Da Zen a Zen 4, le CPU AMD Ryzen a confronto

6 anni di architetture AMD Zen

Risale alla primavera del 2017 il debutto dei primi processori AMD della famiglia Ryzen, modelli che hanno rappresentato per l’azienda americana un punto di svolta rispetto al passato oltre che la base per il successo e la crescita nella quota di mercato registrati negli anni a seguire sino ai giorni d’oggi.

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Con le proposte Ryzen, basate sull’architettura indicata con il nome di Zen, AMD stata in grado di offrire una serie di processori che hanno rappresentato sul piano delle prestazioni e delle funzionalit un’alternativa competitiva molto forte per le proposte Intel Core. Quest’ultime, inoltre, hanno sofferto di una notevole difficolt evolutiva legata ai ben noti problemi riscontrati da Intel nell’utilizzo di tecnologie produttive pi sofisticate, soprattutto nel passaggio al processo a 10 nanometri da quello a 14 nanometri.

Tutto questo ha portato negli ultimi anni a una radicale trasformazione nel mercato dei processori, tanto desktop come mobile, permettendo ad AMD di registrare un notevole successo con i processori Ryzen.

52% di incremento nell’IPC tra la prima generazione di CPU Zen e l’architettura Excavator di precedente generazione

Nel corso degli anni AMD ha presentato differenti famiglie di processori Ryzen, abbinandoli a nuove evoluzioni dell’architettura Zen con le quali sono state introdotte nuove funzionalit oltre a rendere accessibili prestazioni sempre pi elevate. Con Zen e Zen+, prodotti a 14 e 12 nanometri, AMD ha portato sul mercato delle CPU desktop consumer fino a 8 core dal rapporto prezzo-prestazioni competitivo, figlio di un incremento dell’IPC del 52% rispetto all’architettura Excavator di precedente generazione.

Il passaggio a Zen 2 ha visto cambiamenti decisamente pi marcati nel progetto dei Ryzen, perch a fronte di un incremento medio dell’IPC del 15% AMD pass al progetto basato su chiplet che tutt’oggi ritroviamo nei modelli Ryzen 7000. Con l’architettura Zen 2 la famiglia Ryzen ha toccato per la prima volta la quota dei 16 core, grazie anche al passaggio al processo produttivo a 7 nanometri. Parallelamente salita anche la frequenza di boost, arrivando a un massimo di 4,7 GHz.

Con Zen 3 AMD ha compiuto il passo avanti che le serviva sul fronte dell’IPC (+19% su Zen 2) passando a un Core Complex a 8 core con 32 MB di cache L3 condivisi sempre mantenendo il progetto a chiplet. Affidandosi nuovamente al processo produttivo a 7nm, l’azienda riusc a spingere la massima frequenza di boost a 4,9 GHz nella versione di fascia pi alta. Accanto a Zen 3 dobbiamo segnalare anche la declinazione Zen 3 X3D, la prima dotata di 3D V-Cache montata sul die del processore.

Si arriva infine ai giorni nostri con Zen 4, architettura con la quale l’IPC compie un passo avanti del 13% di media rispetto a Zen 3, la cache L2 per core sale a 1 MB e c’ il passaggio ai 5 nanometri: questo nuovo processo produttivo permette alla versione top dei Ryzen 7000 di arrivare a 5,7 GHz come massima frequenza di boost, un netto balzo in avanti rispetto al passato.

CPU Zen a confronto, tutte alle stesse condizioni

Scopo di questo articolo dare risposta a una domanda formalmente molto semplice, ma altrettanto complessa: di quanto sono aumentate le prestazioni dei processori Ryzen passando da una generazione alla successiva tenendo conto delle sole novit in termini di architettura?. Questo implica usare – ove possibile – la stessa piattaforma, fissare un numero di core identico tra tutti i processori inseriti a confronto, bloccare la frequenza di clock su un valore predefinito ed evitare che vi siano in funzione tecnologie che modificano dinamicamente la frequenza di clock della CPU.

Per poter mettere a confronto le differenti generazioni di architettura Zen introdotte da AMD sul mercato alle condizioni sopra indicate abbiamo selezionato processori con architettura a 8 core, caratteristica comune a tutte le famiglie Ryzen da quella 1000 alla pi recente 7000 per sistemi desktop. Da BIOS abbiamo disabilitato la tecnologia Turbo, cos che la frequenza di clock di tutti i processori restasse fissa sul valore di 3,6 GHz scelto quale riferimento.

