятся вычислительные ядра, по восемь штук в каждом. Всё это соединяется в единое целое посредством шины Infinity Fabric, которая связывает каждый из CCD-чиплетов c кристаллом cIOD. При этом между собой CCD взаимной связи не имеют, но это не влечёт за собой никаких негативных последствий, так как вся логика Infinity Fabric находится в чиплете ввода-вывода, что уравнивает все ядра в правах. Иными словами, Ryzen 9 3950X, в отличие от многоядерных процессоров Threadripper прошлого поколения, не имеет никаких NUMA-узлов и с логической точки зрения обладает абсолютно монолитным дизайном, в котором задержки при работе с памятью и при взаимном обмене данными одинаковы для всех ядер.

Подробнее о том, как AMD реализует многочиплетный подход при создании флагманских процессоров Ryzen, мы говорили в обзоре 12-ядерного Ryzen 9 3900X. Шестнадцатиядерный Ryzen 9 3950X устроен точно так же, но в нём используются полностью функциональные кристаллы CCD, в которых нет заблокированных ядер.

Казалось бы, всё очень просто, и совершенно непонятно лишь то, почему AMD не представила Ryzen 9 3950X раньше, одновременно с прочими Socket AM4-процессорами. Однако у этой задержки есть вполне логичное объяснение. Дело в том, что, получив на руки прогрессивную микроархитектуру Zen 2, AMD поставила перед собой амбициозную цель не просто принести в массовый сегмент процессор с 16 вычислительными ядрами, а сделать это как можно более эффектно. Для этого, по изначальному замыслу, Ryzen 9 3950X должен был получить не только поддержку максимального для настольного сегмента количества потоков, но и высокие тактовые частоты, и чтобы всё это заодно не приводило к заметному росту тепловыделения и энергопотребления.

Многочиплетная конструкция позволяет решать разнообразные проблемы, свойственные крупным монолитным кристаллам, благодаря тому, что небольшие по площади чипы выпускать и проще, и дешевле. Но прямых методов для нейтрализации роста энергопотребления и тепловыделения при добавлении в процессор дополнительных ядер она не предлагает. Поэтому в конечном итоге AMD потребовалось ещё некоторое количество времени для того, чтобы Ryzen 9 3950X смог приобрести желаемые характеристики: 16 ядер, максимальные во всём модельном ряду Ryzen третьего поколения турбочастоты и ординарный для массовых CPU тепловой пакет. Достигается это очень простым в описании, но довольно муторным в реализации методом – выбором для таких процессоров наиболее качественных полупроводниковых кристаллов.

На самом деле такой же подход уже применялся в Ryzen 9 3900X, и на примере этого процессора можно было увидеть, насколько непросто даётся подбор кристаллов CCD для трёхчиплетных процессоров даже в том случае, если потом в них блокируется четверть ядер. AMD не удавалось удовлетворить спрос и обеспечить бесперебойные поставки 12-ядерников в течение целого квартала, в результате чего Ryzen 9 3900X долгое время были в дефиците. Выбрать же подходящие кристаллы для Ryzen 9 3950X ещё сложнее: два полноценных восьмиядерных полнофункциональных чиплета CCD вместе с кристаллом cIOD должны вписаться в 105-ваттный тепловой пакет, обеспечивая при этом примерно такие же частоты в окрестности 4,0 ГГц при полной загрузке, как и у остальных процессоров семейства Ryzen 3000.

Пауза, взятая AMD, должна была позволить компании вместе с производственным партнёром, полупроводниковой кузницей TSMC, оптимизировать техпроцесс и сформировать некоторый запас подходящих кристаллов с тем, чтобы из Ryzen 9 3950X получилась реальная, а не бумажная новинка. Но проверить, насколько эффективной оказалась вся эта подготовка, мы сможем лишь после 25 ноября – именно тогда будет дан старт продажам массового 16-ядерника AMD. Пока же мы имеем возможность оценить только производительность и нюансы работы Ryzen 9 3950X, но не можем ручаться за его широкую доступность в продаже по той цене, которую для него пообещала AMD, – $749.

Паспортные характеристики 16-ядерного Ryzen 9 3950X в сравнении с другими Ryzen третьего поколения выглядят следующим образом.

Базовая частота Ryzen 9 3950X установлена в 3,5 ГГц, что несколько ниже, чем у других процессоров модельного ряда, но зато частота в турборежиме может достигать 4,7 ГГц, а это – максимальный авторазгон для любых Ryzen третьего поколения. При этом процессор должен не выходить за рамки теплового пакета 105 Вт, то есть быть не прожорливее и не горячее старших моделей для Socket AM4, которые были доступны до сих пор.

