Zen 2

AMDのZen、Zen+マイクロアーキテクチャの後継にあたり、TSMC製7 nm（英語版）MOSFET素子により製造されている。メインストリーム・デスクトップ用のRyzen 3000 (コードネーム Matisse)、ハイエンド・デスクトップ用のThreadripper 3000^[4][5]、APU用のRyzen 4000Gとして知られる、第3世代Ryzenプロセッサに使われている。2019年7月7日にRyzen 3000シリーズCPUが発表され^[6][7]、2019年8月7日にZen 2ベースのEPYCサーバーCPU (コードネーム Rome)が発表された^[8]。2019年11月に追加のチップセット、Ryzen 9 3950Xが発表された^[6]。CES 2019において、AMDは8コア16スレッドのチップレットを含む、第3世代Ryzenのエンジニアリングサンプルを発表した^[4]。AMDのCEOリサ・スーは、最終的なラインナップでは8コアより多いチップを予定していると述べた^[9]。Computex 2019において、AMDはZen 2 "Matisse"プロセッサが12コアとなることを明らかにし、数週間後のE3 2019では16コアプロセッサである先述のRyzen 9 3950Xを明らかにした^[10][11]。

Zen 2にはSpectreに対するハードウェアによる脆弱性緩和が含まれている^[12]。Zen 2ベースのEPYCサーバーCPUでは、各マルチチップ・モジュール(MCM)パッケージにおいて、7 nmプロセスで製造された複数のCPUダイ(合計8個まで)と、14 nm I/Oダイを組み合わせる設計を採っている。これにより、ソケット当たり最大64個の物理コアと合計128個の計算スレッド(同時マルチスレッディング)をサポートすることができる。このアーキテクチャは、「プロコンシューマ」向けフラッグシッププロセッサであるThreadripper 3990Xのレイアウトとほぼ同じである^[13]。AMDによると、Zen(14 nmマイクロアーキテクチャ、第1世代Ryzen)、Zen+(12 nmマイクロアーキテクチャ、第2世代Ryzen)に比べ、Zen 2はクロックあたりの命令実行数(IPC)が約15%向上しているという^{[14][要出典]}。

マルチチップ・モジュール・アプローチで設計された2つのZen 2プロセッサ。左のCPU(メインストリームのRyzen CPU)には小さく能力も低いI/Oダイと最大2つ(写真の例では1つ)のCCDが使われている。一方、右のCPU(ハイエンド・デスクトップ用Ryzen Threadripperとサーバ用EPYC CPU)にはより大きく能力も高いI/Oダイと8つのCCDが使われている。

Zen 2は、ZenやZen+に使われていたAMDの前世代Zenアーキテクチャの物理的設計パラダイムから大きく逸脱している。Zen 2は、CPUのI/Oコンポーネントが個別のダイにレイアウトされるような、チップレットとも呼ばれるマルチチップ・モジュール設計に移行している。その結果、スケーラビリティと製造コストが向上している。プロセス技術による物理的インターフェイスの縮小には限度があるため、I/Oコンポーネントを別のダイに分離することによってCPUダイより大きく、高性能にすることに成功している。このCPUダイ(AMDは「Core Complex Die」、CCDと呼んでいる)は、I/Oコンポーネントを別のダイに分離したためによりコンパクトになっているため、大きいダイと比べてより小さいプロセスルールで、欠陥品もより少なく製造できる。また、ダイが欠陥品となる確率はダイの大きさに比例するため、一つのウェハーからより多くのダイを切ることができる。加えて、中央のI/Oダイは複数のチップレットで共有できるため、多数のコアを持つプロセッサを設計することが容易になる^[15][16][17]。

各CPUに8コアが搭載されているZen 2には、4コアの「コア・コンプレックス」(CCX)が2つずつ配置されている。これらのチップレットはTSMC製7 nm（英語版）MOSFET素子が使われており、大きさは74 - 80 mm²程である^[16]。 このチップレットに約39億個のトランジスタが使われているのに対して、12 nmのIOD (I/Oダイ)には約125 mm²の大きさに20.9億個のトランジスタしか使われていない^[18]。 L3キャッシュの大きさは、ZenやZen+が8 MiBであったのに比べ、8コアチップレットの各コアが16 MiBにアクセスできるため、32 MiBに倍増している^[19]。実行単位の幅が128ビットから256ビットになっているため、AVX2の性能が大幅に向上している^[20]。

I/Oダイには複数のバリエーションがあり、GlobalFoundriesの14 nm（英語版）プロセスのものや、同社の12 nm（英語版）プロセスのものがある。14 nmダイは多機能であり、EPYC Romeプロセッサに使われている一方、12 nm版はコンシューマ向けプロセッサに使われている^[16]。どちらのプロセスも寸法が似ているため、トランジスタ密度もほぼ同じである^[21]。

AMDのZen 2アーキテクチャはインテルのCascade Lakeマイクロアーキテクチャより低い消費電力でより高いパフォーマンスを実現できる。一例として、Intel Core i9-10980XE (TDP 165W)よりもAMD Ryzen Threadripper 3970X (TDP 140W、エコモード)の方が高いパフォーマンスを実現している^[22]。

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  AMD Ryzen 7 3700X
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  CPUパッケージから取り外されたメインストリームRyzen I/Oダイ
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  EPYC I/Oダイ
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  プロセッサパッケージから取り外されたCCD
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  キャリアなしのAMD EPYC 7702サーバ向けプロセッサ
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  殻割りしたAMD EPYC 7702。CCDが8つあることが分かる。はんだTIM (サーマル・インターフェース・マテリアル) が使用されている。Threadripperプロセッサも同様の構造をしている^[27]。