从SPEC06+最新编译器测试，了解Zen2 Renoir的较小缓存对性能的影响

Posted 2021-04-14 微架构与高性能计算杂谈

我们在之前的文章中，介绍了基于Sky Lake微架构的处理器与AMD最新推出的Zen2 Matisse微架构 在各方面性能的对比，也引入了SPEC2006 1.2版测试，今天我们将通过SPEC配合最新编译器的方式测试，Renoir的架构综合IPC性能，我们知道，Matisse的外围架构设计是内存控制器所在的I/O die是与CPU Die分离的，而最新推出的笔记本移动版Zen2，代号Renoir（雷阿诺），将I/O Die与芯片组功能都集成在7nm芯片中，理论上是可以降低内存延迟，但实际操作中，内存延迟依旧偏高。

但因为全部使用7nm制造一个完整的CPU，成本控制的需要导致实际芯片面积需要控制在一个较低的水平，这导致AMD对缓存部分进行了大幅度的削减，在桌面端Matisse上，一个8核心芯片分为2个CCX，每个CCX里面的4核心8线程CPU拥有高达16MB的L3，但Renoir则一个8核心芯片的2个CCX，每个CCX为4MB L3，相当于仅为桌面端的1/4，缓存用于提高CPU取数据效率，这势必会对整体性能造成影响，那么总体来说影响会有多大呢？哪些项目会有明显影响，哪些项目又影响较小呢？所以我们通过SPEC综合测试，将数十个各类项目通过最新编译器重新编译，以便能尽可能反映实际性能，同时会对比Matisse和Intel最新的IceLake微架构低压产品1065G7的性能。本次进行SPEC06 IPC单线程对比的Renoir产品是R5-4600H，SPEC CPU测试是一个打包有众多常用生产负载的代码的测试集合，用于展现CPU在各类环境下的CPU执行性能。

4600H的单核频率4Ghz，非常接近Icelake的1065G7，所以非常适合对比同频性能，或者说IPC。

	R5-4600H	i7-1065G7	R7-3700X
核心	6/12	4/8	8/16
单核频率	4.0Ghz	3.9Ghz	4.4Ghz
配置内存	16GB 3200C22	16GB 3200C22	32GB 3600C17
二级缓存	512KB每核心	512KB每核心	512KB每核心
三级缓存	单CCX内4MB总计8MB	8MB共享	单CCX16MB总计32MB
AIDA64实测延迟	~87ns	~65ns	~70ns

由于涉及Intel与AMD的对比，本次测试使用通用编译选项，Intel处理器运行不开启其架构的专用优化选项，没有AVX512指令生成命令（本身也没啥用）：

int=base=default=default:

OPTIMIZE= /arch:AVX2 -Qipo -O3 -Qprec-div- -Qopt-prefetch

COPTIMIZE=-Qparallel -Qauto-ilp32

CXXOPTIMIZE=-Qcxx-features -Qauto-ilp32

fp=base=default=default:

OPTIMIZE=/arch:AVX2 -Qipo -O3 -Qprec-div- -Qansi-alias 

-Qopt-prefetch

CXXOPTIMIZE=-Qcxx-features

使用的测试环境是Windows 10 2004操作系统

采用Intel parallel studio XE 2020，编译器版本19.1 Update1

IDE环境为Visual Studio 2017 15.9版本

IceLake微架构对比Renoir微架构

首先对比的是1065G7与4600H，int测试均是单线程对比，所以重点关注的是Icelake架构的3.9Ghz VS Zen2 Renoir 4.0Ghz。int部分除400项目因为Visual studio环境问题无法编译成功，项目概况如下：

实际成绩如下：

实际上有相当多的项目，Icelake相比Renior有着显著的领先优势，SPEC对访存和cache miss有较大敏感度，其中429，471，462，483，403是对L3比较敏感的项目，而429其实对L1/L2/L3都有较高要求，456项目则对load访存操作有较高要求，我们知道，Icelake的MOB可以实现128个Load操作和72个store操作，而Zen2仅为44+48个操作，而这构成了Icelake相比Renoir的巨大优势项目，那什么项目差距较小呢？分别是401/445/464三个项目差距是最小的，401是解压缩，464是H264视频编码，445是类似一种早期围棋游戏的计算，而目前媒体测试爱用解压缩基准，转码测试，很难反映AMD缓存缺失问题。

接下来是浮点部分，450/447项目因为IDE环境问题编译失败，其余共计15个项目。

实际结果如下：

1065G7依旧有非常大的优势，但具体到小项上，甚至输掉了410项目，而这是流体力学项目，在416/433/454/465四个项目上差距也很小，416和465是量子化学项目，433则是量子物理项目，不过该项目有非常高的内存瓶颈，往往CPU都是差不多的成绩，454是结构力学项目，不过值得注意的是，本身微架构的差异也是造成性能巨大差异的原因，所以从中只能看出Renoir相对Icelake的情况，只能说成绩接近的项目说明“即使缓存缩水，相比Intel Icelake的差距依旧不大”，但完整的分析缓存缩水造成的性能差异应该关注接下来对比3700X的情况。

最终落到总评上，在11个int项目和15个浮点项目后，根据SPEC给出的总分计量方法即相乘开对应数量的方的形式得出总评分数：

i7-1065G7以3.9Ghz的单核频率面对Renoir的4Ghz，int部分高出24.8%，fp部分高出19.4%，相当于有20-25%的IPC优势，这等于说即使是Zen3的移动版推出，也难以超越Icelake微架构的总体性能。那么，相对自家桌面级Matisse，缓存的损失是不是也是让Renoir在这些项目上落败呢？

Matisse大缓存对阵Renoir

首先要强调的是，通过配置低时序内存，3700X内存延迟已经降低至比4600H更低的水平，所以4600H将在缓存全面缩水，内存不占优势的情况下进行对比，其中3700X单核频率约为4.4Ghz，这意味着差距在10%左右是相对正常的，观察缓存系统对其性能的影响，首先依旧是int部分的成绩：

401/445/458/456/464的都在10%甚至更低的范围，这基本符合之前Icelake对比时的情况，429，471，462，483，403的L3敏感也体现在了这里，不过进一步对比也可看出473项目也出现了较大的差异。

在浮点部分的成绩，15个项目的成绩如下

其中416/433/435/444/453/454/465一共7个项目均没有出现因为缓存带来的负面影响，436/470/481/482的差距明显大，分别是物理广义相对论方程，流体力学，天气预报和语音识别，其余项目也有一定影响，值得注意的是453 PovRay是渲染项目，而Renoir在大多数渲染测试中的确均无缓存影响，尤其是Cinebench R20。

最终用计算总分的方法将三个处理器进行对比：

3700X性能与1065G7相当，但是是通过4.4Ghz频率换来的，如果简单的换算到同样频率下，即使是Matisse，int部分也相比Renoir高14%，ICL则高出了28%，而FP部分Matisse比Renoir高出了10%。ICL高出了22%。

最终通过SPEC测试，综合来说在26个项目的严格测试下，Renoir的IPC相比Icelake差距较大，即使相比与普通Skylake处理器来说，也会存在劣势，因为普通Skylake处理器的IPC与Matisse接近，而Renoir下降了10-14%，但因为解压缩，转码和渲染项目并没有受到太大影响，这使得其在媒体测评中表现出色，且更小的缓存，还降低了CPU整体功耗，取得了更高的能耗比。