Впрочем, переживать из-за тепловыделение Ryzen 9 3950X особых причин нет. Любые требования по тепловым и энергетическим характеристикам у AMD легко реализуются через технологию Precision Boost 2.0, которая задаёт для Ryzen 9 3950X те же самые пределы по потреблению и токам, что были установлены ранее для Ryzen 9 3900X или даже для Ryzen 7 3800X. Величина PPT (Package Power Tracking), ограничивающая фактическое потребление CPU, установлена в 142 Вт, максимальный потребляемый ток в течение длительных нагрузок TDC (Thermal Design Current) ограничен 95 А, а при кратковременных всплесках позволяется его рост до 140 А – данная граница заложена в константе EDC (Electrical Design Current). Если в реальных условиях процессор пытается выйти за эти границы, его частота принудительно снижается, что как раз и определяет его частотную формулу в действительности.

Чтобы оценить, в каком диапазоне могут распределяться частоты Ryzen 9 3950X на практике, мы провели традиционный эксперимент – прогнали популярный тест рендеринга Cinebench R20 с различным числом потоков и зафиксировали частоту, которая наблюдалась в каждом случае. В результате получилась следующая зависимость.

К сожалению, в реальности частоты Ryzen 9 3950X выглядят не так уж здорово, как можно было бы ожидать. Во-первых, этот процессор не выдаёт при однопоточной нагрузке обещанную спецификациями частоту 4,7 ГГц. AMD долго боролась с этой проблемой, но для нового 16-ядерника она всплывает вновь. Несмотря на то, что для тестовой материнской платы ASRock X570 Taichi уже доступен BIOS, основанный на самых распоследних библиотеках AGESA 1.0.0.4B, максимальная зафиксированная частота при однопоточной нагрузке в Cinebench R20 составила 4,625 ГГц, а средняя – 4,6 ГГц, то есть на 100 МГц ниже заявленной величины.

Во-вторых, при увеличении количества активных потоков (и числа задействованных ядер) эта частота достаточно резко идёт вниз. Например, при нагрузке на два ядра она падает до 4,475 ГГц, а на четыре – уже до 4,325 ГГц. Очевидно, что AMD и её партнёрам ещё придётся потратить некоторое время на исправление набившей оскомину проблемы с турбочастотами, но теперь уже с новыми шестнадцатиядерниками.

Также нельзя не заметить, что полная нагрузка в Cinebench R20 на все ядра загоняет частоту процессора заметно ниже 4-гигагерцевой планки. Таким образом, Ryzen 9 3950X – это первый представитель семейства Ryzen третьего поколения, который не дотягивает до 4,0 ГГц при активности всех ядер. У нашего экземпляра процессора частота составила 3,875 ГГц, в то время как, например, 12-ядерный Ryzen 9 3900X при рендеринге в Cinebench R20 мог работать на 4,05 ГГц. Снижение частоты происходит в этом случае из-за того, что Ryzen 9 3950X начинает упираться в установленные пределы по энергопотреблению. И, очевидно, при более сложной нагрузке, чем рендеринг, ситуация легко может усугубиться. Например, в стресс-тесте Prime95 29.8 c AVX-инструкциями частота Ryzen 9 3950X падает даже ниже номинального значения – вплоть до 3,3 ГГц.

Глубинные причины невысокой частоты Ryzen 9 3950X при многопоточных нагрузках состоят в том, как AMD подошла к отбору кристаллов для таких процессоров. К сожалению, высококачественные кристаллы CCD, способные работать на высокой частоте при умеренном напряжении и со сдержанным тепловыделением, встречаются крайне редко. Поэтому для того, чтобы обеспечить выпуск Ryzen 9 3950X в каких-то заметных количествах, AMD приняла решение использовать в них два вида принципиально различных по качеству CCD-чиплетов. Принцип простой: первый кристалл CCD отвечает за высокие частоты в турборежиме, но может при этом иметь большие токи утечки и более высокое энергопотребление и тепловыделение. Второй чиплет при этом должен предлагать хорошую энергоэффективность: он может не брать высоких частот, но его экономичность должна быть определённо лучше, чем у первого.

Жизнеспособность этой схемы в случае Ryzen 9 3950X определяется тем, что ядра в процессорах Ryzen третьего поколения неоднородны не только физически, но и логически. На этапе производства им раздаются приоритеты, и планировщик задач операционной системы всегда старается загружать работой сначала более податливые по частоте ядра (в Windows 10 это, например, работает, начиная с версии May 2019 Update). В результате AMD действительно удаётся выигрывать, разделяя задачи между чиплетами. В частности, работоспособность турборежима достаточно гарантировать лишь для избранных удачных ядер из чиплета с хорошей масштабируемостью по частоте. Остальные же ядра на высокую частоту никогда не выходят и привлекаются к расчётам лишь при многопоточных нагрузках, когда частота процессора гораздо ниже.

