Zen究竟是如何实现的，从初级IC设计师到AMD首席架构师迈克·克拉克(Mike Clark)

Ian Cutress：你从1993年大学毕业后就一直在AMD工作，差不多30年了。试图为你在AMD的工作时间找到一些有记录的工作历史是很有趣的--除了你在Zen中的表现，几乎没有什么可以参考的！您能否向我们概述一下您参与过的一些项目，以及您在走向 Zen 的过程中做了哪些工作？

Mike Clark：我刚从伊利诺伊大学毕业，就开始了 K5 的工作。那是我们在 x86 上的第一个基础设计，非常棒。当我大学毕业时，我收到了几个offer，但我选择了AMD，因为它是唯一一个真正让我能从事CPU设计的公司，当时这太疯狂了！这里不仅可以做RTL设计，还可以设计和验证自己的功能模块。也就是可以真正去做物理设计，你有一个与你合作的物理设计师，但你自己运行综合工具。

所以，这就是我的切入点，我还负责TLB，当时没有人知道X86 TLB是如何工作的。由于我们当时只是客户在英特尔的备选采购，我不得不去了解并逆向工程x86 TLB是如何工作的--那是一个巨大的乐趣！我学到了很多。

接着，我们最终购买了NexGen，得到了K6，我帮助把它整合进去。然后我们做了K7，我是K7的主要微码设计人员。K7的每个区块负责人都非常棒。我从这些人身上学到了很多东西，在那里我真正学会了如何建立一个伟大的微架构。

之后，我做了 Greyhound (K9) 核心，我是K9的首席架构师，它是 K8 的衍生物。然后我们正在做整个Bulldoze的事情，我是Steamroller 版本的首席架构师，但我以不同的角色参与了所有这些工作。然后我成为了 Zen 的首席架构师。

我现在负责整个 Zen 路线图，但在 AMD，首席架构师从高级设计一直到芯片，然后通过与客户互动来发布芯片。你真的知道你的哪些决定是好的，哪些是坏的。当你听到有人把工作放在软件上时，你会感到痛苦，所以你下次要做得更好。你真的和设计在一起很长时间了，我真的相信这样一个事实：你不只是在硅的前端工作，甚至是在执行阶段，然后就继续前进--你必须感受到你设计中的一切痛苦，这样你才能成为一个更好的架构师。

所以现在我负责路线图，然后我们有一个很棒的团队，他们现在是所有 Zen 架构的首席架构师。

IC：那你的正式头衔是什么？

MC：我想说的我应该是核心架构的领导者，或者核心路线图的领导者。

Zen: The Beginning

IC：本季度对AMD来说都是关于Zen和Ryzen的5年，自从2016年8月在Hot Chips的那些新闻活动和首次披露的微架构以来。实际上，你们的Zen之旅是什么时候开始的--谁是“大人物”，你是一开始就担任首席架构师吗？

MC：嗯，对我来说是从 2012 年开始的。我们意识到我们需要做一些不同于推土机（Bulldozer）系列的事情。Jim 进来帮助重新组织了团队，我是首席架构师。所以对我来说已经快10年了。

人员方面，从2012年开始，人特别多，团队也很棒。我很感激我能代表这么多优秀工程师的工作。Suzanne Plummer 是 Zen 团队的负责人，管理团队，只是让团队团结在一起，她很棒。然后还有Mike Tuuk、Tim Wilkins、Jay Fleischman、Leslie Barnes -来自公司各个部门的各种人为 Zen 的成功做出了贡献。

所以说起来有点好笑，我从2012年开始就一直在做它——如果我回去，我仍然有我们为Zen做的HLD设计。你不会相信，花了5年时间才生产出来的东西，现在看起来是多么不同。我的意思是骨头还在那里，你看到了，但沿途发生了很多变化。这是这个行业的关键之一——能够充满活力，让事情发生变化，因为时间太长了。但仍然能够提供一个有竞争力的设计，这是相当惊人的。有时候，当我们刚起步的时候，当团队担心或者对他们的HLD感到奇怪的时候，我就会转身说‘这就是Zen，HLD出来时一切都不会完美。

IC：在竞争对手刚刚发布的产品的基础上进行设计是否可行?还是说你仍然两年的领先优势?

