为什么 AMD 的推土机、打桩机失败了，锐龙却成功了？
推土机与打桩机的失败：一次激进的架构改革未能击中要害
推土机架构是 AMD 在2011年推出的，它代表了 AMD 在x86处理器设计上的一次大胆且激进的尝试。当时，AMD 在多核处理器领域面临来自英特尔的巨大压力，尤其是在每瓦性能（performanceperwatt）和单核性能上存在明显差距。推土机架构的核心理念是“共享核心”（Shared Core）或“模块化设计”（Modular Design），旨在通过共享资源来提高核心的利用率和效率，以期在多线程应用中获得更好的表现。
推土机架构的主要设计特点和失败原因：
1. “共享核心”的设计思路与x86架构的冲突：
核心理念： 推土机将两个整数执行单元（Integer Execution Units, IEUs）与一个浮点执行单元（FloatingPoint Unit, FPU）以及其他资源（如解码器、调度器、缓存）捆绑在一起，形成一个“模块”（module）。AMD将其命名为“异构多线程”（Heterogeneous MultiThreading, HMT）或“模块化多线程”（Modular MultiThreading, MMT）。AMD将其描述为“两个整数核心配一个浮点核心”，但实际上的理解是“一个模块可以同时执行两个线程，但这两个线程共享大部分资源，比如整数执行单元的两个ALUs（算术逻辑单元）中的一个会被其中一个线程优先使用”。
失败原因：
资源争夺严重： 这种共享机制在处理大量并发的、独立的整数计算任务时可能会有所优势。然而，在实际应用中，尤其是在很多通用计算场景下，两个线程往往需要同时访问同一个整数执行单元、寄存器文件、缓存甚至内存控制器。当两个线程同时需要大量使用这些共享资源时，就会出现严重的资源争夺（resource contention），导致一个模块的整体性能反而不如两个独立的、功能齐全的“半核”。
IPC（每时钟周期指令数）下降： 由于资源共享和调度上的复杂性，推土机架构的IPC相比于前代产品（如Phenom II）出现了明显的下降。这意味着即使在相同的时钟频率下，推土机也无法像预期的那样执行更多的指令。
高功耗和低能效： 尽管推土机试图通过共享资源来提高效率，但实际结果却是功耗居高不下，而每瓦性能反而大幅落后于英特尔的同代产品。为了追求高频率以弥补IPC的不足，AMD不得不增加电压，进一步推高了功耗和发热。
2. 指令解码器（Fetch/Decode）的瓶颈：
设计： 推土机架构为了实现多线程的共享，使用了共享的指令获取（Fetch）和解码（Decode）阶段。这意味着在同一个模块中，两个线程的指令需要被共享的解码器处理。
失败原因： 当两个线程都非常活跃时，共享的解码器很容易成为瓶颈，无法及时解码和分发指令给后端的执行单元，这进一步加剧了性能的限制。
3. 浮点单元（FPU）的弱势：
设计： 推土机架构将一个功能强大的浮点单元（支持AVX指令集）与两个整数单元捆绑在一起。
失败原因： 虽然浮点单元本身设计不错，但由于共享的资源限制以及整数单元的性能不济，很多时候浮点单元也无法得到充分的发挥。尤其是在科学计算、媒体处理等对浮点性能要求较高的场景下，推土机表现不佳。
4. 缓存设计的不足：
设计： 推土机架构采用了共享的L2缓存和L3缓存，并且L2缓存的访问延迟也相对较高。
失败原因： 大容量的共享缓存在某些情况下可以带来好处，但其高延迟和资源争夺问题也限制了性能。
5. 市场预期与实际表现的巨大落差：
期望： AMD在推土机发布前，对它寄予厚望，认为它能在多核性能上全面超越英特尔，并且在能效比上有所突破。
现实： 然而，推土机在游戏、日常应用以及很多服务器工作负载上都表现平平，甚至不如前代的Phenom II。其唯一的亮点是在某些特定设计的（高度并行化）多线程应用中能与英特尔的同类产品竞争，但这并非主流。
打桩机（Piledriver）的改进：
打桩机是推土机架构的改进版，在2012年推出，应用于AMD FX系列和APU。它在推土机的基础上进行了一些优化，例如：
改进了指令预测和调度器。
提高了缓存延迟和吞吐量。
加强了浮点单元的性能。
降低了功耗。
尽管打桩机在性能和能效上有所提升，但它依然继承了推土机“共享核心”的基本设计理念，因此核心的瓶颈和局限性依然存在。 它在多核性能上有所改善，能够更好地与英特尔的同代产品竞争，但仍然无法在单核性能和能效比上形成优势。AMD通过打桩机试图弥补推土机的不足，但并未能从根本上改变其架构上的弱点。