Всё сказанное очень просто проиллюстрировать. Следующая таблица показывает максимально достижимые ядрами нашего экземпляра Ryzen 9 3950X турбочастоты с напряжениями, которые запрашиваются ими для функционирования в таком режиме. Эти данные получены в однопоточном тесте Cinebench R20 при принудительном направлении нагрузки на разные ядра. Одновременно с наблюдением за частотами и напряжениями мы измерили также и энергопотребление работающих ядер.

Здесь явно видно, что первый чиплет (CCD0) является отборным по частоте, значительно превосходя по возможностям масштабирования производительности второй чиплет (CCD1). Так, ядра первого CCD-чиплета могут работать на частотах выше 4,475 ГГц, не требуя при этом напряжений сверх 1,466 В. Максимальные же частоты ядер второго чиплета на 100-200 МГц хуже, но несмотря на это, для работы на максимальных частотах им требуются более высокие напряжения, которые могут достигать 1,481 В. При этом характерная особенность второго CCD заключается в том, что даже на максимально возможной частоте его ядра потребляют при нагрузке меньше электроэнергии за счёт меньших токов утечки.

Различия в энергоэффективности кристаллов CCD видно и при полной загрузке процессора. В этом случае все ядра работают при одинаковой частоте и с одинаковым напряжением, но демонстрируют различное энергопотребление. Вот как это выглядит при многопоточном рендеринге в Cinebench R20.

У нашего экземпляра Ryzen 9 3950X потребление второго чиплета оказалось не намного ниже, чем у первого, однако общий принцип всё равно понятен: первый CCD-чиплет в процессоре высокочастотный, а второй – более медленный, но зато с пониженными энергетическими аппетитами.

Останавливаться на подробном анализе остальных характеристик Ryzen 9 3950X мы не будем: они точно такие же, как у Ryzen 9 3900X. Так, процессор имеет L3-кеш объёмом 64 Мбайт, который состоит из четырёх 16-мегабайтных частей, распределённых по четырём CCX (Core Complex), а также предлагает 24 линии PCI Express 4.0, 16 из которых обычно выделяются на видеокарту, 4 – на NVMe-накопитель и ещё 4 – на соединение с набором системной логики. Подробнее всё это можно увидеть на скриншоте CPU-Z.

Хотя Ryzen 9 3950X – процессор для обычной массовой платформы Socket AM4, во всех своих маркетинговых материалах AMD явно указывает, что конкурентов в экосистеме LGA1151 у него нет. Установленная на Ryzen 9 3950X цена, составляющая $749, противопоставляет его предложениям для HEDT-платформы LGA2066. В официальной презентации новый 16-ядерник называется конкурентом для 12-ядерного Core i9-9920X, который согласно официальному прайс-листу стоит $1 189. Но нужно иметь в виду, что через пару недель на рынке появятся процессоры Core X десятитысячной серии (Cascade Lake-X), стоимость которых будет снижена. И уже скоро против Ryzen 9 3950X будет выступать не 12-ядерный, а уже 14-ядерный Core i9-10940X с рекомендованной ценой $784.

Как оно получится с производительностью, мы ещё увидим, но стоит иметь в виду и то, что Ryzen 9 3950X в отличие от процессоров под LGA2066 работает с двухканальной, а не четырёхканальной DDR4-памятью, а также предлагает вдвое меньше линий PCI Express (но зато четвёртого поколения).

⇡#Вопросы совместимости

Столь разительные перемены, которые произошли в этом году с Socket AM4-системами, ошеломляют. Но вдвойне удивительно, что, удвоив число ядер в старших процессорах серии Ryzen, компания AMD продолжает сохранять сквозную совместимость внутри всей экосистемы. Иными словами, 16-ядерный Ryzen 9 3950X может работать в Socket AM4-материнских платах, выпущенных в этом, прошлом и даже позапрошлом году. Правда, с некоторыми оговорками.

Сама AMD рекомендует для Ryzen 9 3950X платы, построенные на наборе логики X570, потому что они, как правило, имеют более мощную схему питания, но это – необязательное условие. Необходимым для работы 16-ядерного процессора в Socket AM4-платах является лишь использование свежей прошивки: правильная и стабильная работа Ryzen 9 3950X гарантируется только с теми BIOS, которые собраны на базе библиотек AGESA 1.0.0.4B (1.0.0.4 Patch B). Для наиболее распространённых моделей плат, основанных на чипсетах X570, X470 и B450, необходимые обновления должны выйти до конца этого месяца, хотя бы в виде бета-версий. Заодно в этих обновлениях в очередной раз будет подправлена работа турборежима, максимальные практические частоты в котором с каждым обновлением планомерно приближаются к их паспортным значениям.