MC：这很重要——我们可以。你会惊讶于我们反应的速度。这感觉仍然很长时间，但我们不断评估竞争，并将自己与他们进行比较，试图确保我们保持在正轨上。其中一个原因是，我们也必须设定自己的目标。我们不能等他们，那是当我们看到历史上在这个行业发生了什么——我们为自己设定了那些激进的目标，只是试图实现它们独立于竞争对手也在做什么。现在我们当然会密切关注他们。

MC：由于时间长，这肯定需要大量投资。交货时间这么长，这对企业来说很艰难——市场每年都需要一款产品，而你一直在努力更新，等待新的大事到来。所以这绝对是必要的，这样我们就可以做我们需要做的事情来完成工作。

那是一段艰难的时期。我的意思是，我们遇到的最困难的问题之一是让团队团结在一起。确实有很多人离开了，这是一个非常激进的计划。从我们所处的位置来看，我们花了很多时间试图说服人们我们会成功。即使取得了成功，我们仍然知道如果竞争继续按照他们的轨道进行，当第一个出现时，他们可能仍然领先于我们。这就是我们需要做的事情才能在那里打下坚实的基础，然后推出 Zen 2 和 Zen 3，真正让我们走上一条可以成为行业领导者的轨道。

IC：在我最近对Jim Keller（吉姆-凯勒）的采访中，Jim提到了上午8点关于芯片设计的大型会议--有很多不同意见，但他提到你是其中一个有坚定信念的人，相信你能成功。被召集到那次会议上，讨论这些想法，并回顾 Zen 的成功是什么感觉？

MC：对我来说，这太棒了！这种工程交流就是我们所说的“概念”，我们为每个大项目都这样做。当时，对于如此大的转变，我想说可能比平时有更多的争论

我的意思是，我们之前没有做过 SMT，我们之前也没有做过微操作缓存，很多人认为在同一个内核中同时做这两个事情会是一场灾难。我不得不说服他们。使用Bulldozer 线程模型，我们学到了很多，Bulldozer 中有很多类似SMT 的东西，所以我们已经学会了做SMT 的方法，即使我们没有在执行单元或数据缓存中做过。所以这对我们来说并没有像以前没有做过任何事情的人那样迈出那么大的一步。

使用微操作缓存，我们在一个被取消的项目上做了类似的事情，实际上我们应该在推土机 2 中做。对于 Zen，我们需要这样做以达到我们达到 40% IPC 提升的积极目标. 我认为从这样的讨论中，看到它可能的人留下了，而一些认为不可能的人决定走自己的路。

但那是工程，对吧？我的意思是，这很难。我们知道工程师很擅长辨别废话，所以你必须非常小心，不要给他们设定完全不可能的目标——他们会看到这是不可能的，他们不会让自己设置失败。你也不能只是设定简单的目标，所以你必须在不是不可能的目标和非常困难的目标之间找到很好的平衡，然后告诉他们如果我们没有达到目标，它仍然会好起来。但是我们必须设定这些激进的目标，如果让工程师加入，您会惊讶于他们为完成它而付出的努力。

IC：我问吉姆他是否是Zen之父，他说他是“疯狂的叔叔”之一。那么你是Zen之父吗？

MC：我绝对同意 Jim 的意见，即制作 Zen 需要很多人。但是，是的，我认为我是Zen之父——我的意思是，在我给它命名的意义上。2012 年的第一天我就在那里，我一直都在那里。我知道这一切的好与坏，就像父母了解自己的孩子一样——你知道他们擅长什么，不擅长什么，我已经感受到我们所有不好的部分的痛苦，而且我已经看到了我们所有善良的喜悦。但就像你认识的孩子一样，你拥有它，就像你拥有芯片一样，你最后不得不让它在这个世界上出现。你再也无法控制它了。我已经坚持了这么久，从第一次披露到现在已经五年了，我投入了感情。正因为如此，你知道，其他人可以来来去去，继续前进，但我从头到尾都与Zen在一起。所以在这方面我确实认为自己是一个父亲。但是，就像我说的，它需要一个了不起的团队来实现它--我没有自己一个人实现它，就像抚养孩子也不是一个人，它需要更多的人。

IC：最近AMD CMO John Taylor提到，Zen和Ryzen命名的背后有一个有趣的故事。这个故事是什么？

MC：所以对于 Bulldozer 架构，我想这些年来我已经了解到构建 x86 内核就是在架构中找到频率、IPC、功率和面积之间的正确平衡。我们没有使用 Bulldozer，所以我觉得我们的新项目需要一个名称来说明我们的真正目标是什么，即拥有一个平衡的架构。Zen “禅”这个名字对我来说对我们正在做的事情很有意义。

我认为从Ryzen 的角度来看，当他们第一次向我展示它时，他们有点紧张，担心我可能不喜欢它。但是当我看到它，当我看到Enzo，当我看到它是一个开放的Enzo，带着不完美的美（我们知道Zen并不完美，所有的核心都有它们的问题），它完美地代表了我的想法当我在 2012 年命名它时。就好像它就是这种完美的协同作用。在他们给我看之前，没有人真正和我谈过这个问题，我想他们很紧张。当他们给我看的时候，我就觉得，这真是太棒了。这正是我所想的，甚至没有告诉他们。

IC：与 Zen 一起，我们了解了 Project Skybridge，能够将 x86 SoC 和 Arm SoC 放在同一个插槽上。您知道在 AMD 为 Ryzen 全力以赴之前，Skybridge 的 Arm 版本（我们称为 K12）已经开发了多远？