总而言之，推土机和打桩机的失败主要归结于其激进的“共享核心”设计在通用计算场景下的性能瓶颈、资源争夺以及由此带来的高功耗和低能效比。AMD在这次架构转型中，过于追求一种新的多线程模式，但未能充分考虑到当时软件生态和硬件架构的现实需求。
锐龙的成功：回归经典与稳健创新的融合
锐龙系列处理器（Ryzen）于2017年推出，它标志着AMD在x86处理器市场的一次辉煌回归。锐龙的成功并非偶然，而是AMD吸取了过去失败的教训，并成功引入了颠覆性的新技术和设计理念。
锐龙成功的关键要素：
1. Zen架构：一个全新的、经典的设计回归：
核心理念： 与推土机/打桩机激进的共享核心不同，Zen架构回归了AMD传统上被证明是成功的“独立核心”（Island Core）设计。每个核心（或严格来说是“CCX”中的核心）都拥有独立的取指、解码、乱序执行（OutofOrder Execution, OoOE）引擎、ALUs、FPU以及寄存器文件等关键执行资源。
优势：
高IPC（每时钟周期指令数）： 独立核心的设计避免了推土机架构中的资源争夺问题，显著提升了IPC，使得锐龙在同等频率下能够执行更多的指令。Zen架构的IPC相较于上一代Excavator（打桩机微架构）提升了约52%，这是一个巨大的飞跃。
更均衡的性能： 无论是单线程还是多线程应用，锐龙都能提供更均衡、更强大的性能。它在游戏、生产力软件以及服务器领域都展现出强大的竞争力。
更好的能效比： 通过精细的制程工艺（初期为14nm FinFET）和优化的架构设计，锐龙实现了令人印象深刻的能效比，能够与英特尔的产品有效竞争甚至在某些方面超越。
2. CCX（Core Complex）与CCD（Core Complex Die）的设计：多核扩展的灵活之道：
核心理念： 锐龙最初采用的CCX设计是将4个独立核心捆绑在一个“CCX”中，共享一部分资源，如L3缓存（8MB）和内存控制器（集成在I/O Die上）。而更高核心数的Ryzen处理器（如Ryzen 9 3900X、5950X）则采用多CCX甚至多CCD（Core Complex Die）的设计，每个CCD包含若干个CCX（例如，Zen 2和Zen 3架构的CCD通常包含8个核心），并通过高速的Infinity Fabric互连。
优势：
灵活扩展： 这种模块化设计允许AMD根据市场需求灵活地组合核心数量，从4核到16核甚至更多。
成本效益： 在芯片制造中，使用多个较小的CCD通常比制造一个巨大的单片CPU更具成本效益和良率优势。
Infinity Fabric的助力： 高速的Infinity Fabric互连技术是实现多CCX/CCD高效通信的关键，它降低了核心之间以及核心与内存控制器之间的延迟。
3. 多线程技术的优化：SMT（Simultaneous MultiThreading）：
设计： 锐龙采用了成熟的SMT技术（类似于英特尔的超线程），允许每个物理核心模拟成两个逻辑核心，从而提高在多线程应用中的并行处理能力。
优势： SMT技术相比于推土机的共享资源模型更加成熟和高效，它能在不造成严重资源冲突的情况下提升线程吞吐量。
4. 制程工艺的进步：
14nm/7nm FinFET： 锐龙处理器采用了台积电的先进FinFET制程工艺（早期是14nm，后期逐步过渡到7nm甚至更先进的工艺），这带来了更高的晶体管密度、更低的功耗和更高的时钟频率潜力，为Zen架构的强大性能提供了坚实的基础。
5. 对市场需求的准确把握：
AMD的困境： 在推土机失败后，AMD的市场份额和利润持续下滑，面临严峻的生存挑战。
锐龙的定位： 锐龙的出现，精准地抓住了当时英特尔在多核性能和价格上的部分短板。它提供了极具竞争力的价格，同时带来了前所未有的多核性能，吸引了大量消费者，尤其是在主流市场和高端桌面市场。
总结锐龙成功的关键：
回归稳健高效的独立核心设计（Zen架构）。
显著提升IPC，实现强大的单核和多核性能。
优化的能效比。
灵活的模块化设计（CCX/CCD）和高速互连技术（Infinity Fabric）。
先进的制程工艺。
准确的市场定位和极具竞争力的价格。
从推土机/打桩机的失败到锐龙的成功，是AMD一次痛苦但成功的涅槃。 推土机是一次大胆的尝试，但方向错了，架构上的妥协导致了性能和能效的全面落后。而锐龙则是在吸取教训后，回归了x86架构的本质，并在其基础上进行了稳健且创新的设计，最终获得了巨大的市场成功。这充分说明了在处理器设计领域，对核心架构的理解、对市场需求的洞察以及对技术的持续投入是多么重要。
网友意见