Второй важный момент касается того, что Ryzen 9 3950X – это первый представитель семейства, который будет поставляться без комплектного кулера даже в коробочном варианте. В ассортименте у AMD попросту не нашлось стандартных вариантов систем охлаждения, которые могли бы обеспечить 16-ядерному процессору достаточный теплоотвод. Несмотря на прогрессивные 7-нм чиплеты и припаянную к кристаллам теплорассеивающую крышку, Ryzen 9 3950X нуждается в более эффективном охлаждении, чем может предложить старший кулер AMD Wraith PRISM. Поэтому AMD решила переложить вопрос подбора системы охлаждения на плечи пользователя, дав лишь размытую рекомендацию о том, что для Ryzen 9 3950X требуется жидкостное охлаждение с радиатором размером от 280 мм. Справедливости ради нужно заметить, что сама AMD для своих маркетинговых материалов тестировала Ryzen 9 3950X с воздушным кулером Noctua NH-D15S. Поэтому можно надеяться, что производительные суперкулеры для Ryzen 9 3950X тоже вполне подойдут.

Но при этом нужно иметь в виду, что алгоритм автоматического разгона Precision Boost Override при своей работе учитывает в том числе и температурный режим процессора. Поэтому более эффективное охлаждение может оказаться полезным для получения от Ryzen 9 3950X лучшей отдачи.

⇡#Разгон

Поскольку Ryzen 9 3950X сделан из двух разноплановых CCD-чиплетов, один из которых вообще не про высокие частоты, разгонять этот процессор выбором единой фиксированной частоты для всех ядер – затея странная и, скорее всего, обречённая на провал. Тем не менее ради любопытства мы всё равно решили посмотреть, как высоко можно поднять частоту этого процессора, если действовать в лоб.

Лучшие процессоры семейства Ryzen 3000, побывавшие в нашей лаборатории, разгонялись синхронно по всем ядрам до 4,3 ГГц. Шестнадцатиядерный Ryzen 9 3950X этот рекорд не побил как минимум по двум причинам. Во-первых, из-за высокого тепловыделения. Три расположенных рядом полупроводниковых кристалла всегда будут нагреваться сильнее двух, и потому, несмотря на использование в тестовой платформе производительной системы жидкостного охлаждения NZXT Kraken X72, высокие температуры стали серьёзным препятствием. Во-вторых, не стоит забывать про второй CCD-чиплет, который в Ryzen 9 3950X отбирается с прицелом на более низкое тепловыделение, что в ряде случаев конвертируется в заметно худший частотный потенциал.

В конечном итоге максимальной частотой, на которой смог стабильно работать Ryzen 9 3950X при высокой нагрузке на все ядра, стала 4,1 ГГц. При напряжении питания 1,2 В процессор проходил на этой частоте часовое тестирование в Prime95 29.8 c активными AVX2-инструкциями.

Стоит отметить, что примерно такие же результаты получались при разгоне Ryzen 9 3900X, из чего можно заключить, что трёхчиплетные процессоры плохо переносят одновременное повышение частоты всех ядер сразу. И действительно, итоговая частота при самом простом подходе к оверклокингу оказывается значительно ниже максимальной частоты в турборежиме, давая прозрачный намёк, что так делать не надо.

Правильный же метод – это использование функции Precision Boost Overdrive, которая позволяет убрать все заложенные ограничения по потреблению процессора и его токам питания. В этом случае предоставленный сам себе процессор самостоятельно разгонится до тех рубежей, которые будут определяться качеством его кремниевого кристалла и потенциалом применённой системы охлаждения. Огромное преимущество разгона через Precision Boost Overdrive заключается в том, что эта функция оставляет активными оппортунистические алгоритмы автоподстройки частоты, и процессор сохраняет изменчивость частоты в зависимости от нагрузки. И следовательно, частоты CPU при невысокой нагрузке после разгона окажутся как минимум не хуже, чем в номинальном режиме.

Впрочем, при включении Precision Boost Overdrive тестовый Ryzen 9 3950X проявил себя как типичный представитель серии. AMD сама почти до предела разогнала свой 16-ядерник, оставив для экспериментов пользователей совсем немного пространства. При однопоточной нагрузке в Cinebench R20 процессор повысил частоту лишь на 25 МГц – до 4,65 ГГц.

А в многопоточной нагрузке частота Ryzen 9 3950X с активированной функцией Precision Boost Overdrive выросла на 125 МГц – до 4,0 ГГц.

Естественно, осмысленность такого разгона вызывает серьёзные сомнения: в самом лучшем случае он может поднять производительность на 1-3 %. Но это результат ещё не конечный. Не надо забывать, что пока Ryzen 9 3950X не развивает положенных частот даже в номинальном режиме, поэтому по мере того, как AMD и партнёры будут вносить исправления в BIOS материнских плат, действенность Precision Boost Overdrive тоже может возрасти.