MC：我想，最初Zen和K12是姊妹项目。他们有相同的目标，只是实际连接了不同的 ISA。核心是这样的，L2/L3的层次结构可以是任何一种。当然，在Skybridge中，数据结构可以是其中之一。有一个完整的团队在做K12，我们分享了很多东西，你知道，为了效率，我们有很多关于架构的很好的辩论。虽然我在x86上工作了28年，但它只是一个ISA，你可以在任何ISA上构建低功耗或高性能的设计。我的意思是，ISA确实很重要，但它不是主要组件——如果你需要一些特殊的指令来做事情，你可以改变ISA，但实际上微体系结构在很多方面是独立于ISA的。在不同的ISA中有一些有趣的怪癖，但归根结底，这是关于微架构的。但我真正关注的是Zen的一面。

内核设计

IC：当我们谈论内核和产品时，总是与上市时间和满足最后期限有关。实际上，在设计完整后多久，你开始考虑如何将事情设计得更好，以及容易实现的目标在哪里？

MC：甚至在第一次出带前一年，你就会意识到关于微架构的有趣的事情是，某些决定推动了某些决定，而这些决定又推动了某些决定，所以如果第一个决定是坏的，就会有很多返工来回到正确的轨道。我们试图尽可能地做出这些最初的决定，但当其中一些决定需要重做时，已经太晚了。希望任何问题都是在更远的道路上的决定。但这就是微架构的现实。

但这就是我们可能看到的战略所在。我们知道，当我们对内核进行彻底的重新设计时，将会有很多机会来改进我们之前所做的 [使用更新的衍生产品]。所以我们希望我们的衍生芯片成为一个大的衍生产品，让它值得花费 12 到 18 个月的时间来完成。我们知道做第二个衍生产品通常不值得努力--从性能/功率的角度来看，你能从中获得的东西不多。你总是可以添加更多的东西，你总是可以增加更多，但你有更多的力量，你把东西更多地放在一边，而不是真正进入并重做机器的内脏。

因此，我们的策略实际上是进行基础设计，进行衍生，然后再回来进行另一个完全基础的设计，在该设计中我们通过流水线（pipeline）重新考虑所有内容。我们仍然可以重用一些东西，比如我们仍然有一个OP缓存，但我们并没有摆脱OP缓存，但我们最终可能会以一种非常不同的方式来做，比如它与指令缓存的接口，或者它提供给机器变化的方式。也许我们需要重新思考它是如何工作的，以扩大它的范围，我们必须真正地重新思考概念，而不仅仅是使分派或执行范围更广。整个机器都要理解这一点，所以我们基本上要把所有的东西都撕掉然后把它用方块图写在一张干净的纸上。这意味着，当我们的人开始编码时，这是一个发现哪些部分没有改变的情况，重用代码，或构建新的。我们仍然使用旧设计的部分，如果这次没有真正改变的部分，我们可能会认为它对这个设计来说已经足够好了。

所以每三年，我们几乎都会重新设计它。我们必须管理能耗，以便我们可以将这些小部件放在一个全新的pipeline中，并真正控制它们的能耗，这样它们就不会消耗与 IPC 等效的所有额外能耗。

第一个 A0 Zen 需要冷却

IC：你是那种在第一批硅片从工厂运回来的时候会在守在实验室看到正常上电的架构师么？如果是的话，那是什么样子的？房间里的气氛是怎样的？

MC：我很想这么做，但很多时候他们甚至不让我进去！让我晚点进去。当它第一次回来时，有很多关于 BIOS 和固件的启动流程，实际上甚至不涉及核心。所以当时对我自己或那一代的首席架构师没有太多需求。但是很快，随着团队让它运行和启动时，就是重要的时候了。

关于最初的Zen，我有一个非常有趣的故事，第一个A0芯片，肯定有一些问题。我们不得不在非常冷的情况下才能运行它。我们在等固定的A1回来，甚至是A0+，来解决问题，所以我们不需要冷运行。其中一个工程师问‘你试过那个补丁了吗?-我说“不，我坐在这里等它晾干了。当我们把它保持在如此低的温度，以至于冷凝水积聚时，每隔一段时间，我们就必须停下来，让它干透。然后一旦它干了，我就会让你知道你的补丁是否有效。这很疯狂，但我喜欢工作中的实验室--我绝对是一个喜欢弄脏手的架构师。不幸的是，我不能像以前那样弄脏它们，而且当你遇到真正困难的问题时，我通常会更晚参与。

IC：所以你提到那个故事很有趣，因为我对它有点兴趣。当你拿回 A0 硅片时，它在常温下不能正常工作，是什么告诉你必须把它放在冷的地方？谁会这么想？人们怎么会想到这是为了正常运行而需要做的事情？然后你如何去寻找 A0 的修复？另外，这是设计修复吗？或者它是制造修复？你如何找到两者的区别？