Queste le differenti versioni di processore Ryzen usate per il confronto:

• Zen 4: Ryzen 7 7700X (3,6 GHz, no turbo)
• Zen 3 X3D: Ryzen 7 5800X3D (3,6 GHz, no turbo)
• Zen 3: Ryzen 7 5800X (3,6 GHz, no turbo)
• Zen 2: Ryzen 7 3800X (3,6 GHz, no turbo)
• Zen+: Ryzen 7 2700X (3,6 GHz, no turbo)
• Zen: Ryzen 7 1800X (3,6 GHz, no turbo)

La frequenza di clock delle CPU stata bloccata a 3,6 GHz mentre quella della memoria stata impostata su quella di specifica per ciascuna architettura, secondo questo schema:

• Zen 4: DDR5-5200 30-39-39-39-96
• Zen 3 X3D: DDR4-3200 16-16-16-36
• Zen 3: DDR4-3200 16-16-16-36
• Zen 2: DDR4-3200 16-16-16-36
• Zen+: DDR4-2933 16-16-16-36
• Zen: DDR4-2667 16-16-16-36

Di seguito sono riportati i componenti utilizzati per i test di questi processori.

• Sistema operativo: Windows 11 Pro italiano
• SSD M.2: Samsung SSD 980 Pro 2TB
• Quantitativo memoria: 2x16GB
• Scheda video: Nvidia GeForce RTX 3080Ti Founders Edition
• Alimentatore:Cooler Master V850 Platinum
• Driver video: NVIDIA GeForce 516.94 WHQL

A seguire le differenti applicazioni utilizzate nella valutazione dei processori:

• Povray 3.7.0
• Cinebench 23
• Blender 3.3
• Corona Benchmark 1.3
• Indigo benchmark v4.4.15
• KeyShot Viewer 11.2.1
• 3DF Zephyr Lite
• Agisoft Metashape
• V-Ray 5 benchmark
• 7-Zip 22.01
• Winrar 6.11
• Handbrake 1.5.1 – 64bit
• Davinci Resolve 18.0.3
• Procyon
• PCMark 10

Giochi: risoluzione: 1920×1080 e 2560×1440

• Shadows of the Tomb Raider – DX 12 qualit alta, TAA
• F1 2022 DX12- qualit alta, anti aliasing TAA, anisotropico 16x, Monaco, Pioggia Forte
• Far Cry 6 – Qualit alta – Anti Aliasing TA
• Metro Exodus – impostazione qualitativa high
• Dirt 5 – qualit alta, selezionare fisse tutte e 3 le risoluzioni, RTX off, risoluzione dinamica off
• Borderlands 3 – impostazione alta
• Hitman 3 – impostazione extra, variable rate shading off, HDR no, Ray tracing no, DLSS qualit

Abbiamo scelto di riportare solo alcuni dei singoli risultati prestazionali registrati con le differenti architetture Zen, lasciando poi a seguire i grafici di andamento medio divisi per le varie tipologie di applicazioni. Quelle singole selezionate sono maggiormente indicative, con i loro risultati, del comportamento tipico registrato dai processori passando da una architettura alla successiva.

Iniziamo con Cinebench R23 nel test single thread, che permette di evidenziare meglio i benefici delle nuove architetture a livello di singolo core. Da Zen a Zen 4 abbiamo registrato un incremento del 41,5%, valore significativo che frutto di una progressione che potremmo definire quasi lineare passando da una architettura alla successiva.

Nel test multi-thread, che chiama in causa tutti i core a disposizione dei processori, il guadagno prestazionale ancor pi elevato e raggiunge il 60% nel passaggio da Zen a Zen 4. Questo comportamento spiegato dalle migliorie in termini di gestione delle operazioni multi-core introdotte da AMD con le successive iterazioni di architettura Zen, oltre che con la bandwidth della memoria di sistema che andata progressivamente incrementando nel corso del tempo.

ancor pi significativo il balzo in avanti che abbiamo evidenziato con F1 2022: passando da Zen a Zen 4 si arriva ad un incremento di quasi il 75%, mentre prendendo come riferimento la CPU con architettura Zen 3 X3D si giunge a sfiorare il raddoppio dei frame al secondo medi alla risoluzione di 1920×1080 pixel. Dobbiamo in ogni caso evidenziare come questo sia un titolo che, quantomeno a questa risoluzione, sia fortemente dipendente dalla potenza di calcolo della CPU utilizzata e meno dalle capacit della scheda video rispetto a quanto tipicamente avvenga con altri titoli: i balzi in avanti con altri giochi sono sempre consistenti ma non arrivano sino a questi massimi.