推土机的失败和历史上的奔腾4（Pentium 4）的失败有很多相似的地方，都是脱离了原有的架构演变路线，都有着超长的流水线，都比上一代架构的单核性能出现了倒退，为了弥补单核性能的倒退，拼命的拉高频率并为此配备了更大的缓存。Ryzen的成功在于放弃了推土机的模块设计，接近Core的单核性能，引入CCX和多die封装便于扩展核心（胶水多核），以及移动处理器的发展带来的制程进步。
AMD自创业之处就一直处于Intel的压制之下，正如AMD第一位CEO杰里·桑德斯说的“英特尔只花了5分钟就筹集了500万美元，而我花了500万分钟只筹集了5万美元。”历史上AMD处理器的市场份额从未超过Intel，但AMD从未放弃和Intel正面对抗。2004年Intel CEO Craig Barrett当众下跪，向Pentium 4频率未能超过4GHz致歉。在AMD最风光的时期，AMD的市场份额也只是无限接近Intel，而AMD的利润的也没有太大增长，这为危机埋下了伏笔。
2006年Intel的Core架构发布，这个架构一直修修补补用到了今天。Core架构引入超线程和分支预测、三级缓存等等新设计，让CPU性能暴增40%。2007年AMD推出K10架构应对，但K10并没有比2003年的K8架构有太大的改进，K10也配备了三级缓存，但是属于全核心共享，速度不比当时的内存快多少，而且由于命中率不高爆发了严重的BUG。2008年AMD旗下芯片制造厂拆分，成立GF，2009年，欧盟认定英特尔反垄断罪名成立，对其处以10.6亿欧元(约合14.4亿美元)的罚款，同年AMD推出羿龙2（Phenom II ）X3开启了AMD开核时代。自Core架构出世以来，AMD就与高端CPU无缘，凭借更高的性价比的中低端CPU勉强维持经营。
2011年全新的推土机架构发布，此时的AMD不仅仅市场份额大幅落后Intel，资金也捉襟见肘，AMD直接抛弃了自K6以来的架构路线，新的推土机架构无疑是承担着AMD绝地反击的希望。推土机架构最大的特点引入模块化设计，方便扩展核心，每个模块拥有两个整数单元，共享一个使用率不高浮点单元。但这样的设计后果是单核性能的倒退，尽管AMD有更多的核心，但是由于AMD号召力实在比不过Intel，导致大多数应用没有对模块化的推土机优化，甚至有用户称其为“假八核”将AMD告上法庭。
今天再来回顾那段历史，恐怕只有AMD这样的公司才能推出推土机这样的悲壮的架构，才有FX-9590全核5Ghz用满载300w的功耗打平对手i7，这样悲壮的处理器。在推土机结构上，AMD有很多成本上的考虑，也带来许多超前的概念，但是并没有得到市场的认可，凭AMD的力量不可能重塑X86的生态。推土机架构没有带来AMD期望的性能和利润的双赢，反而使AMD陷入了进一步的深渊。
2012年打桩机架构发布，2014年挖掘机架构发布，这两个架构只是对打桩机的小修小补，AMD的重心也转向APU，通过大幅领先的核显性能，在低端市场保存一些市场份额。
2017年zen架构发布，将8核心处理器带来的民用市场，Intel匆匆推出8代酷睿应战。然而此时的PC市场已经渐渐迈向夕阳，Intel的重心已经不在PC上，除了例行更新制程外，每代酷睿处理器的性能只有10%左右的提升。在PC产业大衰退的背景下，头部的Intel首当其冲，而作为老二的AMD不仅受到的影响小，反而受益于移动芯片制成的发展，迎来了制程的大升级。2016年，Intel宣布放弃移动芯片业务，同年三星电子授权AMD的代工厂GF 14nm制程技术，这是AMD首次在制成上赶上Intel。
zen架构引入了超线程，在单核性能上赶上了Intel的Core，对比推土机架构在IPC上有40%的提升，同时继承了推土机的模块化设计，引入CCX，即使是最低端的ryzen3也可以和ryzen7共用一个die，只需要通过屏蔽核心就可以区分产品定位，不需要额外设计核心，大幅提高了良率。这样尽管在单核性能和制程不占优势下，也可以通过比Intel更多的核心和更便宜的价格赢得市场的青睐。
2018年云计算和AI的高速发展，让数据中心的需求暴增，这股浪潮让Intel处理器严重缺货，万年的14nm产能十分紧张，PC芯片连续涨价，AMD趁机取得了Intel放弃的份额，在部分地区实现了对Intel市场份额的反超，AMD也凭借zen架构便利的核心扩展方式，进军服务器领域，凭借64核的epyc处理器一举拿下最强性能的宝座。AMD的胜利既来自它自身不屈的奋斗精神，也是Intel长期的不作为和市场形势的变化导致的。
2019年，AMD和Intel的已经持续半个世纪的斗争还在继续……
AMD不仅仅是一家半导体公司，更代表着这世界一切弱者的荣耀……
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