Anche nella conversione di flussi video con Handbrake abbiamo ottenuto valori di scalabilit delle prestazioni molto validi, arrivando a registrare poco meno del 40% di incremento passando da Zen a Zen 4.

Il grafico dell’andamento medio finale registrato nei nostri test conferma quanto evidenziato sinora in questo articolo: a parit di clock le differenze tra Zen e Zen+, le prime due architetture AMD di questa famiglia, sono piuttosto contenute mentre passando a quella Zen 2 che si registra un primo netto balzo in avanti di poco meno del 29% di media. Da qui una scalata ancora pi netta con Zen 3, che in media circa il 48% pi veloce della prima Zen a parit di frequenza di clock.

Con l’utilizzo della 3D V-Cache, per il momento esclusiva del processore Ryzen 7 5800X3D ma prossimamente implementata da AMD anche in alcune versioni di processore della serie 7000, si registra il picco pi alto a parit di frequenza di clock con oltre il 62% di margine di guadagno sul primo Zen; il passaggio all’architettura Zen 4 ha permesso un ulteriore guadagno rispetto a Zen 3 X3D, arrivando sino al 65% di prestazioni medie in pi rispetto alla prima architettura Zen. Dobbiamo per ricordare come uno dei punti di forza di Zen 4 sia il netto incremento nelle frequenze di clock, parametro che in questa analisi stato volutamente livellato a zero cos da renderne l’analisi dell’architettura completamente indipendente.

Se andiamo a osservare i grafici riparametrati delle singole categorie di applicazioni notiamo come i margini di incremento medi delle prestazioni sintetizzati dal grafico medio complessivo siano di fatto rispettati, con alcune differenze di rilievo che devono essere spiegate. Nei giochi e nella compressione dati, a parit di frequenza di clock, la spunta l’architettura Zen 3 X3D su quella Zen 4 pi recente grazie alle caratteristiche della cache X3D integrata in questo processore. Un quantitativo elevato di veloce cache L3 ha ricadute positive in termini di prestazioni soprattutto con questa tipologia di applicazioni.

Il grafico di produttivit personale mostra un netto balzo in avanti della CPU Zen 4 e questo in buona parte spiegato dalla memoria di sistema utilizzata, che per questa architettura quella DDR5: aumenta sensibilmente la bandwidth con valori di latenza che rimangono spinti e di questo beneficiano proprio queste tipologie di applicazioni.

Per quanto riguarda il puro calcolo, l’aumento delle prestazioni passando da Zen sino a Zen 4 pi lineare rispetto alle altre tipologie di applicazioni. In questo caso la natura di questi software, in grado di sfruttare al massimo tutti i core presenti nel processore a prescindere dall’architettura, a non permettere di ottenere balzi in avanti ancor pi netti avendo fissato la frequenza di clock e il numero di core, oltre ad aver disabilitato qualsiasi tecnologia che permetta di incrementare la frequenza di clock della CPU in modo dinamico.

Da ultimo diamo uno sguardo ai consumi che mostrano dati che possono apparentemente sembrare errati, ma che invece dimostrano i passi in avanti fatti da AMD con le varie versioni di architettura Zen anche su questo versante. La CPU Zen 4, con clock bloccato a 3,6 GHz, quella che consuma meno di tutte pur essendo capace delle prestazioni pi elevate: abbiamo registrato 120 Watt di consumo di picco del sistema nel rendering con Cinebench R23, contro i 215 Watt della CPU con architettura Zen nelle stesse condizioni d’uso.

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evidente come AMD abbia lavorato, nelle varie iterazioni di architettura Zen che si sono succedute sino ad oggi, con l’obiettivo di incrementare le prestazioni ma al contempo anche intervenendo sui consumi complessivi. La disponibilit di tecnologie produttive sempre pi sofisticate ha ovviamente permesso ad AMD di arrivare a tutto questo: merito quindi anche della taiwanese TSMC, storico partner produttivo dell’azienda americana.